Фотохимический этап фотосинтеза. Его продукты и их роль. Роль работ Арпона по фотофосфорилированию.

Общей количественной мерой различных форм движения материи является энергия. Согласно первому закону термодинамики, энергия как и материя в целом не возникает и не исчезает, а лишь переходит из одной формы существования в другую. Раскрытие сущности таких переходов позволяет человеку управлять этими явлениями и использо­вать на практике для решения важнейших проблем.

Примеров таких взаимопереходов достаточно: электрическая энер­гия ↔ электромагнитная (на этой основе изобретен электродвига­тель и динамомашина);

энергия света ↔ электрическая энергия (солнечные батареи, осветительные приборы); электрическая энергия ↔ энергия тепловая (нагревательные приборы, тепловые электростанции).

Энергетические преобразования лежат в основе функционирования и биологических систем. Более того, в некоторых биологических сис­темах имеет место исключительно важное (для всех организмов на Земле), энергетическое преобразование – трансформация энергии света в химическую энергию.

Уникальность такого преобразования энергии состоит в том, что, во-первых, химическая форма энергии может долго храниться и в слу­чае необходимости постепенно расходоваться растениями. А во-вторых, что самое главное, эта энергия помимо того, что она может быть использована на различные физико-химические процессы растения, используется всеми живыми существами на Земле (за исключением хемосинтетиков) и для них является един­ственным источником. Вполне естественно, что, прежде чем стала возможной такая трансформация энергии, органическая материя должна была достигнуть определенного уровня развития. Как известно, данное превращение происходит в процессе фотосинтеза и по праву занимает в нем центральное место.

Условием существования растительного организма как открытой биологической системы служит обмен энергией, веществом и информа­цией, как между частями системы, так и с окружающей средой. Это позволяет ему избегать термодинамической смерти в определенный промежуток времени. Ключевую роль в этих преобразованиях играют мембранные комплексы. Особо следует отметить роль мембран хлоропластов, которые поглощают внешнюю неустойчивую энергии квантов света и преобразовывают ее во внутреннюю устойчивую энергию хи­мических связей органических веществ. Такое энергетическое преобра­зование происходит через ряд этапов.

Первоначально внешняя неустойчивая энергия квантов света пре­образуется во внутреннюю энергию электронного возбуждения. При этом она частично стабилизируется. Это энергетическое преобразо­вание происходит на фотофизическом этапе фотосинтеза. В дальнейшем энергия электронного возбуждения накапливается первично в лабиль­ных метаболически активных соединениях с высоким энергетическим потенциалом – АТР и в форме восстановленных кофакторов NADPH₂ , FdH₂. Эти преобразования имеют место на фотохимическом этапе фотосинтеза.

Процесс образования АТР в реакциях фотосинтеза был открыт в 1954 г. Арноном и получил название фотосинтетического фосфорилирования (ф/ф).

В исследованиях реакций ф/ф-я можно выделить два периода. Первый (1954 − 1958 гг.) был направлен на разработку высокочувстви­тельных методов изучения светового синтеза АТР. Второй период пос­вящен изучению механизма этих реакций. В самом начале этого пери­ода была выдвинута гипотеза о связи синтеза АТР с транспортом элек­тронов, донором которых является возбужденный светом хлорофилл.

Было показано:

1. Процесс ф/ф-я подчиняется основным положением термодинамики.

2. При фотоиндуцируемом транспорте электронов по ЭТЦ, проис­ходит ряд сопряженных о/в реакций. Энергия, которая выделяется при этом, используется на синтез АТР.

3. Были выделены компоненты ЭТЦ, определены их о/в потенциа­лы и место локализации.

По ЭТЦ электроны могут спонтанно перемещаться от электроотрицательных к электроположительным компонентам цепи. Этот перенос сопровождается выделением энергии. Количество выделяемой энергии прямо пропорцио­нально разности о/в потенциалов двух систем. Расчеты показывают, что для образования макроэрга достаточна, разность о/в потенциала 0,25в (0,15в). Эта энергия при наличии сопрягающих механизмов может быть использована для синтеза АТР.

