9.1.3. Инициирование светом переноса электронов и протонов в мембранах хлоропластов

В опытах Эмерсона Р. и др. (1957 г.) по изучению действия монохроматического света разной длины волны на интенсивность фотосинтеза у хлореллы было выяснено, что максимальная скорость фотохимических реакций наблюдается при одновременном освещении этих водорослей красным светом с длинами волн 650 нм и 680 нм, тогда как эффективность света каждой из указанных длин волн в отдельности оказалась более низкой. Обнаруженное явление в дальнейшем назвали эффектом Эмерсона. Оно позволило исследователям предположить о существовании в хлоропластах двух взаимодействующих между собой фотохимических систем – фотосистемы I и фотосистемы II, представляющих собой белково-пигментные копмлексы, которые в определённом порядке входят в структуру хлоропластных мембран. С помощью современных методов указанные белково-пигментные комплексы выделены из хлоропластов растений и достаточно хорошо изучены.

В состав белково-пигментного комплекса фотосистемы I входят:

димер пигмента Р₇₀₀ и мономер хлорофилла а₆₉₅, образующих реакционный центр;

светоулавливающий комплекс пигментов (около 300 молекул), включающий хлорофилл а с максимумами поглощения 675-695 нм, хлорофилл b и каротиноиды;

железо-серные белки, имеющие группировки атомов 4Fe4S.

Молекулы пигментов светоулавливающего комплекса поглощают кванты света, переходят в возбуждённое состояние и передают энергию возбуждения с помощью механизма индуктивного резонанса на пигмент Р₇₀₀, входящий в состав реакционного центра фотосистемы I. Молекула пигмента Р₇₀₀, находящаяся в возбуждённом синглетном состоянии, далее взаимодействует с первичным акцептором электронов хлорофиллом а₆₉₅, передавая ему один электрон. При этом пигмент Р₇₀₀ переходит в окисленное состояние (Р⁺₇₀₀) , а хлорофилл а₆₉₅ – в восстановленное состояние (а^-₆₉₅). Перевод пигмента Р₇₀₀ в исходное восстановленное состояние происходит за счёт передачи электрона из фотосистемы II, а у фотосинтезирующих бактерий источниками электронов для восстановления реакционного центра фотосистемы I используются электроны, образующиеся при окислении H₂S, H₂, углеводородов и других органических веществ.

Восстановленная форма хлорофилла а₆₉₅ передаёт электрон на вторичные акцепторы – железо-серные белки, которые в свою очередь способны восстанавливать водорастворимый железо-серный белок ферредоксин, обладающий подвижностью в жидкой дисперсионной среде на внешней поверхности тилакоидных мембран (рис. 32). Далее с участием фермента ферредоксин – НАДФ – редуктазы, содержащего в качестве кофермента ФАД, осуществляется перенос электронов от восстановленного ферредоксина на окисленный НАДФ (НАДФ⁺), в результате чего происходит образование одного из важнейших продуктов фотосинтеза – восстановленных динуклеотидов НАДФ (НАДФН):

2Н⁺

2Fd_восст. + НАДФ⁺  2Fd_окисл. + НАДФН + Н⁺

редуктаза

Белково-пигментный комплекс фотосистемы II включает следующие компоненты:

димер пигмента Р₆₈₀ и феофетин, играющие роль реакционного центра;

светоулавливающий комплекс пигментов, в состав которого входят молекулы хлорофилла а с максимумами поглощения 670-683 нм, хлорофилл b и каротиноиды;

молекулы пластохинонов, служащие вторичными акцепторами электронов.

Как и в фотосистеме I, молекулы пигментов светоулавливающего комплекса фотосистемы II поглощают кванты света и передают энергию возбуждения на пигмент Р₆₈₀ в составе реакционного центра, переводя его в возбуждённое синглетное состояние. Возбуждённая молекула Р₆₈₀ становится донором электрона для первичного акцептора – молекулы феофетина, который переходит в восстановленное состояние и передаёт электрон на первичный пластохинон, действие которого как акцептора электрона усиливается железо-серной группировкой в составе белкового комплекса. От первичного восстановленного пластохинона электрон передаётся на вторичный пластохинон, который далее взаимодействует с липидорастворимым переносчиком электронов – димером пластохинона, не связанным с белковым комплексом фотосистемы II.

