Файл: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования астраханский государственный университет.docx

2.Восстановление – получения глюкозы. Основным уравнением фотосинтеза в высших растениях является:

6CO + 6H2O + Nhν = 6O2 + C6H12O6 + ∆G,

то есть, реакция идет только за счет энергии света и в итоге на один шаг реакции в её продуктах запасается ∆G= 686 ккал свободной энергии. Однако, во-первых, это уравнение объединяет два этапа превращения субстратов: световой и темновой, и, во-вторых, в данном уравнении не видны важные промежуточные продукты данной реакции. Поэтому для понимания необходимо записать эти этапы раздельно:

1. 6CO2+12H2O*+48hν+12НАДФ+18АДФ+18Ф → 6CO2+ 12НАДФН2+ 18АТФ + 6 O*2 →

2. → C6H12O6 + 6 O*2 + 6H2O + 12НАДФ +18АДФ +18Ф.

Теперь видно, что продуктом световой стадии является восстановленные переносчики НАДФН2 и АТФ, которые в темновой стадии восстановления углекислоты до глюкозы (цикл Кальвина) соответственно окисляются и гидролизуются. Звездочкой отмечен кислород, который получается при фоторазложении воды. Необходимо отметить, что вода, которая образуется в темновой стадии, содержит другой кислород. Первая стадия фотосинтеза протекает на свету с помощью фотокатализатора. Фотокатализатором, или точнее, сенсибилизатором, в растениях является хлорофилл. Хлорофилл имеет гидрофобную часть и гидрофильную. То есть хлорофилл обладает амфотерными свойствами, которые способствуют самосборке агрегатов хлорофилла на границе липид-вода и на поверхности белков, где чередуются гидрофильные и гидрофобные участки. Структура центральной части хлорофилла аналогична гему железа в молекуле гемоглобина или цитохромах и обеспечивает поглощение света в видимом диапазоне. Существует три вида хлорофилла: a,b и c. Спектры поглощения хлорофиллов качественно похожи: в красной области – в районе 660-680 нм, в синей области – в районе длин волн 450 нм. Существование нескольких химически и физически различающихся форм хлорофиллов необходимо для того, чтобы сгладить спектр действия фотосинтеза в видимом участке солнечного спектра.Красная граница фотосинтеза определяется самыми длинноволновыми формами хлорофилла, и у высших растений располагается в районе 700 нм. Свет в зеленой части спектра, поглощают некоторые пигменты, в частности, каротин, так как хлорофиллы имеют относительно малое поглощение в этой части спектра. Кроме этого каротин защищает хлорофилл от деструктивных процессов

, которые возникают при длительном нахождении электрона на триплетном уровне.В хлоропластах высших растений имеются две фотосистемы – фотосистема 1 (ФС1) и фотосистема 2 (ФС2), которые различаются по составу белков и пигментов. Светособирающая антенна ФС1 поглощает свет с длиной волны 700-730 нм, а ФС2 – 680 – 700 нм. Индуцированное светом окисление реакционных центров двух фотосистем сопровождается их обесцвечиванием, которое характеризуется изменениями спектров поглощения. Две фотосистемы связаны посредством цепи электронных переносчиков.ФС2 является источником электронов для ФС1. Индуцируемое светом разделение зарядов в фотореакционных центрах обеспечивает перенос электрона от воды, разлагаемой в ФС2, к конечному акцептору электрона – молекуле НАДФ+. Цепь электронного транспорта, соединяющая две фотосистемы, в качестве переносчиков электрона включает в себя молекулы пластохинона, отдельный электрон-транспортный белковый комплекс (так называемый b/f-комплекс) и водорастворимый белок пластоцианин (Рс).

