Циклический и нециклический поток электронов

Фотохимические реакции фотосинтеза — это реакции, в которых энергия света преобразуется в энергию химических связей, и в первую очередь в энергию фосфорных связей АТФ. Именно АТФ является энергетической валютой клетки, обеспечивающей течение всех процессов. Одновременно под действием света происходит разложение воды, образуется восстановленный НАДФ и выделяется кислород. Энергия поглощенных квантов света стекается от сотен молекул пигментов ССК к фотохимическому реакционному центру, содержащему особую пару (димер) молекул хлорофилла а, которые характеризуются поглощением в наиболее длинноволновой части солнечного спектра и выполняют роль ловушки энергии возбуждения, блуждающего по пигментам ССК. Наряду с димером хлорофилла в фотосинтетический комплекс входят молекулы первичного и вторичного акцепторов электрона. Молекула хлорофилла, отдавая электрон первичному акцептору, окисляется. Электрон поступает в электронтранспортную цепь. Совокупность светособирающего комплекса (ССК), фотохимического реакционного центра и связанных с ним молекул — переносчиков электрон составляет фотосистему. По современным представлениям фотосистема является важнейшим структурно-функциональным звеном фотосинтетического аппарата.

В процессе фотосинтеза принимают участие две фотосистемы. Р. Эмерсон показал, что эффективность света с длиной волны 680—700 нм может быть значительно повышена добавлением света с более короткой длиной волны (650—660 нм). Интенсивность фотосинтеза при освещении смешанным светом (с двумя длинами волн) оказалась выше суммы интенсивностей фотосинтеза, наблюдаемой при освещении светом каждой длины волны в отдельности. Это явление называют эффектом усиления или эффектом Эмерсона. Был сделан вывод, что необходимо одновременное световое возбуждение пигментов, различающихся по спектру поглощения. Именно это и привело к понятию о существовании двух фотосистем. Интересно, что эффект усиления наблюдается при изучении фотосинтеза у высших растений и цианобактерий. У других бактерий этот эффект отсутствует и, соответственно, в процессе фотосинтеза участвует одна фотосистема. Фотосистемы различаются по составу белков, пигментов и оптическим свойствам. Установлено, что фотосистема I включает светособирающий комплекс и фотохимический реакционный центр I, в состав которого входит димер хлорофилла, поглощающий свет с длиной волны 700 нм (П₇₀₀). Фотосистема II включает светособирающий комплекс и фотохимический реакционный центр II, в состав которого входит димер хлорофилла, поглощающий свет с длиной волны 680 нм (П₆₈₀). Свет поглощается двумя фотосистемами раздельно и нормальное осуществление фотосинтеза требует их одновременного участия.

Перенос по цепи переносчиков включает ряд окислительно-восстановительных реакций. Важно заметить, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос либо протонов и электронов, либо только электронов. При этом молекула, отдающая протон или электрон, окисляется, а молекула, воспринимающая протон или электрон, восстанавливается. Различают два типа потока электронов — циклический и нециклический. При циклическом потоке электроны, переданные от молекулы хлорофилла первичному акцептору, возвращаются к ней обратно. При нециклическом потоке происходит фотоокисление воды и передача электрона от воды к НАДФ. Выделяемая в ходе окислительно-восстановительных реакций энергия частично используется на синтез АТФ. Процесс преобразования энергии света в энергию АТФ получил название фотосинтетического фосфорилирования (Д. Арнон). Соответственно двум типам потока электронов различают циклическое и нециклическое фотофосфорилирование. При нециклическом потоке электронов принимают участие две фотосистемы. Как уже упоминалось, энергия квантов света стекается к молекуле пигмента П₇₀₀, который входит в состав реакционного центра ФС I (фотосистема I). Электрон в молекуле П₇₀₀переходит на более высокий энергетический уровень. В основном состоянии окислительно-восстановительный потенциал П₇₀₀ составляет +0,43 В. Следовательно, тенденция к потере электрона (окислению) выражена очень слабо. Однако при поглощении кванта света молекула П₇₀₀ переходит в возбужденное состояние и ее окислительно-восстановительный потенциал изменяется до - 0,80 В. Поэтому в возбужденном состоянии молекула П₇₀₀ легко отдает электрон первичному акцептору (фотохимическая реакция). Энергия света изменяет распределение электронов в кольце молекулы хлорофилла П₇₀₀ и делает один электрон доступным для переноса. При этом энергия квантов сначала переходит в энергию электронного возбуждения, а затем в энергию разделения зарядов. Электрон с первичного акцептора, которым является мономерная форма хлорофилла а, передвигается через ряд переносчиков, расположенных в порядке возрастания О/В потенциала. Конечным акцептором электрона является НАДФ. Электроны спонтанно текут в сторону менее отрицательного окислительно-восстановительного потенциала. Первичный акцептор, воспринимающий электрон от П₇₀₀, передает электрон на железосерные белки. Следующим переносчиком является железосодержащий белок ферредоксин (Е₀ — 0,43). Ферредоксин содержит два атома железа в негеминовой форме. От ферредоксина электрон переносится на НАДФ (Е₀ — 0,32). Этот перенос осуществляется с помощью специфического белка-фермента (ферредоксин- НАДФ-редуктазы), коферментом которого является флавинадениндинуклеотид (ФАД).

