СВЕТОВАЯ ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА

Механизм и химизм фотосинтеза

РОЛЬ ПИГМЕНТОВ В ФОТОСИНТЕЗЕ

Из физики известно, что только поглощенный свет может про­изводить химическое действие; поглощенный квант света активи­рует лишь одну молекулу пигмента; вся энергия кванта поглощает­ся только одним электроном, который в результате поднимается на более высокий энергетический уровень; на основном уровне оста­ется «электронная дырка» (электронная недостаточность). Такое состояние молекулы пигмента называют возбужденным. При этом поглощенная энергия запасается в виде энергии электронного воз­буждения. В тексте или на рисунке около названия или формулы возбужденной молекулы ставят звездочку (*).

Электрон может находиться на верхнем энергетическом уровне очень недолго: 1(Г¹⁰—10~^!2 с. Затем он теряет поглощенную энер­гию и возвращается на свое место или переходит к другому вещест­ву, при этом поглощенная энергия может выделиться в виде света (флуоресценция), в виде тепла или использоваться для синтеза АТФ из АДФ. В последнем случае говорится о том, что световая энергия превратилась в химическую.

Зеленые и желтые пигменты играют в фотосинтезе разную роль. Еще в 1932 г. Р. Эмерсон (США) разделил фотосинтетические пиг­менты на две группы: пигменты-сборщики и пигменты-ловушки. Пигменты-сборщики — это пигменты, поглощающие свет и пере­дающие поглощенную энергию квантов пигменту-ловушке. Пиг­мент-ловушка — это пигмент, который, получив энергию, может потерять электрон. Большинство пигментов являются сборщиками; это вспомогательные пигменты. Пигментами-ловушками являются особые формы хлорофилла а, которые обозначаются как П₇₀₀ (Р₇₀₀) и П_б80 (Р₆₈₀), где П (Р) — первая буква русского (или латинского) слова «пигмент» (pigmentum), а цифра около буквы показывает, что максимум поглощения у пигмента приходится на длину волны 700 и 680 нм.

Пигменты работают не изолированно друг от друга, а образуют две системы. В состав первой пигментной системы (ФС-I) входят пигменты-сборщики: хлорофиллы а и Ъ (по 200 молекул), каротин (50 молекул) и 1 молекула пигмента-ловушки Р₇₀₀. В состав второй пигментной системы (ФС-П) тоже входят пигменты-сборщики квантов света: хлорофиллы а и Ъ (по 200 молекул), 50 молекул ксантофиллов и 1 молекула пигмента-ловушки П₆₈₀

Пигменты-сборщики передают поглощенную энергию с помо­щью резонанса пигменту-ловушке. Передача энергии происходит от каротиноидов к хлорофиллу и от одной молекулы хлорофилла к другой; от пигментов, поглощающих свет меньшей длины волны, к пигментам, поглощающим свет большей длины, т. е. от коротко­волновых пигментов к более длинноволновым, например:

Ксантофилл -» Хлорофилл Ь -> Хлорофилл а ->П₆₈₀-

Во время передачи часть энергии теряется в виде тепла. Для того чтобы энергия возбуждения молекулы одного пигмента могла передаться к молекуле другого пигмента, они должны распола­гаться в определенной последовательности и между ними должны быть очень маленькие расстояния — не более 10 нм; в действи­тельности эти расстояния еще меньше — 0,5 нм. Это возможно благодаря связыванию молекул хлорофилла со специфическими белками и расположению пигментных систем в мембранах тилакоидов.

Итак, главная роль в фотосинтезе принадлежит хлорофиллу а и особенно Пуоо и Tim, остальные пигменты играют роль сборщиков энергии. Каротиноиды не только передают поглощенную световую энергию хлорофиллу, но и выполняют еще и другую функцию.

Поглотившая квант света молекула хлорофилла может прореа­гировать с кислородом воздуха, образуя сшглетный кислород, ко­торый вызывает повреждение некоторых органических молекул, окисляя их. Каротиноиды защищают клетку от образования синг-летного кислорода: они забирают энергию от хлорофилла и выде­ляют ее в виде тепла. У растений-мутантов, не имеющих кароти­ноидов, в аэробных условиях хлорофилл быстро разрушается.

