Fiziologia_rasteny

2.5. Поглощение света пигментами

В современной трактовке выделяют четыре стадии фотосинтеза, которые различаются по природе и скорости реакций, по зна- чению и сущности процессов, происходящих на каждой стадии.

I стадия — физическая. Включает фотофизические реакции поглощения энергии пигментами, запасания ее в виде энергии

электронного возбуждения и миграции в реакционный центр. Все реакции быстрые и протекают со скоростью 10–15—10–9 ñ. Ïåð-

вичные реакции поглощения энергии локализованы в светособирающих антенных комплексах (ССК).

II стадия — фотохимическая. Реакции происходят в реакционных центрах со скоростью 10–9 с. На этой стадии энергия электронного возбуждения пигмента используется для разделения заряда. В этом случае электрон с высоким энергетическим потенциалом передается на первичный акцептор А и образуется система с разделенными зарядами, содержащая определенное количество энергии уже в химической форме. Окисленный пигмент восстанавливает свою структуру за счет окисления донора (Д).

Образующиеся на фотохимической стадии первичные продукты очень лабильны, и электрон может вернуться к окисленному пигменту с бесполезной потерей энергии. Поэтому необходима быстрая дальнейшая стабилизация образованных восстановленных продуктов с высоким энергетическим потенциалом. Этот процесс осуществляется на следующей стадии.

III стадия — реакции транспорта электронов. ЭТЦ организована в хлоропластах в виде трех основных функциональных комплексов: фотосистема I (ФС I ), фотосистема II (ФС II), цитохром b6 f-комплекс, обеспечивающих высокую скорость электронного потока и возможность его регуляции. В результате работы ЭТЦ образуются восстановленный ферредоксин и НАДФН, а также богатые энергией молекулы АТФ, которые используются в темновых реакциях восстановления СО2.

IV стадия — «темновые» реакции поглощения и восстановления углекислоты. Реакции проходят с образованием углеводов, в которых запасается солнечная энергия, поглощенная и преобразованная в «световых» реакциях фотосинтеза. Скорость «темновых» ферментативных реакций — 10–2—10–4 ñ.

Рассмотрим принципиальную схему фотосинтеза, которая показывает, что весь ход фотосинтеза осуществляется при взаимодействии трех потоков — потока энергии, потока электронов и

102

потока углерода. Сопряжение трех потоков требует четкой координации и регуляции составляющих их реакций.

Поглощение света пигментами зеленого листа происходит по следующим известным законам:

1.Только свет, который поглощается, может производить химическое действие.

2.Каждый квант активирует только одну молекулу.

3.Вся энергия кванта поглощается одним электроном, который поднимается на более высокий энергетический уровень.

Вероятность поглощения света зависит от длины волны и от относительной ориентации его электромагнитного поля по отношению к электронам в молекуле, которая этот свет поглощает.

На поглощение света влияет взаимное размещение электронов

âатоме или молекуле; это связано с тем, что электроны обладают так называемым спином (spin (англ.) — вращение). Каждый электрон можно рассматривать как заряженную частицу, которая вращается вокруг своей оси (как Земля). С таким кручением связан момент количества движения, или спин. Спин — вектор магнитных моментов. Величина спина всех электронов одинакова, но поскольку спин — векторная величина, он может иметь разные направления в пространстве (в атоме есть внутреннее магнитное поле). Поэтому возможны две ориентации: спин электрона может быть направлен параллельно или антипараллельно локальному магнитному полю. Весь спин атома или молекулы является векторной суммой спинов всех электронов. Величина полного спина обозначается символом S. Количество возможных ориентаций электронного состояния в пространстве спина или молекулы — спиновая мультиплетность — выражается формулой 2S 1, ãäå S — величина полного спина целого атома или молекулы. Например, если S 0, это значит, что проекция спинов всех электронов на направление магнитного поля взаимно уничтожается и величина 2S 1 равна 1, и такое положение называется синглетным. С другой стороны, когда S 1, такое положение называется триплетным (2S 1 3).

