9.1.4. Фотофосфорилирование

Кроме восстановленных динуклеотидов НАДФН важнейшим продуктом фотохимических реакций является АТФ. В опытах с изолированными хлоропластами растений было показано, что под действием света у них индуцируется синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата:

свет

АДФ + Н₃РО₄  АТФ + Н₂О

хлоропласты

В отсутствие же света фосфорилирование АДФ не происходило. Исходя из этого исследователи сделали вывод, что эндергоническая реакция синтеза АТФ (∆G^º'= + 30,6 кДж/моль) сопряжена с использованием энергии поглощённых хлоропластами квантов света. Сопоставление стандартных окислительно-восстановительных потенциалов компонентов электронтранспортной цепи в мембранах хлоропластов показывает, что такой сопряжённый синтез АТФ возможен. Разница стандартных окислительно-восстановительных потенциалов первичного донора электронов реакционного центра фотосистемы II Р₆₈₀ и первичного акцептора электронов фотосистемы I а₆₉₅ составляет более 1,8 В, что обеспечивает перепад в изменении свободной энергии более 170 кдж/моль. Тогда как в стандартных условиях для образования 1 моля макроэргических связей при фосфорилировании АДФ затрачивается 30,6 кДж свободной энергии.

Однако при этом возникает вопрос, каким путём происходит превращение поглощённой при фотосинтезе световой энергии в химическую энергию макроэргических связей АТФ. В наибольшей степени механизм указанного превращения объясняет хемиосмотическая гипотеза, разработанная английским биохимиком П. Митчеллом в 1961-1966 г.г. Большинство положений этой гипотезы подтверждается экспериментами. Применение хемиосмотической гипотезы для объяснения механизма фотофосфорилирования было предложено в 1967 г. А. Ягендорфом и в настоящее время получило признание большинства исследователей.

11. Окислительно-восстановительные потенциалы основных компонентов цепи переноса электронов в хлоропластах (восстановленные формы)

Компоненты электронтранспортной цепи	Е°ˈ, В
П680 – донор электронов в реакционном центре фотосистемы II	+1,12
Феофетин – первичный акцептор электронов в реакционном центре фотосистемы II	–0,61
Первичный пластохинон в белковым комплексе фотосистемы II	–0,13-0,30
Вторичный пластохинон в белковом комплексе фотосистемы II	–0,01
Липидорастворимые пластохиноны	0…+0,10
Железо-серный белок Риске	+0,32
Цитохром f	+0,36-0,40
Пластоцианин	+0,37
Р700 – донор электронов в реакционном центре фотосистемы I	+0,40-0,45
а695 – первичный акцептор электронов в реакционном центре фотосистемы I	–0,73
Железо-серные белки в фотосистеме I	–0,50-0,55
Ферредоксин	–0,43
Ферредоксин-НАДФ-оксидоредуктаза	–0,36
Цитохром b6	–0,18…+0,1

Согласно хемиосмотической гипотезе эндергонический процесс фосфорилирования АДФ с участием неорганического фосфата в хлоропластах растений сопряжён с использованием энергии трансмембранного электрохимического потенциала, который образуется при переносе электронов, индуцируемом в результате поглощения квантов света.

Процесс образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата катализирует АТФ-синтетазный белковый комплекс, получивший название сопрягающего фактора. Он состоит из 19 белковых субъединиц пяти типов, которые содержат участки связывания АДФ и неорганического фосфата. Сопрягающий фактор имеет глобулярную структуру и локализован на внешней поверхности тилакоидной мембраны. С сопрягающим фактором связан другой белковый комплекс, выполняющий функцию ионного канала, через который осуществляется транспорт катионов водорода Н⁺ по концентрационному градиенту из внутреннего пространства тилакоида на его поверхность. Проходя через ионный канал, катионы водорода попадают в АТФ-синтетазный комплекс и, активируя его, инициируют синтез АТФ (рис. 30).