СВЕТОВАЯ ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА

Переход электрона на более высокий энергетический уровень, как уже говорилось, позволяет возбужденной молекуле пигмен­та-ловушки П700 или Пб8о отдавать электроны. Электрон уходит к молекуле другого вещества, вызывая транспорт электронов; моле­кула П₇оо или Пб8о при этом окисляется и становится заряженной положительно. Электроны, поглотившие достаточное количество энергии, переходят от пигмента-ловушки к молекулам других ве­ществ, находящимся рядом и называемым переносчиками электро­нов. Переносчик поглощает определенную часть этой энергии и пе­редает электрон следующему переносчику, где этот процесс повто­ряется. Порядок расположения молекул переносчиков в мембранах хлоропласта зависит от величины их окислительно-восстанови­тельного потенциала, т. е. от их способности присоединять или от-Давать электроны. Во время транспорта электрона по цепи пере­носчиков часть его энергии превращается в химическую, поскольку за счет этой энергии из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганиче­ского фосфата (Ф„) синтезируется аденозинтрифосфат (АТФ). В химической связи между АДФ и Ф„ запасается значительное коли­чество энергии (около 30 кДж/моль). Эта энергия освобождается в процессе реакций, при которых данная связь разрывается. Синтез АТФ за счет энергии света называется фотосинтетическим фосфо-рилированием.

ТРАНСПОРТ ЭЛЕКТРОНОВ

Известны два пути транспорта электронов: циклический и не­циклический.

В циклическом транспорте электронов (рис. 4.7) уча­ствует первая пигментная система, в которой главным пигментом является ГЬоо- Окислительно-восстановительный потенциал П700 (Е_о) в основном состоянии равен + 0,43 В, следовательно, молеку­ла пигмента с трудом может потерять электрон. Когда молекула П₇оо поглощает квант света и переходит в возбужденное состояние, ее окислительно-восстановительный потенциал падает до — 0,8 В, поэтому она получает способность отдавать электроны (фотохими­ческая реакция). Отдавая электрон, молекула ГЬоо окисляется и при­обретает положительный заряд:

Сначала электрон от П₇оо переходит к белку, содержащему же­лезо и серу (FeS), а затем к переносчику, который называется фер-редоксином (см. рис. 4.7). Ферредоксин — железосодержащий бе­лок, Е_о которого — 0,43 В. Далее электрон возвращается к П₇оо че­рез ряд промежуточных переносчиков, среди которых цитохром h (Ьььъ), пластохинон, цитохром / и пластоцианин. Пластохинон может переносить и электроны, и протоны. Цитохром / имеет Е_о, равное + 0,36 В. Получая электрон, он восстанавливается. Следую­щий переносчик пластоцианин — это белок, в молекулу которого входят два атома меди. Его Е_о — + 0,37 В.

Вещества-переносчики располагаются в порядке возрастания их окислительно-восстановительного потенциала. Электрон спонтан­но передвигается к веществу с менее отрицательным потенциалом. П₇оо является и донором, и акцептором электронов.

Во время транспорта электрона по этому циклическому пути его энергия используется для присоединения Ф_н к АДФ и образу­ется АТФ. Фосфорилирование АДФ с образованием АТФ за счет энергии света, сопряженное с циклическим транспортом электронов получило название циклического фотосинтетического фосфо-рилирования. Его суммарное уравнение можно записать так:

АДФ + Н₃РО₄ + Xv -> АТФ + Н₂О.

Теоретически циклический транспорт электронов может проте­кать при закрытых устьицах, поскольку кислород не образуется, а двуокись углерода не нужна.

Второй путь транспорта электронов — нециклический.

В этом случае электрон от П*₇оо сначала тоже передается через железосерный белок на ферредоксин (рис. 4.8). От ферредоксина он транс­портируется к НАДФ⁺ (Е_о = -0,32 В). Этот процесс осуществляется с помощью ферредоксин-ЯАДФ-редуктазы, коферментом которой является ФАД (флавинадениндинуклеотид). Отдав электрон, П_7Оо ионизируется. Его окислительно-восстановительный потенциал снова становится +0,43 В (основное состояние).

Поэтому П₇оо сно­ва может присоединять электроны. Откуда П₇оо получает недос­тающий электрон? Донором электронов становится молекула П₆8о, тоже поглотившая квант света и перешедшая в возбужденное со­стояние.

Она теряет электрон, который передается феофитину. От Феофитина электрон транспортируется через ряд переносчиков (пластохинон, цитохром /, пластоцианин) и в конце концов дости­гает П₇₀₀ и заполняет здесь «электронную дырку».