Синглеты и триплеты являются двумя наиболее важными спиновыми мультиплетностями, которые встречаются в биологиче- ских системах. Основное, или невозбужденное, состояние большинства молекул является синглетным, т. е. все электроны попарно размещены на орбиталях, владеющих минимальной энергией.

Когда электрон возбуждается и перемещается на другую незанятую орбиталь, возникают две возможности для спина. Спины двух электронов, размещенные на разных орбиталях, могут быть

103

противоположно направленными — это все еще синглетное состояние. Но спины двух электронов могут быть направлены в одну сторону, и возникает триплетное состояние. Не вдаваясь в детали, отметим, что существует правило: уровень, обладающий более высокой спиновой мультиплетностью, имеет более низкую энергию. Таким образом, возбужденное триплетное состояние имеет более низкую энергию, чем соответствующее возбужденное синглетное состояние.

В основном состоянии молекула хлорофилла является синглетом, как практически и все пигменты, имеющие значение для биологических систем.

Обычно электроны находятся на нижнем, основном, энергети- ческом уровне. Поглотив квант света, электрон переходит на более высокий энергетический уровень ( -орбиталь), а на основном остается электронная «дырка». Поглощенная энергия запасается в виде энергии электронного возбуждения. Это соответствует переходу молекулы в возбужденное состояние (рис. 2.6).

Ðèñ. 2.6. Переходы между возбужденными состояниями хлорофилла после поглощения кванта красного и синего света

Поглощение молекулой хлорофилла à (Õë à) одного кванта красного света (содержание энергии 41 ккал/энштейн) приводит к переходу молекулы в первое синглетное возбужденное состояние, протяженность жизни которого ~ 10–9 ñ.

104

Поглощение кванта синего света, который владеет большей энергией (65 ккал/энштейн), приводит к возникновению еще более короткоживущего (менее 10–12 с) другого возбужденного синглетного состояния. Первое возбужденное синглетное состояние может с поворотом спина и тратой тепла (10 ккал/моль) переходить в первое возбужденное триплетное состояние (протяженность жизни больше 10–4 ñ).

Таким образом, для хлорофилла характерны два основных возбужденных синглетных состояния, которые значительно отли- чаются по энергии. Одно из этих состояний может быть возбуждено с помощью красного света, например с длиной волны 680 нм. Второе такое состояние обладает большей энергией и возбуждается синим светом (например, 430 нм).

Вероятность возбуждения синглетного основного состояния до уровня возбужденного триплетного состояния обычно составляет только около 10–5 вероятности перехода в возбужденное синглетное состояние. При переходе от основного синглетного состояния до триплетного должна значительно увеличиваться энергия электрона и одновременно должна меняться ориентация его спина. Так как совпадение этих двух явлений маловероятно, очень малое количество молекул хлорофилла в результате поглощения света непосредственно возбуждается с основного состояния до триплетного.

Время нахождения электрона на верхнем уровне в возбужденном состоянии очень мало. При возвращении из возбужденного в основное состояние энергия может выделяться в виде тепла, в виде света (флуоресценция, фосфоресценция), затрачиваться на фотохимическую работу или передаваться другим молекулам, которые перейдут в свою очередь в возбужденное состояние.

Флуоресценция — явление, при котором вещество поглощает некоторые из падающих на него лучей и превращает их в лучи с более длинными волнами. Если источник света убрать, флуоресценция прекратится.

Часть поглощаемой энергии может высвечиваться, например хлорофилл высвечивает в виде красного света, а флуоресцирует вишневым цветом. Это доказывает, что часть поглощенной пигментом энергии не используется на фотосинтез, а выделяется снова с изменением длины волны. Флуоресценция тем сильнее, чем меньше поглощенной энергии света используется на фотосинтез.

Фосфоресценция — явление, при котором вещество выделяет свет с большим периодом времени затухания, что объясняется не-

105

обходимостью поворота спина и вследствие этого большей протяженностью самого возбужденного состояния.