В хлоропластах растений найдено несколько разновидностей пластохинонов, которые могут функционировать в качестве переносчиков электронов. Все они являются производными бензохинона, имеющего боковой радикал в виде соединённых в цепь остатков изопрена, но различаются числом этих остатков и наличием гидроксилированных и ацилированных группировок. Так, например, пластохинон А имеет следующие строение:

окисленная форма восстановленная форма

Для перевода молекулы пластохинона в восстановленное состояние необходимо присоединить 2 электрона и два протона. Донором электронов для липидорастворимого пластихинона служит вторичный пластихинон, находящийся в структуре белкового комплекса фотосистемы II, а протоны присоединяются из стромы с внешней поверхности тилакоидной мембраны, прилегающей к той части белкового комплекса, в которой локализован вторичный пластихинон.

Учитывая, что липидорастворимый переносчик электронов функционирует в виде димера, реакция его восстановления может быть выражена следующим уравнением:

2PQ + 4ē + 4H⁺ 2PQH₂

Восстановление в исходное состояние пигмента Р₆₈₀ в реакционном центре фотосистемы II происходит за счет электронов, образующихся в результате фотоокисления молекул воды. В этом процессе участвуют специфические белки, содержащие катионы марганца и входящие в структуру белкового комплекса фотосистемы II. Один из таких белков содержит в активном центре четыре катиона Mn²⁺, способных легко переходить в окисленное состояние (Mn³⁺⁾ и отщеплять от молекул воды электроны, передавая их на другой белковый переносчик, содержащий два атома Mn, который далее осуществляет перенос электронов на окисленный пигмент Р₆₈₀, переводя его в исходное восстановленное состояние. Определено, что активность белка, взаимодействующего с молекулой воды, зависит от наличия в реакционной среде ионов Са²⁺ и Cl^-.

В результате фотоокисления молекулы воды разлагаются на кислород и катионы Н⁺ (протоны).

-4ē

2Н₂О  О₂ + 4Н⁺

Кислород и протоны выделяются на внутренней поверхности тилакоидных мембран.

В передаче электронов от фотосистемы II на фотосистему I принимает участие белковый цитохромный комплекс, содержащий цитохромы b₆ и f, а также железо-серный белок Риске, имеющий активную группировку 2Fe2S. В составе белково-цитохромного комплекса есть участок связывания восстановленной формы липидорастворимого переносчика электронов 2PQH₂, при взаимодействии с которым переносчик подвергается окислению, отдавая электроны на железо-серный белок Риске и высвобождая протоны на внутренней поверхности тилакоидной мембраны:

-4ē

2PQH₂  2PQ + 4H⁺

Восстановленный железо-серный белок Риске передает электроны на цитохром f, а последний далее восстанавливает водорастворимый низкомолекулярный (10500) белок – пластоцианин, содержащий медь. Атом меди в структуре этого белка соединён координационными связями с остатками цистеина, метионина (через атом S) и гистидина (через азот имидозольной группирровки).

Восстановленный пластоцианин способен перемещаться в жидкой дисперсионной среде на внутренней поверхности тилакоидной мембраны и переносить электроны от белкового цитохромного комплекса на окисленный пигмент Р₇₀₀ в составе реакционного центра фотосистемы I. Таким образом, в процессе взаимодействия двух фотосистем под действием света инициируется направленный поток электронов, образующихся в результате фотоокисления молекул воды, к реакционному центру фотосистемы I, а от него на ферредоксин, с участием которого синтезируются восстановленные динуклеотиды НАДФН. Рассмотренная выше последовательность переноса электронов получила название нециклического транспорта электронов при фотосинтезе, который обычно изображается в виде так называемой Z-схемы (рис. 33).

Учитывая, что при фотоокислении воды 1 молекула кислорода (О₂) образуется из двух молекул воды, на реакционный центр фотосистемы II переносится 4 электрона, которые возмещают электронную недостаточность, вызванную передачей такого же количества электронов из реакционного центра в электронтранспортную цепь при поглощении 4 квантов света пигментным комплексом данной фотосистемы. Переносимые по электронтранспортной цепи фотосистемы II четыре электрона передаются далее на реакционный центр фотосистемы I для возмещения электронной недостаточности, вызванной передачей такого же количества электронов на восстановление НАДФ⁺ после поглощения четырех квантов света пигментным комплексом фотосистемы I. Всего при образовании 1 молекулы О₂ по электронтранспортной цепи, образующей Z-схему, осуществляется перенос 4 электронов, который индуцируется при поглощении восьми квантов света (4 в фотосистеме I + 4 в фотосистеме II), в результате чего осуществляется синтез двух молекул восстановленных динуклеотидов НАДФН.

Следует отметить важную роль реакционных центров, в которых происходит превращение световой энергии, затраченной на возбуждение молекул пигментов, в химическую энергию восстановленных переносчиков электронов, возникающих при акцептировании электронов от пигментов Р₇₀₀ и Р_680.

