61. Кинетика и физические механизмы переноса электрона в электронтранспортных цепях фотосинтеза. Механизмы сопряжения овр с трансмембранным переносом протона. Механизмы фосфорилирования.

Последовательность отдельных реакций в фотобиологических про­цессах включает следующие стадии: поглощение кванта света хромофорной группой и образование электронно-возбужденных состояний -> миграция энергии электронного возбуждения-> o первич­ный фотофизический акт и появление первичных фотопродуктов —> образование первичных стабильных химических соединений -> физиолого-биохимические процессы -> конечный фо­тобиологический эффект. В основе первичных процессов фото­синтеза лежит сложная совокупность окислительно- восстановительных реакций переноса электрона в электрон-траспортной цепи (ЭТЦ). (Картинка Z-схема) 

ФС2 и ФС1 функционируют последова­тельно: донором электронов для ФС1 служат восстановленные в резуль­тате действия ФС2 фотопродукты. Дальний красный свет (лямбда > 680нм) поглощается преимущественно пигментами ФС1 и вызывает окисление цитохрома, который восстанавливается ФС2 при поглощении коротко­волнового света (дл.волны < 680нм). Оптимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается при определенном соотношении между количеством воз­бужденных ФС1 и ФС2, которое зависит от спектрального состава света. Поглощение света происходит пигментами светособирающего (СС) пиг­мент - белкового (ПБ) комплекса (ССПБК), от которого, как из резервуа­ра, энергия возбуждения передается на пигмент - белковые комплексы ФС1 и ФС2 (ПБК1 и ПБК2) и далее непосредственно к реакционным центрам РЦ1 и РЦ2. В зависимости от конформационного состояния фотосинтетических мембран изменяется топография распо­ложения ПБК1 и ПБК2 , их связь с ССПБК, и распределение энергии возбуждения между ФС1 и ФС2. Это определяется присутствием ионов в среде, рН среды, степенью фосфорилирования и поверхностным зарядом белков ССПБК.

Основной принцип работы РЦ заключается в том, что при попада­нии возбуждения от (ПБК) в фотоактивный пигмент (Р) самого РЦ про­исходят отрыв электрона и восстановление первичного акцептора (А₁), который затем передает электрон следующему акцептору (А₂) и так да­лее по ЭТЦ. (картинка - передача е) 

Восстановление Р+ происходит затем от доноров электрона в ЭТЦ. В качестве A1 в РЦ выступают производные порфириновых моле­кул (например, феофитин в РЦ2), а роль вторичного акцептора выпол­няют молекулы хинона (РЦ пурпурных бактерий), пластохинона (РС2) или железосерные белки (РЦ1). Эффективность отрыва электрона от Р+ и переноса его на А₁ достигает 95 - 98% и происходит за времена не­сколько пикосекунд (1пс=10-12 с). Если в РЦ исходно в темноте вторичный акцептор химически восстановлен, то после появле­ния электрона на А₁ происходят его рекомбинация с Р+ за 5 - 10 нс и появление Р+. Это сопровождается замедленным свечением. (картинка – замедленное свечение). 

В РЦ пурпурных бактерий кинетика переноса электрона между Р (димер бактериохлорофилла), A₁(бактериофеофитин БФФ), А₂ (первичный хинон Q_A), Аз (вторичный хинон Qb)

– 

 

Общая схема первичных процессов бактериального типа,

где внешним источником электронов для восстановления НАД служит сереводород, органические молекулы. Цитохром С_Н обеспечивает цик­лический поток электронов, а цитохром Cl - связь циклического перено­са с внешними донорами электронов. + картинка реакции в РЦ пурпурных бактерий. 

Важнейшая особенность функционирова­ния РЦ состоит в том, что отдельные стадии переноса электрона могут протекать эффективно и при низких температурах, вплоть до температур жидкого азота и жидкого гелия. 

Первичный хинон, получив в РЦ электрон, изменяет характер своего движения и переходит на другую конформационную координату, соответствующую его восстановленному состоянию. Здесь он, достигнув определенного контактного состояния со вторичным хиноном, отдает ему электрон. При низких температурах подвижность первичного хинона падает, а следовательно, уменьшается и эффектив­ность переноса электрона от него на вторичный хинон. Если, однако, образец медленно охлаждать в условиях постоянного интенсивного ос­вещения, когда в результате действия света и отрыва электрона от Р мо­лекулы первичного хинона в основном находятся в восстановленном состоянии, то картина существенно изменяется.

Картинка «передача е на пул Пх».   Семихиноныхарактеризуются поглощением в спектральной области 320-450 нм (первая вспышка). После второй вспышки света происходит образование дважды восстановленного хинона Q^2-_B и исчезновение полосы поглощения семихинона. Моле­кула Q^2-_B протонируется из внешнего окружения и обменивается с одной молекулой хинона из пула Пх, занимая ее место. Система возвращается в исходное состояние с той лишь разницей, что одна молекула пула теперь протонирована: ПхН₂. Третья вспышка опять приводит к образованию семихинонных ради­калов и соответствующему увеличению поглощая. Картинка «общая схема процесса».   Образованный дважды восстановленный вторичный хинон Q_вH₂ быстро окисляется при достаточно высоких окислительно-восстановительных потенциалах среды. Семихинонный вторичный акцептор более стабилен и медленно оки­сляется за счет реакции с окисленной формой медиатора.

Механизм окислительного фосфорилирования

Механизм фосфорилирования АТФ, сопряженный с работой электон-транспортной цепи на мембранах (хлоропластов и митохондрий), был расшифрован в 1961 году английским биохимиком Питером Митчеллом, лауреатом Нобелевской премии (1978).

Процесс образования АТФ, сопряженный с линейным перемещением электронов от ФС II к ФС I называют нециклическим фосфорилированием. В процессе восстановления реакционного центра ФС I за счет электронного транспорта от ФС II между фотосистемами может возникнуть еще один поток электронов: от ферредоксина (Фд) фотосистемы I к комплексу цитохромов (b6/f) фотосистемы II. При этом НАДФ+ не восстанавливается, а освобождающаяся энергия используется для фосфорилирования АДФ и образования макроэргической фосфатной связи АТФ. В итоге создается замкнутый электронный поток, при котором электроны, возбужденные в ФС I, не переходят на НАДФ+, а возвращаются в электрон-транспортную цепь на один из ее участков – «выше по течению». При этом перенос электронов по цепи сопровождается поступлением («перекачкой») протонов через тилакоидную мембрану. Возникающий в связи с этим электрохимический градиент обеспечивает синтез АТФ. Этот процесс называют циклическим фосфорилированием. Синтезированная АТФ переходит в строму хлоропласта.

Таким образом, во время световой фазы фотосинтеза благодаря энергии солнечного света синтезируется АТФ, образуется восстановленный НАДФ·Н и как побочный продукт выделяется кислород. В этом заключается основная функция световой фазы фотосинтеза.