Фотосинтез как основа энергетики биосферы
В ССКa-Ь присутствуют хлорофилл а в двух или трех формах с максимумами
поглощения между 660 и 675 нм, хлорофилл b с максимумом поглощения 650 нм и каротиноиды. В каждом ССКa-b содержится от 120 до 240 молекул
хлорофиллов, причем отношение хлорофилла а к хлорофиллу b составляет 1,2—1,4. Половина белка тилакоидов и около 60% общего
количества хлорофилла локализовано в ССК. У сине-зеленых и красных водорослей,
у которых хлорофилл b отсутствует, роль ССК выполняют
фикобилисомы, в состав которых входят фикобилины.
Антенный белковый комплекс ФС II содержит 40 молекул хлорофиллов а
с максимумами поглощения 670 — 683 нм на один П680 и β-каротин.
Антенный белковый комплекс ФС I состоит из хромопротеинов,
содержащих 110 молекул хлорофиллов а с максимумами поглощения 680 — 695 нм на
один П700, из них 60 молекул — компоненты антенного комплекса самой
фотосистемы, а 50 входят в состав комплекса, который можно рассматривать как
ССК ФС I. Антенный комплекс ФС I также содержит β-каротин.
Хромопротеины антенных комплексов не обладают фотохимической и
энзиматической активностью. Если бы каждая молекула хлорофилла преобразовывала
поглощенную ею энергию кванта света в фотохимическую реакцию, то такая система
была бы крайне нерентабельна. Продолжительность синглетного возбужденного
состояния исчисляется 10-12 — 10-9 с, и даже на прямом солнечном свету 1 квант
света поглощается молекулой хлорофилла не чаще одного раза за 0,1 с. Большую
часть времени молекула хлорофилла «простаивает». Поэтому роль пигментов
антенных комплексов состоит в том, чтобы собирать и передавать энергию квантов
на небольшое количество молекул реакционных центров П680 и П700, которые и
осуществляют фотохимические реакции. Аналогично отдельные капли дождя ударяют в
крышу и, сливаясь, создают постоянный ток воды в водостоке.
Передача (миграция) энергии по пигментам антенных комплексов
происходит по принципу индуктивного резонанса (без флуоресценции и переноса
заряда). Природа индуктивного резонанса сострил в следующем. Каждая молекула
хлорофилла, поглотившая квант света и перешедшая в синглетное возбужденное
состояние, является молекулярным осциллятором. Возникающее вокруг возбужденной
молекулы переменное электрическое поле с определенной частотой колебаний
индуцирует осцилляцию диполя (электрон — ядро) соседней молекулы. При этом
молекула-донор переходит в основное состояние, а молекула-акцептор — в
возбужденное. Условиями для резонансного переноса энергии электронного
возбуждения служат малые расстояния между молекулами, не превышающие 10 нм, и перекрытие
частот колебаний у двух взаимодействующих молекул.
Флуоресценция каждой молекулы-донора имеет более длинноволновый
максимум по сравнению с максимумом ее поглощения (в соответствии с правилом
Стокса) и в большей или меньшей степени перекрывает зону поглощения акцепторной
молекулы. Миграция энергии осуществляется от коротковолновых пигментов в
сторону все более длинноволновых, т. е. пигментов с более низким уровнем
синглетного возбужденного состояния.
В антенных комплексах перенос энергии осуществляется в ряду: каротин
(400-550 нм)--► хлорофилл b (650 нм)--►хлорофиллы a (660-675 нм)---► П680 (ФС II). Скорость резонансного
переноса энергии от молекулы к молекуле 10-10 — 10-9 с, причем эффективность
переноса между молекулами хлорофилла достигает 100, а между молекулами каротина
и хлорофилла — лишь 40%.
Реакционные центры. Белки,
содержащие длинноволновые формы хлорофиллов (П680 в ФС II и П700 в ФС I) в
количестве одна молекула на 200 — 400 молекул других хлорофиллов и способные к
первичному фотохимическому разделению зарядов, называют реакционными центрами.
Первичное разделение зарядов в реакционных центрах происходит
между молекулами хлорофилловой природы и связано с транспортом электронов.