Как было показано ранее, в процессе переноса электронов с участием липидорастворимого пластохинона и белково-цитохромного комплекса происходит также перенос протонов через мембрану тилакоида. Протоны акцептирует восстановленный липидорастворимый пластохинон с внешней поверхности тилакоидной мембраны, а их высвобождение происходит при взаимодействии восстановленного липидорастворимого пластохинона с белково-цитохромным комплексом уже в той части этого комплекса, которая обращена к внутренней поверхности тилакоидной мембраны. В результате на ней возникает избыточный положительный заряд, тогда как на внешней поверхности – отрицательный заряд, обусловленный избыточной концентрацией анионов, с которыми были связаны протоны. Кроме того, необходимо учитывать, что во внутренней полости тилакоидов остаются протоны, образовавшиеся в результате фотоокисления воды, которые также формируют положительный заряд на внутренней поверхности тилакоидной мембраны.

Накопление на внешней и внутренней поверхностях тилакоидной мембраны разноимённых зарядов, инициирует образование трансмембранного электрохимического потенциала, энергия которого может быть использована для осуществления эндергонических реакций синтеза веществ.

Наряду с нециклическим в хлоропластах растений происходит также и циклический транспорт электронов, который осуществляется с участием белкового комплекса фотосистемы I, белково-цитохромного комплекса с цитохромами b₆ и f, а также ферредоксина и липидорастворимого пластохинона PQ.

При циклическом транспорте электронов под действием света электроны из реакционного центра фотосистемы I через вторичные акцепторы – железо-серные белки – передаются на ферредоксин, который далее, взаимодействуя с белково-цитохромным комплексом, переносит их на пластохинон PQ (рис. 33). Восстановленный пластохинон акцептирует протоны с внешней поверхности тилакоидной мембраны и присоединяется к той части белково-цитохромного комплекса, где локализованы молекулы цитохрома b₆ . Передав электроны на молекулы цитохрома b₆, пластохинон окисляется и высвобождает протоны на внутреннюю поверхность тилакоидной мембраны и таким образом инициирует создание трансмембранного потенциала. От цитохрома b₆ электроны далее передаются с участием железо-серного белка Риске и цитохрома f на пластоцианин, который, передвигаясь в жидкой фазе на внутренней поверхности тилакоидной мембраны, переносит их на окисленный пигмент Р₇₀₀ в реакционном центре фотосистемы I, переводя его в исходное восстановленное состояние.

Таким образом, согласно циклической схеме при поглощении квантов света электроны от возбуждённой молекулы пигмента Р₇₀₀ в реакционном центре фотосистемы I передаются последовательно по указанной выше цепи переносчиков, инициируя образование трансмембранного потенциала, а затем снова возвращаются в реакционный центр. При этом не происходит образования восстановленных динуклеотидов НАДФН.

Наличие в хлоропластах циклической системы переноса электронов можно легко обнаружить, если блокировать с помощью специального ингибитора дихлорфенилдиметилмочевины передачу электронов в фотосистему I из фотосистемы II. У фотосинтезирующих бактерий фотосистема II отсутствует и поэтому у них функционирует только система циклического транспорта электронов с участием фотосистемы I.

Белковые комплексы фотосистем I и II неравномерно распределены в хлоропластных мембранах. Белково-пигментный комплекс фотосистемы II больше локализован в мембранах, образующих граны, а более высокая концентрация белково-пигментного комплекса фотосистемы I наблюдается в ламеллах, окружённых стромой. Белково-цитохромный комплекс равномерно локализован как в гранах, так и ламеллах, не образующих структуру гран. Перенос электронов между белковыми комплексами осуществляют молекулы липидорастворимого пластохинона, а также водорастворимых белков ферредоксина и пластоцианина, способных перемещаться на поверхности мембран в жидкой фазе – строме.

Определённой подвижностью обладают и белковые комплексы, которые могут подвергаться фосфорилированию, в результате чего при диссоциации протонов возрастает их отрицательный заряд, вызывающий перемещение белкового комплекса к внутренней поверхности мембраны, имеющей положительный заряд. Такое перемещение в составе мембран белкового комплекса фотосистемы II способствует более быстрому переносу электронов на реакционный центр фотосистемы I. Фосфорилирование белковых комплексов катализируют ферменты киназы, которые активируются восстановленным пластохиноном и ингибируются окисленной формой пластохинона. В результате отщепления остатков фосфорной кислоты от белкового комплекса под действием соответствующих фосфатаз, уменьшается его отрицательный заряд и он возвращается в исходное состояние, после чего может снова подвергаться фосфорилированию.