При расшифровке ЭТЦ выяснилось, что ток электронов движется от воды о/в +0,81в к NADP о/в -0,32в, т.е. против термодина­мического градиента. Поэтому спонтанный ток электронов в этой сис­теме не возможен. Для того чтобы направить против термодинамического градиента, ему необходимо сообщить

дополнительную энергию. Эту энергию получает, поглотив hn.

Использование различных кофакторов и ингибиторов, а также монохроматического света позволила выделить 3 типа ф/ф-я: цикличес­кое, нециклическое и псевдоциклическое.

Нециклическое ф/ф-е является основным процессом запасания энергии, протекающее в аэробных условиях. Отличительными особеннос­тями нециклического ф/ф-я являются:

1. Участие двух фотосистем.

2. Нециклический транспорт электронов от Н₂О к NADP.

3. Образование двух энергетических эквивалентных АТР и NADPH₂ которые используются в темповой фазе фотосинтеза.

4. Происходит фотоокисление Н₂О и выделение О₂ и образование Н₂О.

Образование на свету энергетических эквивалентов АТР и NADPH₂ происходит благодаря ряду о/в реакций, которые в своей совокуп­ности и составляют фотохимический этап.

Нециклическое ф/ф-е начинается с того, что энергия квантов света, поглощенная I пигментной системой, которая стекается к длин­новолновой форме хлорофилла Р₇₀₀, которая является ловушкой и свя­зана с реакционным центром. После поглощения определенной порции энергии, молекулы Р₇₀₀ переходят из S₀ в S₁ и далее может переда­ваться переносчикам ЭТЦ. При переносе по ЭТЦ происходит ряд о/в реакций, в результате которых выделяется энергия. В местах доста­точного ее выделения и при наличии сопрягающих механизмов образу­ется АТР.

Первым компонентом ЭТЦ воспринимающим от Р₇₀₀ является не идентифицированный переносчик Z о/в потенциал которого -0,55. Пигмент Р₇₀₀ в основном состоянии имеет о/в +0,43 в. Следовательно, спонтанный ток невозможен. Однако после поглощения hn молекулой Р₇₀₀ её о/в падает до - о,6 в и она отдает свой . О/в потенциал всех остальных переносчиков более электроположителен, что обеспечивает в дальнейшем спонтанный ток . Следующим компонентом ЭТЦ является Fd (ферредоксин) - желе­зосодержащий белок с о/в потенциалом -0,43 в, железо в молекуле ферредоксина находится в негеминовой форме. От Fd переносится на NADР (о/в -0,32 в). Перенос возможен благодаря ферменту ферредок­син- NADP -редуктазы, коферментом которого являются флавопротеиды.

После выброса пигмент Р₇₀₀ имеет вид ионизированной молеку­лы (её о/в потенциал вновь становится -0,43 в), и она готова принять , Образовавшуюся дырку заполняет электрон второй фотосистемы.

Работа второй ФС начинается также с поглощения hn пигментной системой. Далее энергия стекается к длинноволновой форме хлорофилла Р₆₈₀. Возбужденный электрон передается не идентифицированному переносчику (Q), о/в потенциал последующих переносчиков более электро­положительный, поэтому в дальнейшем перенос происходит спонтанно. От переносчика Q передается на пластохинон (о/в +0,11 в) активной частью молекулы является хинон.

+2Н⁺ +2е^-

Однако, для восстановления хинона до гидрохинона необходимы не только , но и Н⁺, которые он получает из стромы хлоропласта. От пластохинона поступает на цитохромы. Цитохромы - металлопротеиды, простетической группой которых являются железо-порфирины. Известно около 20 цитохромов, которые отличаются радикалами в порфириновом ядре.

Первым цитохромом, воспринимающим от пластохинона является Цит₅₅₉.

Непосредственное участие в о/в реакциях принимает железо, вхо­дящее в состав гема.

Fe⁺³ + Fe⁺²

Для восстановления железа Н⁺ не нужны и они выбрасываются во внутритилакоидное пространство. Гидрохинон при этом вновь окисля­ется до хинона. Последующим переносчиком является Цит_f (о/в+0,36 в), активной частью которого также является железо. Конечным компонен­том ЭТЦ ФС II является пластоцианин – медьсодержащий белок (о/в +0,637 в). От пластоцианина передается на P₇₀₀ и заполняет дырку.

При переносе по ЭТЦ происходит ряд о/в реакций с выделением энергии. В тех местах, где ее достаточно для образования макроэргических связей, обра­зуется АТР из АDР и Р_i.

Для заполнения дырки P₆₈₀ поступает из воды. Поэтому работа ФС II связана с разложением (фотоокислением) Н₂О и выделением О₂.

Впервые выделение 0₂ наблюдал Хилл. Он добавлял к изолирован­ным хлоропластам экзогенные акцепторы (эндогенные Fd и NADР⁺ растворимы в воде и вымываются при их выделении) ДХФИФ K₄[Fe(CN)₆] освещал эту систему и наблюдал, что восстановление акцепторов сопряжено с одновременным выделением О₂. Именно этот процесс носит название реакции Хилла.

Большое значение в разложении Н₂О играет Мп (марганцевые про­теиды) и также Ca и Cl.

Q

↑

P₆₈₀ ← y ← Mn ← Н₂О

Н₂О H⁺ + + (·ОН)

заполняет дырку Р₆₇₀.

2 Н⁺ - присоединяется к NADP и дают NADPH₂

2 (∙ОН) → Н₂О + O₂

В настоящее время установлено, что Мn является обязательным компонентом, участвующим в фотоокислении воды. Более того, в лабо­ратории академика А.Е.Шилова была найдена система, состоящая из Мn и Рутения. В водном растворе под действием света она выделяла O₂. А.Е.Шилов обратил внимание на то, что Мn, является единственным элементом, по крайней мере из используемых в живой природе, который способен изменять степень окисления на пять единиц, образуя в воде устойчивые частицы.

Попутно можно заметить, что в этой же лаборатории была смоде­лирована система, которая под действием ультрафиолетовых лучей вос­станавливала Н₂.

Чтобы отнять 2 нужно 4hn, но чтобы выделилась 1 молекула СО₂ необходимо 8 hn- квантовый расход – это количество квантов, необхо­димое для восстановления 1 молекулы СО₂ до углеводов.

Общая схема нециклического ф/ф-я:

8 hn

2ADP + 2P_i +2NADP + 2H₂O → 2ATP +2NADPH +2H⁺ +O₂

Кофакторы: K₄[Fe(CN)₆], NADP⁺ + (Fd)

Ингибиторы: моно- и диуроны, гидроксиламин.

Циклическое ф/ф-е: имеет следующие особенности:

1. Циклический транспорт .

2. Участие в процессе только ФС I.

3. Энергия запасается только в виде АТР.

4. Процесс может протекать в анаэробных условиях.

Циклическое ф/ф-е правильнее всего рассматривать как один из путей процесса образования АТР. В зависимости от внешних условий ток может переключаться по циклическому или нециклическому пути. Роль регулятора, в этом процессе выполняет Fd. (Метаболическая вилка)

Циклическое ф/ф-е начинается также как и нециклическое. Элек­трон от Р₇₀₀ поступает к Z, а от него на Fd. Далее ток может идти двумя путями. В случае нециклического ф/ф-я он сбрасывается на NADP. При циклическом ф/ф-ии через переносчики Ц_f, вновь возвращается к молекуле P₇₀₀.

При транспорте по ЭТЦ в местах с достаточной разностью о/в между переносчиками выделяется необходимое количество энергии для образования АТР из ADP и Р_i. Однако эта энергия может быть запасена в виде ~АТР, только в том случае, если имеется фермент сопряжения CF, в противном случае, она будет выделена в виде тепла.