Функцию первичного донора электронов выполняет молекула хлорофилла, находящаяся
в синглетном возбужденном состоянии. В реакционном центре ФС II,
перешнуровывающем мембрану, первичным донором электронов служит П680, а
первичным акцептором — феофетин. В реакционном центре ФС I первичный донор
электронов— П700, а акцептор — мономерная форма хлорофилла а695 (А1).
Порядок реакций в реакционном центре ФС II определяется
продолжительностью того или иного состояния молекул. Молекулы находятся в
синглетном возбужденном состоянии 10-10 — 10-9 с. Первичные акцепторы (Фф или
А1) получают электроны от своих доноров (П680 или П700 соответственно) за время
около 10-12 с. Время обратных рекомбинаций от Фф- на П680+ и от A1- на П700+ во много раз больше (10-6
с). То же самое относится к последующим парам взаимодействующих молекул.
Поэтому весь ход реакций резко сдвинут вправо. В реакционных центрах энергия возбужденного
состояния хлорофилла преобразуется в энергию разделенных зарядов, т. е.
превращается в химическую энергию.
5.2 Фотохимический этап. Электронно-транспортная цепь фотосинтеза.
Представления о функционировании двух фотосистем. Фотофосфорилирование. Системы
фотоокисления воды и выделения кислорода при фотосинтезе. Связь
фотосинтетической ассимиляции С02 с фотохимическими реакциями
Нециклический и циклический транспорт электронов.
Для восстановления одной молекулы NADP+ в процессе фотосинтеза
необходимы два электрона и два протона, причем донором электронов является
вода. Фотоиндуцированное окисление воды осуществляет ФС II, восстановление NADP+ — фотосистема I.
Следовательно, эти две фотосистемы должны функционировать во взаимодействии.
Исходя из данных о квантовом выходе фотосинтеза (необходимы 8
квантов света для выделения одной молекулы 02) из состава компонентов, входящих
в ФС I и ФС II, и величин их окислительно-восстановительного потенциала была
разработана схема последовательности реакций в световой фазе фотосинтеза.
Из-за сходства с буквой Z эта схема, получила название Z-схемы. Впервые
принцип Z-схемы был предложен Р. Хиллом и Ф. Бендаллом (1960) и
экспериментально подтвержден работами Л. Дюйзенса (1961). В настоящее время Z-схема, или схема нециклического
транспорта электронов при фотосинтезе является общепризнанной и непрерывно
пополняется новыми деталями.
В ФС II димер П680, поглотив энергию, эквивалентную 2 квантам
коротковолнового красного света, и перейдя в синглетное возбужденное состояние,
отдает 2 электрона феофетину (Фф). От Фф электроны, теряя энергию,
последовательно передаются на пластохиноны ФС 11 - QA и QB, на пул липидорастворимых
молекул пластохинона (PQ), переносящих через липидную фазу мембраны электроны и протоны,
на железосерный белок FeSK и цитохром цитохромного комплекса b6 — f, восстанавливая Cu-содержащий белок
пластоцианин (Пц).
Вакантные места («дырки») в Пб80 заполняются двумя электронами из
содержащего Мп переносчика электронов Z, который в свою очередь восстанавливается с участием системы S. Окисленный
белковый комплекс S связывает воду и восстанавливается за
счет электронов воды. Для осуществления этой реакции в белковом комплексе S необходимы Мп и С1-, а также Са2 + .
Однако описанная цепь реакций резко замедляется, если не
возбуждена ФС I, так как в этом случае весь Пц переходит в восстановленное
состояние. При возбуждении П700 в реакционном центре ФС I энергией,
эквивалентной 2 квантам длинноволнового красного света, 2 электрона
захватываются мономерной формой хлорофилла a (A1) и затем последовательно передаются переносчикам электронов А2 и
Ав (железосерные белки FeS), ферредоксину (водорастворимый FeS-белок) и ферредоксин: NADP-оксидоредуктазе с FAD в качестве кофактора.
Наконец, редуктаза восстанавливает NADP + .