В ФС2 от возбужденного центра Р+ 680 электрон переносится сначала на первичный акцептор феофетин (Рhе), а затем на молекулу пластохинона Qа, прочно связанную с одним из белков ФС2. Затем электрон переносится на вторую молекулу пластохинона Qb, а Р+680 получает электрон от первичного донора – молекулы хлорофилла. После двукратного срабатывания реакционного центра ФС2 молекула пластохинона Qb получает два электрона и становится отрицательно заряженной. Эта молекула обладает высоким сродством к протонам, которые она захватывает из стромального пространства. После протонирования восстановленного пластохинона образуется электрически нейтральная форма этой молекулы (QbН2 или просто QН2), которая называется пластохинолом. Пластохинол выполняет роль подвижного переносчика двух электронов и двух протонов: покинув ФС2, молекула QН2 может легко перемещаться внутри тилакоидной мембраны, обеспечивая связь ФС2 с другими электрон-транспортными комплексами. Окислительный реакционный центр ФС2 обладает исключительно высоким сродством к электрону, то есть является очень сильным окислителем. Благодаря этому в ФС2 происходит разложение воды. Входящий в состав ФС2 водорасщепляющий комплекс (ВРК) содержит в своем активном центре группу ионов марганца, которые служат донорами электронов для Р+ 680 . Отдавая электроны окисленному реакционному центру Р+ 680, ионы марганца становятся «накопителями» положительных зарядов, непосредственно участвующих в реакции окисления воды. В результате последовательного четырехкратного срабатывания реакционного центра ФС2 в Mn-содержащем активном центре ВРК накапливаются четыре сильных окислительных эквивалента (четыре «дырки») в форме окислительных ионов марганца, которые, взаимодействуя с двумя молекулами воды, катализируют реакцию её разложения. Таким образом, в результате последовательной передачи электронов от ВРК к Р+ 680 происходит синхронное разложение сразу двух молекул воды, сопровождающееся выделением одной молекулы кислорода и четырех протонов, которые диффундируют во внутритилакоидное пространство хлоропластов. Образовавшаяся при функционировании ФС2 молекула пластихинола QН2 диффундирует внутри липидного бислоя тилакоидной мембраны к b/f-комплексу. При столкновении она связывается с ним и передает ему два электрона, при этом два освободившихся протона выходят во внутри тилакоидное пространство. В свою очередь b/f -комплекс служит донором электрона для пластоцианина, который выполняет роль связующего звена между b/f-комплексом и ФС1. Пластоцианин – это водорастворимый белок, имеющий в составе своего активного центра ион меди. Реакция восстановления и окисления пластоцианина сопровождается изменением валентности иона меди. Молекула пластоцианина быстро перемещается внутри тилакоида, обеспечивая перенос электрона от b/f-комплекса к ФС1. От восстановленного пластоцианина электрон поступает непосредственно к окислительным центрам ФС1. Таким образом, в результате совместного действия ФС1 и ФС2 два электрона от молекулы воды, разлагаемой в ФС2, через цепь электронного транспорта переносятся на молекулу НАДФ+, обеспечивая образование сильного восстановителя НАДФ•Н. Схематически выше описанные процессы представлены на рисунке 3.

Рис.3. Расположение электрон-транспортных комплексов (ФС1, ФС2 b/f-комплекса)

3.2 БИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ФОТОСИНТЕЗА.

Транспорт возбужденных π-электронов, обеспечивающий аккумулирование (конвертирование) солнечной энергии в макроэргических связях АТФ, свойствен хлорофилл содержащим бактериям и зеленым растениям. Хлорофилл обладает уникальной способностью быть как донором, так и акцептором электронов в зависимости от действия на него солнечного света. В исходном состоянии (когда на него не действует свет) хлорофилл служит донором электронов. Поглотив фотон в видимой области солнечного излучения, этот пигмент теряет электрон, окисляется и приобретает акцепторные свойства. Принимая электрон от сопряженных с ним веществ, он снова испытывает восстановление и становится готовым отдать электроны, если на него вновь подействует свет. Такая цикличность в работе хлорофилла позволяет называть его «электронным насосом», приводимым в действие и регулируемым солнечной энергией. Это важнейшее свойство замечательного пигмента открыто в 1948 г. академиком А. А. Красновским. Его открытие вошло в науку под названием реакции обратимого фотохимического восстановления хлорофилла (реакции Красновского).

3.3. Основные компоненты электротранспортной цепи

3.3.1. Фотосистема I

Светособирающий комплекс I содержит примерно 200 молекул хлорофилла.В реакционном центре первой фотосистемы находится димер хлорофилла a с максимумом поглощения при 700 нм (П700). После возбуждения квантом света он восстанавливает первичный акцептор — хлорофилл a, тот — вторичный (витамин K1 или филлохинон), после чего электрон передаётся на ферредоксин, который и восстанавливает НАДФ с помощью фермента ферредоксин-НАДФ-редуктазы.

Белок пластоцианин, восстановленный в b6f комплексе, транспортируется к реакционному центру первой фотосистемы со стороны внутритилакоидного пространства и передаёт электрон на окисленный П700.

3.3.2. Фотосистема II

Фотосистема — совокупность ССК, фотохимического реакционного центра и переносчиков электрона. Светособирающий комплекс II содержит 200 молекул хлорофилла a, 100 молекул хлорофилла b, 50 молекул каротиноидов и 2 молекулы феофитина. Реакционный центр фотосистемы II представляет собой пигмент-белковый комплекс, расположенный в тилакоидных мембранах и окружённый ССК. В нём находится димер хлорофилла a с максимумом поглощения при 680 нм (П680). На него в конечном счёте передаётся энергия кванта света из ССК, в результате чего один из электронов переходит на более высокое энергетическое состояние, связь его с ядром ослабляется и возбуждённая молекула П680 становится сильным восстановителем (E0=-0,7 В).(Рис.4)

Рис.4.Схема структурной организации фотосистемы II в фотосинтетической мембране (по Рубину, 2000)

П680 восстанавливает феофитин, в дальнейшем электрон переносится на хиноны, входящие в состав ФС II и далее на пластохиноны, транспортируемые в восстановленной форме к b6f комплексу. Одна молекула пластохинона переносит 2 электрона и 2 протона, которые берутся из стромы.

