3. Световая фаза фотосинтеза. Фотосинтетическое фосфорилирование: циклическое и нециклическое.

Фотосинтез происходит в хлоропластах. Внутреннее содержимое хлоропластов состоит из стромы (матрикса), в которой протекают темновые стадии фотосинтеза, и ламеллярной системы, образованной мембранами тилакоидов, – замкнутых дискообразных структур диаметром около 500 нм, состоящих из близко расположенных мембран толщиной 90 A^о. В мембранах тилакоидов происходят световые стадии фотосинтеза.

Цвет хлоропластов определяется зеленым пигментом хлорофиллом. Он кажется нам зеленым. т.к. поглощает свет в синей и красной областях спектра, а зеленые лучи отражает.

Посредником во взаимодействии этих соединений с квантами служит хлорофилл, включенный в структуру хлоропласта или хроматофора.

Каротиноиды поглощают свет с длиной волны 280–550 нм (это зеленая, синяя, фиолетовая, ультрафиолетовая области спектра).

Чем больше в молекуле сопряженных двойных связей, тем больше длина волны поглощаемого света. Соответственно меняется и окраска пигмента.

Функции каротиноидов:

1) светособирающая (сине-зеленый свет, особенно важна для водорослей).

2) светозащитная (защищают хлорофилл и другие уязвимые компоненты фотосистем от светового «перевозбуждения») .

3) структурная (необходимый элемент фотосистем)

Пигменты фотосинтеза растений располагаются на внутренней стороне мембраны тилакоидов. Фотохимически активный хлорофилл, принимающий участие в разделении зарядов - реакционный центр фотосистемы (РЦ). В реакционном центре происходит основной акт фотосинтеза – разделение зарядов с последующим образованием первичного окислителя и первичного восстановителя. Существуют два типа центров, один из которых включен в пигментную фотосистему I (ФС I или ФС1), а другой – в фотосистему II (ФС II или ФС2).

В фотосистеме I реакционный центр представлен хлорофиллом а с максимумом поглощения света при длине волны 700 нм (обозначают Р700).

В фотосистеме II – хлорофиллом а с максимумом поглощения света при длине волны 680 нм (Р680).

Реакционный центр фотосистемы II представляет собой пигмент-белковый комплекс, расположенный в тилакоидных мембранах и окружённый ССК (светособ. комплекс). В его состав входят фотоактивный пигмент-ловушка - димер хлорофилла a с максимумом поглощения при 680 нм (Р680) .

На Р680 в конечном счёте передаётся энергия кванта света из ССК, в результате чего один из электронов переходит на более высокое энергетическое состояние, связь его с ядром ослабляется и возбуждённая молекула Р680 становится сильным восстановителем (E0=-0,7 В) – первичный донор электронов. После потери электрона хлорофилл переходит в основное состояние, и этим заканчивается первый этап фотосинтеза, называемый фотофизическим.

Фотохимическая фаза фотосинтеза с участием ФС II.

Первичным акцептором является молекула феофитина. Далее электрон переносится на хиноны (хиноны Qa и Qb, входящие в состав ФС II) и далее на пластохиноны (PQ), транспортируемый в восстановленной форме к b6f комплексу.

Одна молекула пластохинона является двухэлектронным акцептором и может быть как связана с ФС2, так и свободно отделяться от ФС2. Получив в результате двукратного срабатывания фотосистемы II два электрона и присоединив два протона из стромального пространства, дважды восстановленный пластохинон (PQH2) отделяется от реакционного центра ФС2 и начинает диффундировать внутри липидной мембраны тилакоида. Место связывания Qb оказывается свободным, и к нему может присоединиться новая молекула PQ.

Заполнение электронной вакансии в молекуле H680 происходит за счёт воды. В состав ФС II входит водоокисляющий комплекс, содержащий в активном центре 4 иона марганца. Комплекс находится со стороны внутритилакоидного пространства и образующие в результате фотолиза воды свободные электроны перемещаются в молекулу хлорофилла, где занимают место ранее выбитых фотонами света электронов, а полученные протоны выбрасываются в во внутритилакоидное пространство (люмен).

Таким образом, суммарный результат работы ФС II — это окисление 4 молекул воды с помощью 4 квантов света с образованием 4 протонов во внутритилакоидном пространстве и 2 восстановленных пластохинонов в мембране.

Фотосистема I — сложный пигмент-белковый комплекс. В реакционного центра состав входят фотоактивный пигмент-ловушка - димер хлорофилла a с максимумом поглощения при 700 нм (Р700).

Цепь электронного транспорта фотосистемы I функционирует следующим образом: после возбуждения Р700 квантом света и перехода в возбужденное состояние электрон очень быстро (1-3 пс) переносится на А0., далее электрон передается с А0 на А1 ( 20-50 пс), с А1 на железо-серные белки. После чего за 500 нс электрон достигает ферредоксина, который покидает сайт связывания и переносит электрон дальше по цепи к ферменту ферредоксин-НАДФ-редуктазе, который связан с внешней стороной мембраны тилакоида и катализирует восстановление НАДФ+ -следующего акцептора электронов до НАДФН в соответствии с реакцией:

2Fdred + НАДФ+ + H+ => 2Fdox + НАДФН

В восстановленной форме молекулы NADPH принимают участие в цикле фиксации углерода (цикле Кальвина).

Цитохромный комплекс b6–f, являющийся связующим звеном электронтранспортной цепи фотосинтеза - занимает положение между ФС II и ФС I. Важнейшей функцией цитохромного комплекса является сопряжение транспорта электронов по электронтранспортной цепи с формированием электрохимического потенциала протонов (ΔμH+) на мембране тилакоида, который используется для синтеза АТФ.

Фотофосфорилирование.

Окисление РQH2 цитохромным комплексом b6f осуществляется в реакциях Q-цикла. Благодаря работе Q-цикла происходит направленный перенос протонов через мембрану, при этом РQH2 окисляется, а пластоцианин восстанавливается.

В результате Q-цикла, а также фотолиза фоды протоны (Н+) накапливаются внутри мембраны тилакоидов, образуя положительно заряженное электрическое поле, что приводит к увеличению разности потенциалов по обе стороны мембраны. При достижении между двумя сторонами мембраны критической разности потенциалов (200 мВ) протоны устремляются по протонному каналу в ферменте АТФ-синтетазе наружу. На выходе из канал создается высокий уровень энергии, которая идет на синтез АТФ. Для синтеза одной молекулы АТФ необходимо, чтобы три иона водорода вышли из тилакоида в строму хлоропласта.

Результат световой фазы фотосинтеза при нециклическом фотофосфорилировании (а это основной вариант) можно записать в виде реакции:

2NADP+ 2АДФ + 2Ф- + 2H₂O + 4 hv(квант света)= 2NADPH + 2АТФ + O₂

Фотосистема I может работать и автономно. Происходит это при замедлении или прекращении окисления НАДФН. При этом используется обходной путь переноса электронов от возбужденного реакционного центра – а именно та же цепь переноса электронов, которая ведет из фотосистемы II. Электроны проходят по ней, вызывая. сопряженный транспорт протонов из внешней среды тилакоида во внутреннюю, чем усиливается протонный градиент, и возвращаются обратно к реакционному центру фотосистемы I – Р700. Таким образом, здесь свет как бы крутит колесо протонного насоса, не вызывая никаких окислительно-восстановительных реакций (кислород при этом не выделяется и НАДФ не восстанавливается). Это называется циклическим фотофосфорилированием.