Фотохимический этап фотосинтеза. Циклическое и нециклическое фотосинтетическое фосфорилирование

Фотохимические реакции фотосинтеза — это реакции, в которых энергия света преобразуется в энергию химических связей, и в пер­вую очередь в энергию фосфорных связей АТФ.

Энергия поглощенных квантов света стекается от сотен молекул пигментов к одной, характеризующейся поглощением в наиболее длинноволновой части солнечного спектра. Молекула хлорофилла-ло­вушки, связанная с реакционным центром, отдает электрон (окисля­ется). Электрон поступает в электронно-транспортную цепь. Перенос электрона по цепи переносчиков включает ряд окислительно-восста­новительных реакций, в ходе которых выделяется энергия. Эта энер­гия может быть использована для синтеза АТФ. Процесс преобразо­вания энергии квантов света в АТФ получил название фотосинтети­ческого фосфорилирования.

Различают два основных типа фотосинтетического фосфорилиро­вания: нециклическое и циклическое. Они связаны соответственно с нециклическим и циклическим потоками электронов. При цикличе­ском потоке электроны, переданные от молекулы хлорофилла пер­вичному акцептору, возвращаются к ней обратно. При нециклическом потоке происходит фотоокисление воды и передача электрона от воды к НАДФ.

Совокупность молекул пигментов (фотосинтетическая единица) совместно с определенными белками-переносчиками электронов со­ставляет фотосистему. В процессе фотосинтеза принимают участие две фотосистемы. Показано, что эффективность света с дли­ной волны 680—700 нм может быть значительно повышена добавле­нием света с более короткой длиной волны (λ 650—660 нм). Интен­сивность фотосинтеза при освещении смешанным светом (с двумя длинами волн) оказалась выше суммы интенсивностей фотосинтеза, наблюдаемой при освещении светом каждой длины волны в отдель­ности. Это явление называют эффектом усиления или эффектом Эмер­сона. Был сделан вывод, что необходимо одновременное световое возбуждение пигментов, различающихся по спектру поглощения. Именно это и привело к понятию о существовании двух фотосистем. Интересно, что эффект усиления наблюдается при изучении фотосин­теза у высших растений и водорослей. У бактерий этот эффект от­сутствует.

Установлено, что первая фотосистема у высших растений вклю­чает 200 молекул хлорофилла а, 50 молекул каротиноидов и 1 моле­кулу хлорофилла (хлорофилл-ловушка), поглощающую свет с дли­ной волны λ 700 нм (П₇₀₀). Вторая фотосистема включает 200 моле­кул хлорофилла а, 200 молекул хлорофилла b и 1 молекулу хлоро­филла, поглощающую свет с длиной волны λ 680 нм (П₆₈₀). По-види­мому, свет поглощается раздельно этими двумя фотосистемами и нормальное осуществление фотосинтеза требует их одновременного участия.

При нециклическом потоке электронов принима­ют участие две фотосистемы. Энергия квантов света стекается к мо­лекуле пигмента Шоо, который и выступает в виде ловушки (фото­система I). Электрон в молекуле П₇₀₀ переходит на более высокий энергетический уровень (S₁*). В основном состоянии О/В потенциал П₇₀₀ довольно высокий (+0,43 В). Следовательно, тенденция к поте­ре электрона (окислению) выражена очень слабо. Однако при погло­щении кванта света молекула П₇₀₀ переходит в возбужденное состоя­ние и ее окислительно-восстановительный потенциал падает до —0,60 мВ. Поэтому в возбужденном состоянии молекула П₇₀₀ легко отдает электрон (фотохимическая реакция). Отдавая электрон, молекула П₇₀₀ окисляется и остается в виде положительно заряженной молекулы. Электрон передвигается по направлению к НАДФ (О/В потен­циал — 0,32) через ряд переносчиков, расположенных в порядке воз­растания О/В потенциала. Электроны спонтанно текут в сторону более высоких окислительно-восстановительных потенциалов. Пере­носчик, воспринимающий электрон от П₇₀₀, имеет Е₀ — 0,55. Следую­щим переносчиком является железосодержащий белок ферредоксин (Е₀ — 0,43). Ферредоксин содержит два атома железа в негеминовой форме. От ферредоксина электрон переносится на НАДФ (Е₀—0,32). Этот перенос осуществляется с помощью специфического белка-фер­мента (ферредоксин-НАДФ-редуктазы), коферментом которого явля­ется флавинадениндинуклеотид (ФАД).