Функционирование АТФ-синтетазного комплекса было проверено в экспериментах с изолированными от организма мембранными структурами. Так, например, в одном из опытов использовали искусственные мембраны, образованные из выделенных растительных фосфолипидов. С такими искусственными мембранными структурами связывали АТФ-синтетазу с соответствующим ионным каналом, выделенную из животных тканей, а в качестве хроматофора вводили бактериородопсин, который, поглощая кванты света, инициировал создание протонного градиента. Под действием протонного градиента АТФ-синтетазный комплекс катализировал синтез АТФ из добавленных в искусственную среду АДФ и неорганического фосфата.

При рассмотрении процессов фотофосфорилирования возникает также вопрос о количественном синтезе АТФ в расчёте на единицу поглощённой световой энергии или на 1 моль выделяющегося в ходе фотосинтеза кислорода. Как было указано ранее, при функционировании системы нециклического транспорта электронов одна молекула кислорода (О₂) образуется из двух молекул воды, подвергшихся фотоокислению. При этом внутри тилакоида остаются 4 протона (4Н⁺), а по электронтранспортной цепи фотосистемы II и фотосистемы I осуществляется перенос четырёх электронов, который инициируется в результате поглощения пигментными комплексами фотосистем I и II восьми квантов света (по 4 кванта каждой фотосистемой).

В процессе переноса указанных четырёх электронов по электронтранспортной цепи от белково-пигментного комплекса фотосистемы II на белково-цитохромный комплекс происходит восстановление и затем окисление липидорастворимого пластохинона, которое сопряжено с переносом четырёх протонов из внешнего матрикса во внутреннюю полость тилакоида. Таким образом, в результате переноса 4 электронов по системе нециклического транспорта во внутренней полости тилакоида накапливается 8 протонов, которые создают мембранный электрохимический потенциал. Как только энергия этого потенциала достигает определённой величины, начинает функционировать белковый ионный канал, по которому протоны движутся из внутренней полости тилакоида на внешнюю его поверхность, предотвращая дальнейшее увеличение трансмембранного потенциала.

Из ионного канала протоны поступают в АТФ-синтетазный белковый комплекс и в нём инициируют фосфорилирование АДФ с участием неорганического фосфата:

АДФ + Н₃РО₄  АТФ + Н₂О

Непосредственный механизм образования АТФ пока ещё окончательно не установлен. Наиболее вероятно, что на каждые 2 протона, поступающие в АТФ-синтетазный комплекс по ионному каналу, может синтезироваться 1 молекула АТФ. Если же учитывать, что в ходе образования 1 молекулы О₂ во внутренней полости тилакоида накапливается 8 протонов, а по электронтранспортной цепи переносится 4 электрона, то согласно указанному количественному выходу возможен синтез 4 молекул АТФ.

Однако не все протоны, выходящие через ионный канал на внешнюю поверхность тилакоида, участвуют в образовании АТФ, часть из них затрачивается на синтез восстановленных динуклеотидов НАДФН, поэтому реальный выход АТФ при нециклическом транспорте электронов в расчёте на 1 молекулу образующегося О₂ составляет не 4 молекулы, а три или даже меньше.

Дополнительное количество АТФ в системе фотофосфорилирования может синтезироваться за счет функционирования циклического транспорта электронов, в ходе которого также осуществляется перенос протонов из внешнего матрикса во внутреннюю полость тилакоидов, вызывающий возникновение трансмембранного электрохимического потенциала, способного инициировать синтез макроэргических фосфатных связей АТФ в результате фосфорилирования АДФ с участим неорганического фосфата.

Образовавшиеся в ходе фотохимических реакций биоэнергетические продукты фотосинтеза НАДФН и АТФ далее используются в фотосинтезирующих клетках для восстановления СО₂ до уровня углеводов, на синтез различных неуглеводных продуктов, транспорт веществ и другие эндергонические процессы, происходящие в листьях растений или в клетках и тканях других фотосинтезирующих организмов.