На вакантные места в П700+ переходят электроны с Пц, и
нециклическая цепь переноса электронов таким образом замыкается. Z-схема убедительно объясняет «эффект
усиления Эмерсона», так как только при совместном использовании коротковолновых
(ФС II) и длинноволновых (ФС I) лучей красного света интенсивность фотосинтеза
будет оптимальной.
Энергия, освобождающаяся при движении электронов от П680 до П700,
используется для синтеза АТФ из AДФ и неорганического фосфата (фотофосфорилирование).
Наряду с нециклическим в мембранах хлоропластов функционирует циклический
транспорт электронов, включающий в себя только ФС I и комплекс цитохромов Ь6 — f. В этом случае возбужденные молекулы
П700 последовательно отдают электроны на А1, А2, АB, Фд, PQ, цитохром b6, FeSR, цитохром f, Пц и, наконец, П700. При этом НAДФ+ не восстанавливается.
Освобождающаяся энергия используется для фосфорилирования AДP.
Интересно отметить, что комплекс цитохромов Ь6 — f функционирует в системе транспорта электронов при фотосинтезе
аналогично комплексу III (цит. Ь, C1) в митохондриях.
Разница в уровнях энергии между П680 и П700 (> 50 кДж) вполне
достаточна для фосфорилирования AДФ, так как величина высокоэнергетической фосфатной связи АТФ
равна 30,6 кДж/моль (7,3 ккал). Перепады энергии в ФС I еще значительнее.
Однако само по себе освобождение энергии при нециклическом и циклическом
транспорте электронов не объясняет, каким образом осуществляется
фотофосфорилирование.
Механизм фосфорилирования AДФ, сопряженного с деятельностью ЭТЦ ,
объясняет хемиосмотическая теория, разработанная английским биохимиком П.
Митчеллом (1961 — 1966). Для объяснения процессов фотофосфорилирования эта
теория была впервые использована А. Ягендорфом (1967).
Сущность хемиосмотической теории состоит в следующем. Цепь
переносчиков электронов и прогонов, действующая в соответствии с
окислительно-восстановительным градиентом, перешнуровывает мембрану таким
образом, что трансмембранный перенос е- и Н+ в одну сторону чередуется с
переносом в обратную сторону только е-. В результате функционирования такого
механизма (Н + -помпы) по одну сторону мембраны накапливается избыток Н+ и
возникает электрохимический (т. е. электрический и концентрационный) потенциал
ионов Н+, который служит формой запасания энергии. Обратный пассивный ток ионов
Н+ через протонный канал Н+-АТФазы, получивший название сопрягающего фактор CF1, сопровождается образованием высокоэнергетической фосфатной связи
АТФ.
На рис. 6.1 представлена упрощенная схема расположения
переносчиков в мембране тилакоидов, объясняющая механизм фотофосфорилирования.
На внутренней стороне мембраны тилакоида под действием света возбуждаются П680
и П700. Электроны от П680 захватываются акцепторами е- на наружной стороне и
передаются на окисленную форму пластохинона (PQ) — липидорастворимого
переносчика прогонов и электронов, выполняющего функцию челнока. Принимая два
электрона, 2PQ диффундируют к цитохромному комплексу и
захватывают из стромы 2Н + . Электроны с 2PQH2 поступают в цепь: F.eSR -> цит. f -> Пц,-> П700, а ионы Н +
попадают в полость тилакоида. Вторая пара ионов Н+ освобождается там же при
фотоокислении воды. В ФС I электроны П700 захватываются акцептором А,
передаются ферредоксину и затем НAДФ+ на наружной стороне мембраны, причем 1Н+ используется на
восстановление НAДФ.
Таким образом, из среды, окружающей тилакоид, при поглощении
пигментами квантов света исчезают, а во внутренней полости тилакоида появляются
протоны. В результате на мембране возникает электрохимический потенциал ионов Н
+ , который затем используется для фосфорилирования AДФ. Этот процесс называется нециклическим
фотофосфорилированием.