Теперь в молекуле П₆8о появилась электронная дырка. Откуда поступает недостающий электрон? Потерявшая электрон молекула Пб8о действует как сильный окислитель. При участии ионов мар­ганца и хлора с помощью переносчиков она отнимает электрон от воды. Происходит фотоокисление воды и выделяется кислород: Н₂О -> 2 Н⁺ + 2ё" + 1/2 О₂. Образовавшийся из воды кислород вы­деляется в атмосферу, ионы водорода остаются в водной среде ти­лакоидов хлоропластов, а электроны заполняют электронную дыр­ку в молекуле Пб8о- Таким образом НАДФ⁺ восстанавливается за счет электронов, образовавшихся в результате разложения воды и транспортировавшихся по нециклическому пути.

Когда два электрона соединяются с НАДФ⁺, свободные прото­ны из водной среды тилакоидов хлоропластов тоже присоединяют­ся к нему, и таким способом образуется НАДФН.

Во время транспорта электрона по нециклическому пути также образуется АТФ. Процесс фосфорилирования АДФ с образованием АТФ, сопряженный с нециклическим транспортом электронов, на­зывают нециклическим фотосинтетическим фосфорилированием, который представлен следующим суммарным уравнением:

Н₂О + НАДФ⁺ + АДФ + Н₃РО₄ + 8 Xv -> -> 1/2 О₂ + НАДФН + Н⁺ + АТФ

В конечном счете во время световой фазы фотосинтеза проис­ходит перенос электронов от воды (£'_о = +0,81 В) на НАДФ⁺ (Е_о = —0,32 В). Перенос электронов от вещества с более положи­тельным потенциалом к веществу с более отрицательным требует затраты энергии. Используется энергия света, поглощенного пиг­ментами.

Для транспорта каждого электрона требуются два кванта. Этот перенос электронов против градиента окислительно-восста­новительного потенциала и является фотохимической работой.

Итак, световая фаза фотосинтеза — это вызванный поглощен­ным светом транспорт электронов, в результате которого образуют­ся АТФ и НАДФН. Так как молекула, теряющая электрон, окисля­ется, а получающая его восстанавливается, то это уже окислитель­но-восстановительный процесс.

Для транспорта электронов необходимы маленькие расстояния между молекулами-переносчиками электронов и их расположение в определенном порядке, поэтому все вещества, участвующие в световой фазе фотосинтеза, располагаются в мембранах хлоропла­ста: в тилакоидах гран и в тилакоидах стромы. В растворе световая фаза фотосинтеза не пойдет. Вне хлоропластов пигменты поглоща­ют свет, но быстро рассеивают поглощенную энергию в виде тепла или флуоресценции. Растворы хлорофилла флуоресцируют в десять раз сильнее, чем живой лист. Кроме того, с помощью мембран хло­ропласта образование кислорода и сильного восстановителя разоб­щено, иначе они могли бы взаимодействовать. Следовательно, хло­ропласт является главной органеллой фотосинтеза.

В мембранах тилакоидов пигментные системы вместе с пере­носчиками электронов образуют две фотосинтетические систе­мы — фотосистему I (ФС I) и фотосистему II (ФС И). В состав пер­вой фотосистемы входят первая пигментная система, белок, содер­жащий железо и серу; 1—2 молекулы ферредоксина; по 1 молекуле цитохрома/и пластоцианина и 2 молекулы цитохрома Ь(, {Ь%ъ)\ в состав второй фотосистемы — вторая пигментная система, феофи-тин; 4 молекулы пластохинона, 2 молекулы цитохрома Ь₅59 и 6 ато­мов марганца. Первая фотосистема располагается в тилакоидах стромы и гран, вторая — только в тилакоидах гран. В циклическом транспорте электронов участвует первая фотосистема, в нецикли­ческом — обе.

СИНТЕЗ АТФ

Существует несколько теорий, объясняющих механизм фосфо-Рилирования АДФ, сопряженный с транспортом электронов. Наи­большим признанием пользуется хемиосмотическая теория английского биохимика П. Митчела (1961). Согласно этой теории, пла-стохинон, присоединив два электрона от Пб8о, присоединяет еще два протона из стромы хлоропласта и переносит их через мембрану -во внутритилакоидное пространство. Протоны накапливаются внутри тилакоида и в результате фотоокисления воды.

Благодаря неравномерному распределению протонов по обе стороны мембраны создается разность химических потенциалов протонов и возникает электрохимический мембранный потенциал ионов водорода (АцН⁺), включающий две составляющие: концен­трационную (АрН), возникающую в результате неравномерного распределения протонов по обе стороны мембраны, и электриче­скую (AT), обусловленную возникновением противоположного за­ряда на поверхности мембран, т. е. образованием мембранного по­тенциала. Энергия АрН и АЧ⁷ используется для обратного транспор­та протонов из внутритилакоидного пространства в строму хлоро­пласта по особым каналам. С обратным транспортом протонов и сопряжено фосфорилирование АДФ.

