ФІЗІОЛОГІЯ ТА БІОХІМІЯ РОСЛИН

Опорний конспект лекцій

5. ФОТОСИНТЕЗ

Світлова фаза фотосинтезу

У світловій фазі ф/с відбувається поглинання світла молекулами хлорофілу а з участю додаткових пігментів і трансформація Е світла у хімічну Е АТФ та відновленого НАД(Ф)Н. Це складна система фото-фізично-хімічних реакцій, яка відбувається на мембранах хлоропластів.

До складу ламел хлоропластів входять 5 багатокомпонентних білкових комплексів: світлозбиральний, фотосистема І і фотосистема IІ, цитохромний (що беруть участь у міграції енергії) та АТФ-азний (що бере участь у синтезі АТФ).

Міграція Е і транспорт е^-

Дві фотосистеми

Квантовий вихід ф/с — це кількість виділеного О₂, або зв'язаного СО₂ на 1 квант поглинутої Е. Доведено експериментально, що сумарний ефект (квантовий вихід) вищий при освітленні рослин одночасно короткохвильовим (650 нм) і довгохвильовим (700 нм) червоним світлом, ніж при дії кожного червоного світла окремо. Це явище отримало назву ефекту посилення Емерсона.

Звідси випливає припущення, що у хлоропластах взаємодіють дві пігментні системи. Використовуючи диференційне центрифугування у градієнті густини сахарози, вдалося виділити й вивчити білкові комплекси фотосистеми І і фотосистеми ІІ (ФС І і ФС ІІ).

Компоненти електронно-транспортного ланцюга хлоропластів (ЕТЛ)

З’єднувальною ланкою між ФСІ і ФСІІ служать пул пластохінонів, білковий цитохромний комплекс в₆-f і пластоціанін.

ФС І виникла раніше. У бактерій Ф/С здійснюється без розкладу Н₂О і виділення О₂ (фоторедукція). Донорами е^- служать сполуки Н₂S, Н₂, СН₄.

Антенні комплекси и міграція енергії

З’ясовано, що на кожен реакційний центр (РЦ) припадає 200-400 молекул хлорофілу, які поглинають світло і передають Е на РЦ. Молекули хлорофілу а, а також хлорофілу в, каротиноїди, фікобіліни входять до складу світлозбиральних комплексів (СЗК).

Із ламел хлоропластів виділено світлозбиральний білковий комплекс із хлорофілами а і в (СЗК а-в), тісно пов’язаний з ФСІІ, і антенні комплекси, які безпосередньо входять до ФСІ і ФСІІ (фокусуючі антенні комплекси фотосистем). У СЗК а-в наявні хлорофіл а і хлорофіл в (від 120 до 240 молекул) та каротиноїди. Половину білків тилакоїдів і близько 60 % загальної кількості хлорофілів локалізовано в таких комплексах.

Антенний білковий комплекс ФСІІ містить 40 молекул хлорофілів а_б70-683 на один П₆₈₀ і β-каротин. Антенний білковий комплекс ФСІ складається із хромопротеїнів, які містять 110 молекул хлорофілів а_б80-б95 на один П₇₀₀, а також β-каротин.

Хромопротеїни антенних комплексів не мають фотохімічної й ферментативної активності. Коли б кожна молекула хлорофілу перетворювала поглинуту нею Е світла у фотохімічну реакцію, то така система була б нерентабельною. Тривалість синглетного збудження (10^-9-10^-12 с) значно коротша від часу поглинання 1 кванта світла (0,1 с).

Більшу частину часу молекула хлорофілу простоювала б, поглинаючи світло. Тому роль антенних комплексів полягає в тому, щоб збирати й передавати Е квантів на невелику кількість молекул реакційних центрів П₆₈₀ і П₇₀₀, які і здійснюють фотохімічні реакції.

Передача (міграція) Е по пігментах антенних комплексів відбувається за принципом індуктивного резонансу. Кожна молекула хлорофілу у синглетному стані є молекулярним осцилятором. Навколо збудженої молекули змінне електричне поле, що має певну частоту коливань, індукує осциляцію диполя (електрон-ядро) сусідньої молекули. При цьому молекула-донор переходить до основного стану, а молекула-акцептор — до збудженого стану і т.д.

Умовами для резонансного переносу Е електронного збудження служать незначні відстані між молекулами (не >10 нм) і перекриття частот коливань у двох сусідніх молекул. Міграція Е здійснюється від короткохвильових пігментів до більш довгохвильових, тобто до пігментів із більш низьким рівнем синглетного збудженого стану.