При циклическом фотофосфорилировании, когда функционирует только
ФС I, электроны от Фд поступают на цитохромный комплекс с использованием пула PQ, который действует как
переносчик электронов и протонов. Затем электроны через цитохром f и Пц возвращаются на основной
энергетический уровень в П700, а протоны поступают в полость тилакоида.
Белковые комплексы, участвующие в фотохимических реакциях
фотосинтеза, в мембранах хлоропластов распределены неравномерно. Наибольшие различия
наблюдаются между теми мембранами, которые плотно состыкованы друг с другом в
гранах и теми участками мембран, которые контактируют со стромой (закругленные
участки тилакоидов гран и мембраны тилакоидов стромы).
Светособирающий комплекс и пигмент-белковый комплекс ФС II
находятся в основном в мембранах, плотно контактирующих друг с другом, причем
ССК играет особую роль. В адгезии тилакоидных мембран.
Показано, что у мутанта хламидомонады, лишенного белка, с которым
связан хлорофилл Ь, граны не образуются. ФС I со своим светособирающим комплексом
преимущественно, а АТФазный комплекс (CF1 + CF0), как правило, находятся на несостыкованных участках мембран.
Комплекс цитохромов b6 — f равномерно распределен как в
состыкованных, так и в не состыкованных мембранах. Такое распределение белковых
комплексов, участвующих в световой фазе фотосинтеза, ставит вопрос о способе их
взаимодействия. Показано, что это взаимодействие осуществляется с помощью
легкоподвижного липофильного пластохинона PQ в липидной фазе и благодаря перемещению водорастворимого
пластоцианина вдоль внутренних поверхностей ламелл и водорастворимого
ферредоксина вдоль их наружных поверхностей.
К латеральным перемещениям вдоль мембраны способны и сами белковые
комплексы. На это передвижение влияет величина их электрического заряда.
Например, восстановление пластохинона PQ фотосистемой II приводит к
активации киназы и фосфорилированию ССКа-ь. Фосфорилирование ССК
увеличивает его отрицательный заряд, что способствует перемещению ССК в
стромальную область мембраны и возрастанию миграции поглощенной энергии света к
ФС I. Возросшая фотохимическая активность ФС I усиливает окисление PQ, что, в свою
очередь, приводит к инактивации киназы, фосфатаза же дефосфорилирует ССК. Таким
образом, обратимое фосфорилирование ССК представляет собой петлю обратной связи
в системе взаимной регуляции активности ФС I и ФС II. Механизм такой регуляции
включает латеральный транспорт белковых комплексов в мембранах хлоропластов.
6 Метаболизм углерода при фотосинтезе (темновая фаза)
В результате фотохимических реакций в хлоропластах создается
необходимый уровень АТР и NADPH. Эти конечные продукты световой фазы фотосинтеза стоят на входе в
темновую фазу, где С02 восстанавливается до углевода:
Однако сами по себе АТФ и НAДФH не в состоянии восстановить С02. Очевидно,
и темновая фаза фотосинтеза — сложный процесс, включающий большое количество
реакций. Кроме того, существуют различные пути восстановления С02. В настоящее
время известны так называемые С3-путь и С4-путь фиксации С02, фотосинтез по
типу толстянковых (САМ-метаболизм) и фотодыхание. Рассмотрим каждый из этих
путей в отдельности.
6.1 Химизм реакции цикла Кальвина
Этот способ ассимиляции С02, присущий всем растениям, в 1946—1956
гг. был расшифрован американским биохимиком М. Кальвином и его сотрудниками.
Прежде всего, была поставлена задача обнаружить первичный продукт фотосинтеза и
выяснить, какое соединение служит акцептором С02.
Для решения первого вопроса были использованы одноклеточные
зеленые водоросли (хлорелла и др.) и меченый 14С02. Фотосинтезирующие водоросли
помещали в среду, содержащую 14С02, на разные промежутки времени, затем клетки
быстро фиксировали, экстрагировали из них спирторастворимые вещества и
определяли содержание 14С в различных соединениях после их разделения с помощью
хроматографии.
