4. Световая фаза фотосинтеза

Сущность световой фазы фотосинтеза состоит в поглощении лучистой энергии и ее трансформации в ассимиляционную силу (АТФ и НАДФ ^. Н), необходимую для восстановления углерода в темновых реакциях. Сложность процессов преобразования свето­вой энергии в химическую требует их строгой мембранной орга­низации. Световая фаза фотосинтеза происходит в гранах хлоро­пласта.

В состав фотохимически активных мембран хлоропластов вхо­дят пять согласованно функционирующих многокомпонентных белковых комплексов: светособирающий комплекс, фотосистемы I и II, цитохромный комплекс (цитохромы b₆ и f), участвующий в транспорте электронов, и АТФ-азный комплекс, обеспечиваю­щий синтез АТФ.

Организация и функционирование пигментных систем

Пигменты хлоропластов объединены в функциональные ком­плексы — пигментные системы, в которых реакционный центр - хлорофилл а, осуществляющий фотосенсибилизацию, связан процессами переноса энергии с антенной, состоящей из светособирающих пигментов. Современная схема фотосинтеза высших растений включает две фотохимические реакции, осуществляе­мые с участием двух различных фотосистем. Предположение об их существовании было высказано Р. Эмерсоном в 1957 г.

Установлено, что фотосистема II (ФСII) поглощает более коротковолновые лучи по сравнению с ФСI. Фотосинтез идет эффективно только при их совместном функционировании.

В состав ФСI в качестве реакционного центра входит димер хлорофилла а с максимумом поглощения света 700 нм (Р₇₀₀), а также хлорофиллы а_675-695, играющие роль антенного компонен­та. Первичным акцептором электронов в этой системе является мономерная форма хлорофилла а₆₉₅, вторичными акцепторами - железосерные белки (FeS). Комплекс ФСI под действием света восстанавливает железосодержащий белок — ферредоксин (Фд) и окисляет медьсодержащий белок — пластоцианин (Пц).

ФСII включает реакционный центр, содержащий хлорофилл а (Р₆₈₀) и антенные пигменты — хлорофиллы а_670-683. Первичным акцептором электронов является феофитин (Фф), передающий электроны на пластохинон. В состав ФСII входит также белко­вый комплекс S-системы, окисляющий воду, и переносчик элек­тронов Z. Этот комплекс функционирует с участием марганца, хлора и магния. ФСII восстанавливает пластохинон (PQ) и окис­ляет воду с выделением О₂ и протонов.

Связующим звеном между ФСII и ФСI служат фонд пластохинонов, белковый цитохромный комплекс (b₆ и f) и пластоциа­нин.

В хлоропластах растений на каждый реакционный центр при­ходится примерно 300 молекул пигментов, которые входят в состав антенных или светособирающих комплексов. Из ламелл хлоропластов выделен светособирающий белковый комплекс, со­держащий хлорофиллы а и b и каротиноиды (ССК), тесно свя­занный с ФСII, и антенные комплексы, непосредственно входя­щие в состав ФСI и ФСII (фокусирующие антенные компоненты фотосистем). Половина белка тилакоидов и около 60 % хлоро­филла локализованы в ССК. В каждом ССК содержится от 120 до 240 молекул хлорофилла.

Антенный белковый комплекс ФСI содержит 110 молекул хлорофиллов а_680-695 на один P₇₀₀, из них 60 молекул — компо­ненты антенного комплекса, который можно рассматривать как ССК ФСI. Антенный комплекс ФСI также содержит β-каротин.

Антенный белковый комплекс ФСII содержит 40 молекул хлорофиллов а с максимумом поглощения 670—683 нм на один Р₆₈₀ и β-каротин.

Хромопротеины антенных комплексов не обладают фотохи­мической активностью. Их роль состоит в поглощении и переда­че энергии квантов на небольшое количество молекул реакцион­ных центров‚ каждая из которых связана с цепью транспорта электронов и осуществляет фотохимическую реак­цию. Организация электронно-транспортных цепей (ЭТЦ) при всех молекулах хлорофилла нерациональна, так как даже на пря­мом солнечном свету на молекулу пигмента кванты света попа­дают не чаще одного раза за 0,1 с.

Передача энергии в светособирающих комплексах и фото­системах происходит путем индуктивного резонанса. Условиями для резонансного переноса энергии служат сближенное распо­ложение и перекрытие частот осциллирующих электронных систем у двух взаимодействующих молекул. Причем миграция энергии осуществляется от коротковолновых пигментов к более длинноволновым. Квант света мигрирует в фотосистеме, пока не попадет в стоковую молекулу (ловушку) — пигмент реакционного центра, который является самым длинноволновым и поэтому неспособным возбуждать соседние молекулы. Энергия возбужденного пигмента реакционного центра расходуется на фотохимическую работу. Квант света обычно передается на стоковую молекулу через несколько сотен передач, каждая передача осуществляется за 10^-12 с. Экспериментально установлено, что 90 % энергии возбуждения хлорофилла а может быть передано на Р₇₀₀ менее чем за 10^-9 с.

Циклическое и нециклическое фотосинтетическое фосфорилирование

Фотосинтетическое фосфорилирование, т. е. образование АТФ в хлоропластах в ходе реакций, активируемых светом, может осуществляться циклическим и нециклическим путями.

Циклическое фотофосфорилирование является более простым и эволюционно более древним. При циклическом фотофосфорилировании функционирует только ФСI и ее единственным про­дуктом является АТФ.

Циклическое фотофосфорилирование было открыто в 1954 г. Арноном, Алленом и Френкелем на изолированных хлоропластах шпината.

Сущность циклического фотофосфорилирования заключается в следующем (рис. 12). При поглощении кванта света один их электронов пигмента ре­акционного центра (P₇₀₀) перехо­дит на более высокий энергети­ческий уровень. В этом состоя­нии он захватывается белком, содержащим железо и серу (Fe — S-центр), а затем передается на железосодержащий белок ферридоксин. Дальнейший путь элек­трона — поэтапный, его транс­порт обратно к P₇₀₀ через ряд промежуточных переносчиков, среди которых имеются флавопротеиды и цитохромы. По мере транспорта электрона его энер­гия высвобождается и использу­ется на присоединение Фн к АДФ с образованием АТФ. Число молекул АТФ, образую­щихся при переносе одного элек­трона, до сих пор не установлено.

Рис. 12. Циклический транспорт электронов

Рис.13. Нециклический транспорт электронов

Причина в том, что из двух необходимых величин относи­тельно легко измерить только количество АТФ, синтезированное за определенное время, тогда как оценить число электронов, перенесенных по циклической цепи за тот же промежуток вре­мени, не представляется возможным.

Итак, при циклическом фотофосфорилировании энергия света расходуется на перенос электрона на высоко восстановлен­ное соединение, т. е. против градиента ОВ-потенциала, а затем электрон «скатывается с горки», образованной переносчиками с убывающим уровнем восстановленности, и, обедненный энер­гией, возвращается на ФСI. Механизмы сопряжения (АТФ-азный комплекс) обеспечивают на этом отрезке пути запасание энергии в виде АТФ. У простейших автотрофов — бактерий это единственный путь фотофосфорилирования.

У высших растений в процессе эволюции появился более сложный путь, который осуществляется при участии двух фото­систем и обеспечивает восстановление НАДФ за счет фотоокис­ления воды. Причем восстановление НАДФ осуществляет ФСI, а фотоокисление воды — ФСII. Эти две системы функционируют одновременно и взаимосвязано. Р. Хиллом и Ф. Бендаллом (1960) разработана схема последовательности реакций, которая получила название схемы нециклического транспорта электронов, или Z-схемы (рис. 13).

При возбуждении P₇₀₀ в реакционном центре ФСI электрон захватывается мономерной формой хлорофилла а и затем после­довательно передается через железосерные белки, ферридоксин, флавопротеиды на восстановление НАДФ. P₇₀₀, не получив элек­трона обратно, как в случае циклического фосфорилирования, приобретает положительный заряд, который компенсируется электроном ФСII.

В ФСII Р₆₈₀, возбужденный квантом света, передает электрон феофитину. От феофитина электрон, теряя энергию, последова­тельно передается на пластохиноны, железосерный белок, цитохром f, пластоцианин и, наконец, на P₇₀₀ ФСI. Энергия, освобож­дающаяся при транспорте электрона от возбужденной ФСII на ФСI, используется для синтеза АТФ из АДФ и Фн, т. е. здесь имеет место фотофосфорилирование.

Р₆₈₀, оставшись без электрона, приобретает способность полу­чать электрон от воды. Несмотря на активное исследование, детально механизм процесса фотоокисления воды не установлен. Показано участие белкового комплекса и переносчика электро­нов Z, для функционирования которых необходимы Mn, CI и Са.

Таким образом, при нециклическом пути происходит линей­ный или открытый, т. е. не замкнутый по циклу, транспорт электронов. Донором электронов является вода, конечным ак­цептором — НАДФ. Причем происходит одновременно двухэлектронный транспорт. Передача электронов осуществляется при участии двух фотосистем, поэтому для переноса каждого элек­трона расходуются два кванта света. На участке между ФСII и ФСI транспорт электрона идет по убывающему градиенту окис­лительно-восстановительного потенциала с высвобождением энергии и запасанием ее в АТФ.

Н ₂О + 2НАДФ + 2АДФ + 2Ф_н О₂ + 2НАДФ ^. Н₂ + 2АТФ

Наряду с нециклическим в мембранах хлоропластов высших растений функционирует циклический транспорт электронов. Причем ферридоксин выполняет роль регулятора потока элек­тронов. При возрастании потребности в АТФ часть электронов от ферридоксина через систему цитохромов возвращается к P₇₀₀ с образованием АТФ. Восстановление НАДФ в этом случае не идет, и фотоокисления воды при участии ФСII не требуется.