В антенних комплексах перенесення Е відбувається за допомогою пігментів, що розміщуються у такому порядку: каротин (400-550 нм) → хл. в (650 нм) → хл. а (660-675) → П₆₈₀ (ФСІІ). Швидкість резонансного переносу Е від молекули до молекули = 10^-10 с. При цьому ефективність переносу між молекулами хлорофілу сягає 100%, а між молекулами каротину і хлорофілу - лише 40%.

Реакційні центри

Білки, які містять довгохвильові форми хлорофілів (П₇₀₀ ФСІ і П₆₈₀ ФСІІ) у кількості 1 молекула на 200-400 молекул інших хлорофілів і які здатні до первинного фотохімічного розподілу зарядів, називають реакційними центрами (РЦ).

Фотосинтетична одиниця - мінімальне функціональне угрупування тилакоїда, яке здатне до фотосинтетичного розподілу заряду і складається з пігментів антенних комплексів та реакційних центрів.

Первинний розподіл зарядів у РЦ відбувається між молекулами хлорофілової природи і пов'язаний з транспортом е. Згідно з сучасними уявленнями, хлорофіли реакційних центрів виконують основну функцію в перетворенні енергії сонячних квантів. Завдяки специфічним зв’язкам та організації молекул-донорів і молекул-акцепторів хлорофіли реакційних центрів здатні використовувати одержану енергію збудження для утворення потоку електронів шляхом оборотних окисно-відновних реакцій. В результаті цього в тилакоїдній мембрані формується протонний і електричний градієнти.

Порядок реакцій у цих процесах визначається тривалістю того чи іншого стану молекул. Молекули знаходяться в синглетному збудженні 10^-10 с. Від первинних донорів (П*₆₈₀ або П*₇₀₀) первинні акцептори (Фф або А₁ відповідно) отримують електрони за 10^-12 с.

Час зворотних рекомбінацій від Фф^- на П⁺₆₈₀, і від А^-₁ до П⁺₇₀₀ набагато довший — ~10^-6 с. Те ж саме стосується і подальших пар взаємодіючих молекул. Тому весь хід різко зміщений вправо.

Z, П_Ц і Q_A, А₂ - вторинні донори й акцептори. Їх відповідно окислений та відновлений стан більш стабільний, ніж стан окислених та відновлених компонентів в РЦ.

Отже, у РЦ енергія збудженого стану хлорофілу перетворюється на енергію _розподілених зарядів, тобто перетворюється у хімічну Е.

Забігаючи наперед, можна окреслити такий ланцюг перетворення енергії.

Енергія Сонця використовується на збудження хлорофілів, збуджені хлорофіли із реакційних центрів перетворюють цю енергію на потік електронів низкою переносників шляхом здійснення окисно-відновних реакцій, енергія потоку електронів використовується на створення різниці у концентрації та заряді іонів водню по різні сторони тилакоїдної мембрани, утворена таким чином енергія електрохімічного градієнту іонів водню через АТФазний комплекс використовується на синтез АТФ, а енергія АТФ - на синтез органічних сполук.

Таким чином, на початку шляху ми маємо енергію Сонця, а в кінці - енергію вуглеводів, білків, жирів.

Нециклічне і циклічне транспортування е^-

Виходячи з даних про квантовий вихід ф/с (для виділення 1 молекули О₂ необхідно 8 квантів світла) та із складу компонентів двох ФС і величин їх окисно - відновних потенціалів, Р. Хілл, Ф. Бендалл та Л. Дюйзенс запропонували схему нециклічного транспортування е^-(Z-схема).

Нециклічне транспортування електронів охоплює ФСІІ, комплекс цитохромів в₆-f, ФСІ. У ФСІІ димер П₆₈₀ поглинає Е двох квантів короткохвильового світла і переходить до синглетного збудженого стану. Далі віддає 2е^- феофітину (Фф), від якого електрони, гублячи Е, переходять до пластохінонів ФСІІ — Q_А і Q_В, далі на пул ліпідорозчинних пластохінонів (PQ), які переносять через ліпідну фазу мембран електрони і протони, згодом - на залізосірчаний білок FeS_R і цитохром f, відновлюючи Сu-вмісний білок пластоціанін (Пц).

Вакантні місця в П*₆₈₀ заповнюються двома е^- від переносника е^-Z, який відновлюється з участю системи S. Окиснений білковий комплекс S зв'язує воду і відновлюється за рахунок е^- води. Для здійснення цих реакцій необхідна наявність Mn, Cl^-, Ca²⁺.

Описаний ланцюг реакцій різко сповільнюється, коли ФС І не збуджена, бо весь Пц відновлюється. При збудженні П₇₀₀ двома квантами довгохвильового червоного світла (ФСІ) два е^-захоплюються А₁, а потім послідовно передаються переносниками е^- А₂ і А_В фередоксину й фередоксин: НАДФ-оксидоредуктазі. Редуктаза відновлює НАДФ⁺.