Оказалось, что после экспозиции в течение 1 мин 14С включался в С3
—С7-сахара и фосфосахара, в органические кислоты (яблочную, щавелевоуксусную,
ФЕП), в аминокислоты (аланин, аспарагиновую кислоту). Если же время экспозиции
было сокращено до 0,1—2 с, то большая часть метки обнаруживалась в
фосфоглицериновой кислоте, в ее карбоксильной группе:
Следовательно, 3-фосфоглицериновая кислота (ФГК) является
первичным продуктом фотосинтеза.
Второй вопрос — природа первичного акцептора С02. Сначала
предположили, что таким акцептором является какое-либо двухуглеродное соединение.
Однако введение в инкубационную среду винилфосфата, фосфогликольальдегида и
других веществ с С2 не приводило к увеличению содержания радиоактивной метки из
С02 в ФГК. Тогда схему опыта видоизменили следующим образом. Водоросли
экспонировали на свету при высокой (1 %-ной) концентрации С02, затем резко
снижали его концентрацию до 0,003%. Расчет был на то, что в условиях дефицита
С02 быстро накопится именно то соединение, которое служит акцептором С02. С
помощью двумерной хроматографии удалось установить, что при отсутствии
возможности карбоксилирования в клетках кратковременно возрастает концентрация
рибулозо-1,5-дифосфата (рибулозо-1,5-бисфосфата). Отсюда возникло
предположение, что первичная фиксация С02 происходит следующим образом : С5 +
С02-> С6-► 2С3. Для проверки этой гипотезы в бесклеточный экстракт из
листьев шпината или клеток хлореллы вносили меченный по 32Р
рибулозо-1,5-дифосфат. На свету в экстракте появлялась радиоактивная ФГК.
На основании полученных данных процесс первичной фиксации С02
можно записать следующим образом:
Эта реакция катализируется рибулозодифосфаткарбоксилазой
(рибулозобисфосфаткарбоксилазой; другие названия — белок фракции I,
карбоксидисмутаза). Максимум активности фермент имеет при рН 7,8 — 8,0 и
нуждается в присутствии ионов Mg2 + .
Дальнейшая работа в лаборатории Кальвина и в других лабораториях
привела к расшифровке всех последующих реакций С3-пути фотосинтеза, который
получил название цикла Кальвина (рис. 7.1). Этот цикл, весьма
напоминающий обращенный пентозофосфатный путь дыхания, состоит из трех этапов:
карбоксилирования, восстановления и регенерации.
1. Карбоксилирование. Молекулы рибулозо-5-фосфата фосфорилируются
с участием АТР и фосфорибулозокиназы, в результате чего образуются молекулы
рибулозо-1,5-дифосфата, к которым в свою очередь присоединяется С02 с помощью
рибулозодифосфаткарбоксилазы. Полученный продукт расщепляется на две триозы: 2
молекулы 3-фосфо-глицериновой кислоты (3-ФГК).
2. Фаза восстановления. 3-ФГК восстанавливается до
3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА) в два этапа. Сначала происходит
фосфорилирование 3-ФГК при участии АТФ и фосфоглицераткиназы до
1,3-дифосфоглицериновой кислоты, а затем восстановление 1,3-ФГК с помощью НАДФH и дегидрогеназы фосфоглицеринового
альдегида.
3. Фаза регенерации первичного акцептора диоксида углерода и
синтеза конечного продукта фотосинтеза. В результате описанных выше реакций при
фиксации трех молекул С02 и образовании шести молекул восстановленных
3-фосфотриоз пять из них используются затем для регенерации рибулозо-5-фосфата,
а один — для синтеза глюкозы. 3-ФГА под действием триозофосфатизомеразы
изомеризуется в фосфодиоксиацетон. При участии альдолазы 3-ФГА и
фосфодиоксиацетон конденсируются с образованием фруктозо-1,6-дифосфата, у
которого отщепляется один фосфат с помощью фруктозо-1,6-дифосфатазы. В
дальнейших реакциях, связанных с регенерацией первичного акцептора С02,
последовательно принимают участие транскетолаза и альдолаза. Транскетолаза
катализирует перенос содержащего два углерода гликолевого альдегида от кетозы
на адьдозу:
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
|