Заполнение электронной вакансии в молекуле П680 происходит за счёт воды. В состав ФС II входит водоокисляющий комплекс, содержащий в активном центре ионы марганца в количестве 4 штук. Для образования одной молекулы кислорода требуется две молекулы воды, дающие 4 электрона. Поэтому процесс проводится в 4 такта и для его полного осуществления требуется 4 кванта света. Комплекс находится со стороны внутритилакоидного пространства и полученные 4 протона выбрасываются в него.

Таким образом, суммарный результат работы ФС II — это окисление 2 молекул воды с помощью 4 квантов света с образованием 4 протонов во внутритилакоидном пространстве и 2 восстановленных пластохинонов в мембране.

3.3.3. b6f или b/f-комплекс

b6f комплекс является насосом, перекачивающим протоны из стромы во внутритилакоидное пространство и создающий градиент их концентрации за счёт выделяющейся в окислительно-восстановительных реакциях электронтранспортной цепи энергии. 2 пластохинона дают перекачку 4 протонов. В дальнейшем трансмембранный протонный градиент (pH стромы около 8, внутритилакоидного пространства — 5) используется для синтеза АТФ трансмембранным ферментом АТФ-синтазой.

3.4. Циклический и псевдоциклический транспорт электрона

Помимо полного нециклического пути электрона, описанного выше, обнаружены циклический и псевдоциклический.

Суть циклического пути заключается в том, что ферредоксин вместо НАДФ восстанавливает пластохинон, который переносит его назад на b6f комплекс. В результате образуется больший протонный градиент и больше АТФ, но не возникает НАДФН.

При псевдоциклическом пути ферредоксин восстанавливает кислород, который в дальнейшем превращается в воду и может быть использован в фотосистеме II. При этом также не образуется НАДФН.

3.5 Основные свойства фотосинтетического аппарата растений

3.5.1 Насыщение световой кривой фотосинтеза с ростом освещенности

На графике видно, что кривые роста скорости фотосинтеза имеют выраженное насыщение. Предельное значение насыщения растет с ростом концентрации CO2 в воздухе. Причиной этого явления являются ограничения скорости потока электронов в электрон-транспортной цепи, когда скорость их отвода на CO2 лимитируется его диффузией из окружающей среды.(Рис.5)

Рис.5. По вертикальной оси – скорость ассимиляции углекислоты V, по горизонтальной оси – освещенность листа L.

3.5.2 «Эффект усиления» Эммерсона.

Если измерять интенсивность фотосинтеза от двух монохроматических источников света с длинами волн λ1 < 690 нм и λ2 > 690 нм, то она окажется в несколько раз больше, чем интенсивность фотосинтеза при свете той же мощности, но содержащем лишь одну длину волны λ1 или λ2. Это объясняется тем, что для нормального протекания фотосинтеза необходимо сбалансированное возбуждение фотосистем ФС1 и ФС2. В противном случае поток электронов ослабевает. «Память» «эффекта усиления» составляет 1 секунду. Если освещать лист растения поочередно светом с λ1 и λ2 с интервалом меньше 1 секунды, то скорость фотосинтеза будет неотличима от скорости при одновременном облучении светом с λ1 и λ2 . Это время характеризует время удержания пластохиноном избытка или дефицита электронов между ФС1 и ФС2.

Изменение окислительно-восстановительного состояния цитохромов b и f при освещении светом с разными длинами волн. При освещении фотосинтетического аппарата светом с λ1 < 690 нм цитохромы восстанавливаются, а при освещении светом с λ2 > 690 нм цитохромы окисляются. Это происходит потому, что свет с длиной волны λ1возбуждает преимущественно ФС2, направляющую электроны к цитохромам, а свет с длиной волны λ2возбуждает в основном ФС1, отсасывающую электроны от цитохромов.

3.5.3 Эффект Кока-Жолио.

Если зеленый лист растения выдержать в темноте около часа, а затем начать освещать короткими вспышками света, то выход кислорода будет иметь следующий вид.(Рис.6)

Рис.6. Количество кислорода, выделяемого на одну вспышку.

N – номер вспышки. На две первые вспышки кислород практически не выделяется, на третью вспышку выделение максимально, на четвертую несколько меньше, далее серия повторяется с периодом 4, и через 20-30 вспышек модуляция сглаживается, и выделения становятся одинаковыми. Эффект объясняется дискретностью работы кислород-выделяющего комплекса. Если вспышка достаточно короткая, так что кислород-выделяющий комплекс успевает получить от Р680 за вспышку только одну дырку, то последовательное одноэлектронное окисление реакционного центра ФС2 изменяет каждый раз суммарную валентность ионов Mn на единицу. А так как не все реакционные центры