Поглотив квант синего света, электрон выделяет часть энергии в виде тепла и переходит со второго в первое возбужденное синглетное состояние. Поэтому поглощение света в синей и красной областях спектра дает одинаковый спектр выделения флуоресценции (раствор флуоресцирует вишневым цветом независимо от того, какие кванты — синие или красные — поглотили пигменты), и выполняется одинаковое количество фотохимической работы.

Раствор пигментов флуоресцирует в 10 раз сильнее, чем живой лист, потому что в листе энергия растрачивается на фотохимическую работу, а в растворе — нет.

Фотохимическая работа представляет собой перенос электронов против градиента потенциала от вещества с большим положительным потенциалом к веществу с более отрицательным потенциалом. Более подробно о фотохимической работе поговорим позднее.

Итак, поглотив квант света, молекула пигмента переходит в короткоживущее возбужденное состояние, быстро выделяет эту энергию перечисленными выше путями (см. рис. 2.6) и переходит в основное состояние. Таким образом, первичные процессы дальнейших фотохимических реакций заключаются в акте поглощения света с последующей потерей (дезактивацией) возбужденного состояния.

Поглощение света является очень быстрым актом (10–15 с — синий свет).

Время, необходимое для реакции дезактивации возбужденного состояния, обычно выражают через время жизни.

Время жизни — это время, которое необходимо, чтобы количе- ство молекул в данном состоянии (в данном случае в возбужденном) уменьшалось на 63 %; для оценки времени жизни используется также период полуразрушения (когда количество уменьшается на 50 %).

Дезактивация возбужденного состояния, как нами отмеча- лось, происходит за счет таких процессов, как фотохимическая работа, флуоресценция, фосфоресценция и безызлучательные переходы (в виде тепла). Последние переходы очень быстрые (10–12 с), поэтому при переходе из одного возбужденного синглетного состояния к другому нет шанса на выделение флуоресценции. Безызлучательные переходы характерны и для других состояний. Время жизни при флуоресценции для большинства органических молекул около 10–9—10–8 с, для фосфоресценции — 10–3—10–2 ñ.

106

Для описания процессов снятия возбуждения, подобно тем, какие происходят на первом этапе фотосинтеза, часто используется понятие квантового выхода (Ф):

Ô	Количество молекул, дезактивирующихся i-путем			.
Количество поглощенных квантов			i

Рассмотрим квантовый выход флуоресценции хлорофилла. Время жизни при флуоресценции самого низкого возбужденного синглетного хлорофилла в эфире i 1,5 10–8, тогда как наблюдаемое время жизни для процесса дезактивации этого возбужденного состояния в подобных условиях (эфире) составляет 0,5 10–8 с, следовательно:

Ô0,5 10 8 0,33, 1,5 10 8

что совпадает с наблюдаемым в опыте.

2.6. Передача энергии возбуждения фотосинтетическими пигментами

Пигменты в хлоропластах образуют у высших растений две системы. Каждая из них составляет фотосинтетическую единицу, которая входит в фотосистемы I и II, и состоит из набора молекул вспомогательных пигментов, передающих энергию на одну молекулу основного пигмента (Р700 è Ð680). Последние молекулы входят в состав реакционных центров. В реакционных центрах энергия используется для осуществления химической реакции, центрального звена фотосинтеза.

Пигменты, входящие в состав систем, делят на пигментыловушки и пигменты-сборщики. Пигмент-ловушка может преобразовывать энергию. Пигмент-сборщик квантов света передает поглощенную энергию пигменту-ловушке. В пигментных системах ловушками являются Р700 è Ð680. Остальные пигменты — сборщики. В результате фотосинтез может происходить и при освещении светом, поглощенным не хлорофиллом à, а, например, каротиноидами.

Итак, первой стадией фотосинтеза является поглощение света, затем идет перенос энергии возбуждения и дальше фотохими- ческие стадии в виде химических реакций (рис. 2.7).