Отдав электрон, П₇₀₀ остается в виде ионизированной молекулы. При этом потенциал П₇₀₀становится снова +0,43 В (основное состояние). Благодаря этому он является прекрасным акцептором электронов. Источником электрона, заполняющего эту «дырку», является фотосистема II. Она ответственна за реакции, связанные с разложением воды и выделением кислорода. Цепь транспорта электронов (ЭТЦ), соединяющая две фотосистемы, в качестве переносчиков электрона включает в себя молекулы пластохинона (ПХ), отдельный электронтранспортный белковый комплекс (так называемый b / f -комплекс) и водорастворимый белок пластоцианин (ПЦ). В состав реакционного центра фотосистемы II входит хлорофилл а, поглощающий свет с длиной волны — λ₆₈₀ (П₆₈₀). Под влиянием поглощенного кванта света возбужденный электрон от П₆₈₀ воспринимается первичным акцептором и передается дальше по цепи переносчиков. Образовавшаяся электронная «дырка» в молекуле П₆₈₀действует как сильный окислитель и через ряд переносчиков при участии ионов марганца и хлора отнимает электрон от воды. Этот электрон заполняет электронную «дырку» в молекуле П₆₈₀. Рассмотрим более подробно путь переноса электрона от фотосистемы II к фотосистеме I. Полученные П₆₈₀ от воды электроны передаются на молекулу феофитина, который является первичным акцептором, затем на пластохиноны, переносящие как электроны, так и протоны. От пластохинона электроны поступают на b / f -комплекс и передаются через железосерный белок на цитохром. Цитохром относится к группе цитохромов с (Е₀ +0,360). Воспринимая электрон, цитохром восстанавливается: Fe³⁺ + е^- —> Fe²⁺. Следующий переносчик — пластоцианин. Отдавая электрон пластоцианину, цитохром окисляется: Fe²⁺ - е^- —> Fe³⁺. Пластоцианин — это медьсодержащий белок, в котором на каждую молекулу белка приходится два атома меди (Е₀ пластоцианина + 0,370): Cu²⁺ + е^- —> Си⁺. Пластоцианин выполняет роль связующего звена между b / f -комплексом и ФС I. От пластоцианина электрон заполняет электронную «дырку» у П₇₀₀. Окисленный П₆₈₀⁺ в реакционном центре фотосистемы II обладает исключительно высоким сродством к электрону, т. е. является очень сильным окислителем. Благодаря этому в ФС II происходит разложение такого химически устойчивого соединения как вода. Входящий в состав ФС II водорасщепляющий комплекс (ВРК) содержит в своем активном центре группу ионов марганца (Мn²⁺), которые служат донорами электрона для П₆₈₀⁺. Отдавая электроны окисленному реакционному центру П₆₈₀⁺, ионы марганца накапливают положительные заряды, которые непосредственно участвуют в реакции окисления воды:

2Мn⁴⁺ + 2Н₂0 -> 2Мn²⁺ + 4Н⁺ + 4е^- + 0₂.

После последовательной передачи четырех электронов от ВРК к П₆₈₀⁺ происходит разложение сразу двух молекул воды, сопровождающееся выделением одной молекулы кислорода и четырех ионов водорода, которые попадают во внутритилакоидное пространство хлоропласта. Перенос электрона по цепи переносчиков от фотосистемы II к фотосистеме I сопровождается образованием АТФ из АДФ и неорганического Фн (АДФ + Фн —> АТФ). Суммарное уравнение процесса нециклического фотофосфорилирования может быть выражено следующим образом:

2НАДФ + 2Н₂0 + 2АДФ + 2Н₃Р0₄ -> 2НАДФН + 2Н⁺ + 2АТФ + 0₂.

Таким образом, отличительными особенностями нециклического фотосинтетического фосфорилирования являются:

1) окисление двух молекул воды;

2) участие двух фотосистем;

3) передача электронов от молекул воды (первичный донор) через электронтранспортную цепь на НАДФ (конечный акцептор).