На вакантні місця в П*₇₀₀ переходять електрони з пластоціаніну (Пц). Z- схема переконливо пояснює ефект посилення Емерсона. Е, яка звільняється при передачі е^- із П₆₈₀ на П₇₀₀використовується для синтезу АТФ з АДФ та неорганічного фосфату (фотофосфорилювання).

Таким чином, при нециклічному транспортуванні е^- бере участь ФС II, комплекс цитохромів в₆-f і ФСI; при цьому відновлюється НАДФ⁺ та синтезується АТФ.

Циклічне транспортування е^- відбувається тільки за рахунок компонентів ФСI і комплексу цитохромів в₆-f. У цьому випадку збуджені молекули П*₇₀₀ послідовно віддають електрони на А₁, А₂ і А_В, Фд, РQ, FeS_R, цитохром-f, Пц і, в кінці, на П₇₀₀. Цикл замикається. При цьому НАДФ⁺ не відновлюється. Звільнена енергія використовується тільки для фосфорилювання АДФ.

Фотофосфорилювання

Фотофосфорилювання - це процес утворення АТФ, пов'язаний з індукованим світлом транспортуванням е^- по ЕТЛ хлоропластів.

Механізм фотофосфорилювання АДФ, спряжений з діяльністю електронно- транспортного ланцюга, пояснює хеміосмотична теорія англійського біохіміка П. Мітчела. Суть її полягає ось у чому.

Ланцюг переносників е^- і Н⁺ діє таким чином, що трансмембранне перенесення е^- і Н⁺ в один бік чергується з перенесенням у протилежний бік лише е^-. У результаті діяльності такої Н⁺-помпи на внутрішній поверхні мембрани нагромаджується надлишок Н⁺ і виникає електрохімічний потенціал іонів Н⁺, який є формою запасання Е. Зворотний пасивний тік іонів Н⁺ можливий лише через протонний канал СF₀ Н⁺-АТФазного комплексу (або Н⁺-АТФази) і супроводжується утворенням високоенергетичного фосфатного зв'язку АТФ.

До Н⁺-АТФазного комплексу, крім протонного каналу СF₀, входить фактор спряження СF₁, який володіє АТФ синтетазною активністю, тобто є АТФазою.

Таким чином, на внутрішній поверхні тилакоїдної мембрани під впливом світла збуджуються П₇₀₀ і П₆₈₀. Два електрони від П₆₈₀ захоплюються акцепторами на зовнішньому боці і передаються на окиснену форму РQ, що виконує функцію човника. 2РQ дифундують до цитохромного комплексу, захоплюючи перед тим із строми 2Н⁺. Електрони з 2РQН₂ поступають на ланцюг: FeS_R →цитохром-f → Пц → П₇₀₀, а іони Н⁺ потрапляють до порожнини тилакоїда.

Друга пара Н⁺ звільняється тут же при фотоокисленні води.

У ФСІ електрони з П₇₀₀ захоплюються акцептором А, передаються через фередоксин до НАДФ⁺, що знаходиться на зовнішній поверхні мембрани, причому 1 Н⁺ із строми використовується на відновлення НАДФ⁺. Отже, із зовнішнього середовища тилакоїда зникають, а у внутрішньому з’являються протони. Таким чином утворюється електрохімічний потенціал іонів Н⁺, який використовується при нециклічному фотофосфорилюванні.

При циклічному фотофосфорилюванні е^- від Фд поступають на цитохромний комплекс із використанням пула РQ, який діє як переносник Н⁺ і е^-. Згодом електрони через цитохром-f і Пц повертаються на основний енергетичний рівень у П₇₀₀, а протони надходять до порожнини тилакоїда. Створений таким чином електрохімічний потенціал іонів водню в кінцевому результаті забезпечує синтез фосфатного зв’язку АТФ на СF₁.

Локалізація е^-- і Н⁺- транспортних реакцій

Перенос електронів і протонів здійснюється в мембранах тилакоїдів. Світлозбиральні комплекси і фотосистеми (СЗК+ФС) локалізуються в основному на мембранах, які щільно контактують одна з одною. СЗК+ФС і АТФ-азний комплекс (CF₁ + CF₀), як правило, знаходяться на нестикуючих мембранах. Комплекси цитохромів в₆-f рівномірно розміщені між ними.

Взаємодія здійснюється за допомогою легкорухомого ліпофільного пластохінона PQ у ліпідній фазі і завдяки переміщенню водорозчинного Пц уздовж внутрішніх поверхонь ламел та водорозчинного Фд уздовж їх зовнішніх поверхонь.