Отдав электрон, П₇₀₀ остается в виде ионизированной молекулы. При этом О/В потенциал П₇₀₀ становится снова +0,43 (основное состояние). Благодаря этому он является прекрасным акцептором элек­тронов. Источником электрона, заполняющего эту «дырку», является фотосистема II. Она ответственна за реакции, связанные с разложе­нием воды и выделением кислорода. Ловушкой квантов света в фото­системе II является молекула хлорофилла, поглощающая свет с дли­ной волны — λ 680 (Хл₆₈₀). Под влиянием поглощенного кванта света возбужденный электрон молекулы Хл₆₈₀ воспринимается акцептором и передается дальше по цепи переносчиков. Образовавшаяся элек­тронная «дырка» в молекуле Хл₆₈₀ действует как сильный окисли­тель и через ряд переносчиков при участии иона марганца отнимает электрон от воды. Этот электрон заполняет электронную «дырку» в молекуле Хл₆₈₀. Происходит фотоокисление воды и выделяется кис­лород:

Полученный от Хл₆₈₀ неизвестным акцептором Z, электрон пере­дается далее на пластохинон (Е₀ + 0,11). Пластохинон (производное хинона) имеет молекулярною массу 748. Считается, что в переносе электронов участвует 65 молекул пластохинона. От пластохинонов электрон воспринимается молекулой цитохрома f. Цитохром f отно­сится к группе цитохромов с (Е_о + 0,360). Воспринимая электрон, цитохром восстанавливается: Fе³⁺+ē →Fе²⁺. Следующий переносчик — пластоцианин. Отдавая электрон пластоцианину, цитохром окис­ляется: Fе²⁺ — ē → Fе³⁺. Пластоцианин — это медьсодержащий белок, в котором на каждую молекулу белка приходится два атома меди (Е₀ пластоциаиина + 0,370). От пластоцианина электрон заполняет элек­тронную «дырку» у П₇₀₀.

Перенос электрона по цепи переносчиков от фотосистемы II к фотосистеме I сопровождается аккумуляцией энергии в АТФ (АДФ + Ф →АТФ). Таким образом, отличительными особенностями нециклического фотосинтетического фосфорилирования является: 1) окисление двух молекул воды, происходящее в результате воздействия 8hv света, которые улавливаются двумя фотосистемами; 2) передача электронов от молекул воды через электронно-транспортную цепь на НАДФ. Продуктами процесса нециклического фотофосфорилирования являются восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ^.Н₂) и АТФ. Эти соединения световой фазы в дальнейшем используются в темновой фазе фотосинтеза.

Нециклическое и цикли­ческое фотосинтетическое фосфорилирование принято включать в световую фазу фо­тосинтеза, однако свет необ­ходим только на первых эта­пах этих процессов. Перенос электрона по цепи переносчи­ков может происходить в тем­ноте. При рассмотрении при­веденных схем надо учитывать, что в зависимости от условий физического состояния хлоропластов расположение и набор пере­носчиков в электронно-транспортной цепи могут меняться. Вопрос, как осуществляется связь между переносом возбужденного светом электрона по цепи переносчиков и образованием АТФ за счет выде­ляющейся при этом энергии, до настоящего времени не выяснен. Наибольшее признание получила хемиосмотическая гипотеза, выдви­нутая английским ученым Митчеллом. Переносчики электронов (электронно-транспортная цепь) локализованы в мембранах в опре­деленной последовательности. По мнению Митчелла, переносчики расположены перпендикулярно мембране. Благодаря этому происхо­дит непрерывный перенос электрона с одной стороны мембраны па другую. При этом последовательно чередуются переносчики электро­нов (цитохромы) с переносчиками электрона и протона (пластохиноны). В результате происходит односторонний перенос протонов с наружной стороны мембраны тилакоидов на внутреннюю. Образуется градиент ионов водорода и соответственно на разных сторонах мембраны возникает разность потенциалов. Образование АТФ является результатом разрядки мембран. Электрохимическая энергия при этом превращается в химическую энергию макроэргической свя­зи АТФ.

Продукты световой фазы, в которых аккумулирована энергия све­та, — АТФ и НАДФ • Н₂ —назвали ассимиляционной силой. Образование этих соединений идет в отсутствии С0₂. При наличии АТФ и НАДФ-Н₂ восстановление С0₂ до уровня углеводов может происходить в темноте.