Продуктами процесса нециклического фотофосфорилирования являются восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН + Н⁺) и АТФ. Эти соединения в дальнейшем используются в темновой фазе фотосинтеза. Общая схема циклического фотофосфорилирования дана на рисунке. В этом процессе принимает участие лишь фотосистема I. На схеме показано, что в результате поглощения кванта света молекула П₇₀₀ отдает возбужденный электрон сначала первичному переносчику, а затем от ферредоксина возвращается к П₇₀₀. Суммарное уравнение циклического фотосинтетического фосфорилирования выглядит следующим образом:

АДФ + Н₃Р0₄ + hv —> АТФ + Н₂0.

При рассмотрении приведенных схем надо учитывать, что в зависимости от состояния хлоропластов расположение и набор переносчиков в электронтранспортной цепи могут меняться.

Как же осуществляется связь между переносом возбужденного светом электрона по цепи переносчиков и образованием АТФ за счет выделяющейся при этом энергии? Наибольшее признание получила хемиосмотическая теория, разработанная английским биохимиком П. Митчеллом. Переносчики электронов (электронтранспортная цепь) локализованы в мембранах асимметрично. При этом последовательно чередуются переносчики электронов (цитохромы) с переносчиками электрона и протона (пластохиноны). Молекула пластохинона сначала принимает два электрона: ПХ + 2е^- —> ПХ^-2. ПХ^-2 имеет высокое сродство к протонам, которые захватывает из стромы на наружной поверхности мембраны тилакоида. Этим акцептором является пластохинон (ПХ). Пластохинон — производное хинона, в полностью окисленном состоянии содержит два атома кислорода, соединенных с углеродным кольцом двойными связями. В полностью восстановленном состоянии атомы кислорода в бензольном кольце соединяются с протонами: с образованием электрически нейтральной формы: ПХ^-2 + 2Н⁺ -> ПХН₂. Протоны выделяются в пространство внутри тилакоида. Таким образом, при переносе пары электронов от Хл₆₈₀ на Хл₇₀₀ во внутреннем пространстве тилакоидов накапливаются протоны. В результате активного переноса протонов из стромы во внутритилакоидное пространство на мембране создается электрохимический потенциал водорода (ΔμН⁺), имеющий две составляющие: химическую ΔμН (концентрационную), возникающую в результате неравномерного распределения ионов Н⁺ по разным сторонам мембраны, и электрическую, обусловленную противоположным зарядом разных сторон мембраны (благодаря накоплению протонов с внутренней стороны мембраны).

Соответственно и энергия, накапливаемая на мембране в результате концентрирования протонов на одной стороне, имеет две составляющие — химическую и электрическую. Чтобы использовать эту энергию, необходимо обеспечить обратный поток протонов. Энергия, выделяющаяся при этом, и используется для образования АТФ. Накопление протонов внутри тилакоида происходит не только при окислении пластохинона, но и в результате фотоокисления воды.

Сопряжение диффузии протонов через мембрану осуществляется макромолекулярным ферментным комплексом, называемым АТФ-синтазой или сопрягающим фактором. Этот комплекс по форме напоминает гриб и состоит из двух частей — факторов сопряжения: круглой шляпки F₁, выступающей с наружной стороны мембраны (в ней располагается каталитический центр фермента), и ножки погруженной в мембрану. Мембранная часть состоит из полипептидных субъединиц (а, b, с) и формирует в мембране протонный канал, по которому ионы водорода попадают к фактору сопряжения F₁. Белок F₁ представляет белковый комплекс, который состоит из мембраны, при этом он сохраняет способность катализировать гидролиз АТФ, т. е. является АТФазой. Однако изолированный F₁ не способен синтезировать АТФ. Способность синтезировать АТФ — это свойство единого комплекса F₀—F₁, встроенного в мембрану. Связано это с тем, что работа АТФ-синтазы при синтезе АТФ сопряжена с переносом через нее протонов. Направленный транспорт протонов возможен только в том случае, если АТФ-синтаза встроена в мембрану. Существуют две гипотезы относительно механизма фосфорилирования (прямой механизм и косвенный). Согласно первой гипотезе фосфатная группа и АДФ связываются с ферментом в активном участке комплекса Fr Два протона перемещаются через канал по градиенту концентрации и соединяются с кислородом фосфата, образуя воду. Это делает фосфатную группу весьма реакционноспособной, и она присоединяется к АДФ с образованием АТФ. Согласно второй гипотезе, которая в последние годы получила экспериментальные подтверждения (косвенный механизм), АДФ и Фн соединяются в активном центре фермента спонтанно. Однако образовавшаяся АТФ прочно связана с ферментом, и для ее освобождения требуется энергия. Энергия доставляется протонами, которые, связываясь с ферментом (протонирование), изменяют его конформацию, после чего АТФ высвобождается. Продукты световой фазы, в которых аккумулирована энергия света, — АТФ и НАДФН Д. Арнон назвал ассимиляционной силой, поскольку они используются в темновую фазу, в ходе которой С0₂ восстанавливается до углеводов.

IV. Дыхание растений