Сопряжение обратного транспорта протонов и фосфорилирова-ния АДФ обеспечивает Н⁺-АТФ-синтетаза, расположенная в тила-коидных мембранах и состоящая из двух частей: водорастворимой каталитической части (F\), обращенной к строме хлоропласта, и мембранной части (Fq), пронизывающей бислой липидов (рис. 4.9). Последняя представляет собой протонный канал, по которому про­тоны могут возвращаться в строму хлоропласта.

АДФ и фосфат соединяются с ферментом в его каталитической части F\. Два протона, перемещаясь по градиенту электрохимиче­ского потенциала по протонному каналу (F_o), соединяются с ки­слородом фосфата, образуя воду. Потеря кислорода активирует фосфатную группу, и она присоединяется к АДФ с образованием АТФ.

Фермент Н⁺-АТФ-синтетаза активен, пока транспортируются протоны. Протоны двигаются, если их концентрация во внутрити-лакоидном пространстве больше. На каждые два электрона, пере­данных по электрон-транспортной цепи, внутри тилакоида накап­ливается 4Н⁺. При возвращении обратно в строму хлоропласта трех протонов синтезируется одна молекула АТФ.

Изучение световой фазы фотосинтеза и, в частности, процесса разложения воды зелеными растениями с помощью света имеет важное значение, в том числе и для решения энергетического кризиса на нашей планете. Моделирование этого процесса в ис­кусственных условиях позволило бы человечеству получать водо­род и использовать его в качестве экологически чистого топлива.

Контрольные вопросы:

1. Что такое пигмент?

2. Какие пигменты участвуют в фотосинтезе высших растений?

3. Что представляет собой хлорофилл по химической природе?

4. Чем отличается хлорофилл а от хлорофилла Ы

5. Какими химическими и физическими свойствами обладает хлорофилл?

6. На какие части делят молекулу хлорофилла по свойствам? Какую функцию
выполняет каждая часть молекулы?

7. Какой свет хлорофиллы поглощают максимально?

8. Что такое флуоресценция? Что она доказывает?

9. Как синтезируется хлорофилл? От каких условий зависит его синтез?

10. На какие группы делятся каротиноиды? Что они представляют собой по хи­
мической природе? Какими свойствами они обладают?

11. Какие лучи света каротиноиды поглощают максимально?

12. Какие законы поглощения света вы знаете?

13. Какая молекула считается возбужденной?

14. Что происходит с молекулой хлорофилла, поглотившей квант света?

15. На что может быть израсходована энергия поглощенного кванта?

16. Из чего состоят первая пигментная и вторая пигментная системы?

17. Чем отличается пигмент-ловушка от пигмента-светосборщика?

18. Как поглощенная энергия передается от одного пигмента к другому? По ка­
ким законам передается энергия от одного пигмента к другому? Каков механизм
этой передачи?

19. Какую роль играют хлорофиллы в фотосинтезе?

20. Чем отличается роль в фотосинтезе хлорофилла а от роли хлорофилла й?

21. Что такое П₇оо и П₆8о?

22. Какую роль играют в фотосинтезе каротиноиды?

-Контрольные вопросы:

1. В чем состоит суть световой фазы фотосинтеза?

2. Как происходит циклический транспорт электронов?

3. Как происходит нециклический транспорт электронов?

4. Из чего состоит электронно-транспортная цепь фотосинтеза?

5. Для чего нужен свет?

6. Что такое фотосистема?

7. Из чего состоят фотосистема I и фотосистема II?

8. Где находятся фотосистема I и фотосистема II?

9. Что такое фотосинтетическое фосфорилирование?

10. Какое фосфорилирование называется циклическим, нециклическим?

11. Какая фотосистема участвует в циклическом транспорте электронов? В не­
циклическом транспорте электронов?

12. Какое вещество является донором электронов в циклическом и нецикличе­
ском транспорте электронов?

13. Какое вещество является акцептором электронов в циклическом и нецикли­
ческом транспорте?

14. Как происходит фоторазложение воды?

15. Дайте характеристику световой фазы фотосинтеза?

16. Какие вещества являются продуктами этой фазы фотосинтеза?

17. В какой части хлоропласта происходит световая фаза?

18. Почему фотосинтез не может идти в растворе?

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: