Транспорт электронов и фотофосфорилирование

В фотосистемах I и II поглощение двух световых квантов (фотонов) хлорофиллом и другими пигментами приводит к возбуждению электрона в реакционном центре (например, Р700 в случае фотосистемы I; см. рисунок). Обладающий до­статочно высокой энергией электрон включается в цепь элект­ронного транспорта. Затем электрон «падает» на низший энергетический уровень (этот процесс изображен на рисунке как повышение значения стандартного электродного потенциа­ла Е°'). В фотосистеме I электрон в конечном счете исполь­зуется для восстановления NADP+, а возбужденные электроны фотосистемы II передаются фотосистеме I, причем в процессе их транспорта каждая пара возбужденных электронов участ­вует в фосфорилировании одной молекулы ADP. Таким обра­зом, общая стехиометрия реакций, индуцируемых фотонами в фотосинтезирующих эукариотах, выглядит следующим образом:

H ₂O + 4hν + NADP⁺ + ADP + Pi NADPH + Н⁺ + ½О₂ + (ATP+H₂О)

Рисунок - Инициированное поглощением света возбуждение электронов

(вер­тикальные стрелки) и их транспорт в фотосинтезирующих системах.

Поглощенная световая энергия может участвовать в регене­рации дополнительных количеств АТР по пути циклического фотофосфорилирования, изображенному на рисунке штриховой линией. В этом случае возбужденные электроны транспортируются от Р700 к Р430, затем к цитохрому b₅₆₃ и снова к Р700; на последнем этапе этого пути электроны принимают участие в фосфорилировании ADP по следующему простому уравне­нию:

3 hν + ADP + Pi АТР + Н₂О

Изменение свободной энергии в реакции фотосин­теза равно +686 ккал/моль. Поскольку в любой из фотосистем для возбуждения одного электрона необходимы два фотона и по­скольку генерирование одной молекулы О₂ сопровождается пе­реносом четырех электронов, то образование 6О₂ требует по­глощения 48 квантов света. Согласно уравнению для расчета Ер, энер­гия фотонов зависит от длины их волны. Если принять λ = 700 нм, то минимальное количество световой энергии, необходимой для инициирования реакции фотосинтеза с помощью фотосинтезирующей системы растений, составит 1968 ккал/моль глюко­зы. Следовательно, в первом приближении эффективность ути­лизации поглощенного света будет равна 686 : 1968 = 0,35 = 35%.

5. Темновые реакции фотосинтеза

В зеленых растениях и фотосинтезирующих микроорганизмах существует фермент, катализирующий включение СО₂ в карбоксиль­ную группу 3-фосфоглицериновой кислоты, которая затем по пути глюконеогенеза преобразуется глюкозо-6-фосфат, а затем в глюкозу. Этот фермент, названный дифосфорибулозокарбоксилазой или рибулозодифосфаткарбоксидисмутазой, ката­лизирует карбоксилирование и гидролитическое расщепление рибулозо-1,5-дифосфата с образованием двух молекул 3-фосфоглицериновой кислоты.

Однако участием одной только этой последо­вательности реакций нельзя было объ­яснить тот факт, что все шесть ато­мов углерода гексозы при фотосинтезе образуются в конечном счете из С0₂. Кальвин предложил цикличе­ский механизм синтеза гексоз, при котором одна молекула рибулозо-1,5-дифосфата регенерируется при восстановлении одной молекулы СО₂.

Суммарное уравнение этого сложного цикла имеет следующий вид:

6 Рибулозо-1,5-аифосфат + 6С0₂+18АТФ + 12НАДФ-Н+12Н+

6 Рибулозо-1,5-дифосфат + Гексоза + 18Ф_Н + 18АДФ + 12НАДФ+.

Рибулозо-1,5-дифосфат фигурирует в обеих частях уравнения только для того, чтобы показать, что он является необходимым компонентом и регенерируется в конце цикла. Суммарное уравнение (после сокращения рибуло-зо-1,5-дифосфата) имеет следующий вид:

6 С0₂+18АТФ + 12НАДФ • Н + 12Н⁺ Гексоза + 18Ф_Н + 18АДФ + 12НАДФ⁺

Рисунок - Образование глюкозы из СО₂ при фотосинтезе через цикл Кальвина в листьях шпината. Сокращения: ЗФГ — 3-фосфоглицериновая кислота, ГЗФ — глицеральдегид-3-фосфат, ДОАФ — диоксиацетонфосфат, ФДФ — фруктоао-1,6-дифосфат, Ф6Ф — фрук-тозо-6-фосфат, Г6Ф — глюкозо-6-фосфат, Э4Ф — эритрозо-4-фосфат. Кс5Ф — ксилулозо-5-фосфат, СДФ — седогептулозо-1,7-дифосфат, С7Ф — седогептулозо-7-фосфат, Р5Ф — рибозо-5-фосфат, Ру5Ф — рибулозо-5-фосфат, РуДФ — рибулозо-1,5-дифосфат.

Последовательность реакций цикла Кальвина:

1 ) 6СО₂ + 6 рибулозо-1,5-дифосфат 12 3-фосфоглицерат,

2 ) 12 3-фосфоглицерат + 12 АТФ 12 1,3-дифосфоглицерат

3) 12 1,3-дифосфоглицерат + 12НАДФ-Н + 12Н

12 глицеральдегид-3-фосфат + 12НАДФ⁺

4 ) 5 глицеральдегид-3-фосфат 5 диоксиацетонфосфат

5 ) 3 глицеральдегид-3-фосфат + 3 диоксиацетонфосфат

3 фруктозо-1,6-дифосфат

6) 3 фруктозо-1,6-дифосфат 3 фруктозо-6-фосфат + 3Фн

7 ) Фруктозо-6-фосфат Глюкозо-6-фосфат

8 ) Глюкозо-6-фосфат Глюкоза + Фн

9 ) 2 фруктозо-6-фосфат + 2 глицеральдегиц-З-фосфат ^{транскетолаза}

Ксилулозо-5-фосфат + 2 эритрозо-4-фосфат

1 0) 2 эритрозо-4-фосфат + 2 диоксиацетонфосфат ^{альдолаза}

2 седогептулозо-1,7-дифосфат

1 1) 2 седогептулозо-1,7-дифосфат ^{фосфатаза}

2 седогептулозо-7- фосфат + 2Ф_Н

12) 2 седогептулозо-7-фосфат + 2 глицеральдегид-3- фосфат ^{транскетолаза} 2 рибозо-5-фосфат + 2 ксилулозо-5-фосфат

13) 2 рибозо-5-фосфат ^{изомераза} 2 рибулозо-5-фосфат

1 4) 4 ксилулозо-5-фосфат ^{эпимераза} 4 рибулозо-5-фосфат

1 5) 6 рибулозо-5-фосфат + 6АТФ ^{фосфорибулокиназа} 6 рибулозо-1,5-дифосфат + 6АДФ

Реакции (1) — (8) - реакции образования глю­козы из СО₂ и рибулозо-1,6-дифосфата. Реакции (9) — (15) связаны с регене­рацией рибулозо-1,5-дифосфата.