107

Ðèñ. 2.7. Схематическая иллюстрация группы пиг-

ментов, действующих совместно в качестве фотосин-

тетической единицы, которая собирает кванты света

и передает возбуждение на специальный хлорофилл

(Хл-ловушка)

Поскольку фотохимические реакции происходят только на участке Хл-ловушки (Р700 è Ð680), энергия возбуждения, возникающая в результате поглощения света вспомогательными пигментами или обычным Хл à, должна мигрировать к реакционному центру (Хл-ловушка) до того, как будет использована для фотосинтеза. Молекулы Р700 è Ð680 немногочисленны в сравнении с другими фотосинтетическими пигментами, поэтому поглощают небольшую часть падающего света. Действительно, в зеленых растениях в обычных условиях больше 90 % всех поглощенных фотонов приходится на вспомогательные пигменты и хлорофилл à.

Перенос или миграция энергии возбуждения происходит в направлении от вспомогательных пигментов к хлорофиллу à, затем к специальному хлорофиллу (Р700 è Ð680), где происходят фотохимические реакции. Следовательно, общим результатом стадии является сбор энергии возбуждения, вызванной светом, и передача ее на реакционный центр.

108

Наиболее общепризнанным механизмом передачи электронного возбуждения между молекулами пигментов является резонансный перенос. Чтобы произошел этот перенос энергии, возбужденная молекула должна индуцировать возбужденное состояние в другой молекуле, находящейся в непосредственной близости от нее.

Перенос электронного возбуждения происходит тогда, когда индуцируется колебание электрона в другой молекуле. Когда перенос возбуждения завершен, колебания электрона в первой молекуле прекращаются и возникают колебания электрона в другой молекуле, которая, в свою очередь, переходит в возбужденное состояние. Таким образом, резонансный перенос возбужденного состояния от одной молекулы к другой подобен механизму первич- ного поглощения света в том отношении, что колебания некоторого электрона в молекуле индуцируются локально изменяющимся электрическим полем.

Надо также отметить, что для резонансного переноса электронного возбуждения необходимо, чтобы энергия, которую может передать возбужденная молекула, соответствовала энергии, которую может принять другая молекула.

Вероятность резонансного переноса электронного возбуждения изменяется обратно пропорционально шестой степени расстояния между молекулами (расстояние увеличилось в два раза, перенос ослабился в 64 раза). Резонансный перенос энергии между молекулами хлорофилла возможен только в том случае, когда молекулы расположены относительно близко одна от другой (расстояние между ними не более 5—10 нм) и в определенной последовательности. Следовательно, пигменты должны располагаться в мембранах. Действительно, как оказалось, они находятся в тилакоидных мембранах хлоропластов. Расстояние (около 2,8 нм) между центрами молекул хлорофилла в тилакоидных мембранах хлоропластов обеспечивает резонансный перенос энергии возбуждения. Как спектральные свойства хлорофилла, так и расстояние между его молекулами в мембране содействуют эффективной миграции энергии возбуждения от молекулы к молекуле по механизму резонансного переноса.

Например, у красных водорослей перенос энергии происходит следующим образом: фикоэритрин (570 нм) фикоцианин (630 нм) аллофикоцианин (650 и 670 нм) хлорофилл à (670—680 íì).

Таким образом, световая энергия, поглощенная большим количеством молекул пигментов, может использоваться одной хи-

109

мически активной системой, которая включает молекулу (или группу молекул) пигмента и связанные с ней доноры и акцепторы электронов. Это уницентральная (автономная) модель фотосинтетической единицы, где поглощаемая комплексом пигментов энергия может быть направлена только в свой реакционный центр.

Но существует модель мультицентральной (статической) фотосинтетической единицы. В этом случае комплекс светособирающих молекул пигментов содержит несколько реакционных центров и энергия, поглощенная пигментами комплекса, может мигрировать к любому реакционному центру.

Пигмент Р700 поглощает более длинноволновой свет, чем остальные хлорофиллы à, поэтому возбужденное синглетное состояние Р700 характеризуется более низкой энергией. Следовательно, энергетически допустимо, чтобы Хл à680 вызывал резонансное возбуждение Р700, тогда как Р700 не способен переносить возникшее в нем возбуждение на Хл à680. Поэтому возбужденные синглетные состояния других молекул Хл à могут передавать свою энергию возбуждения на Р700, но не наоборот (подобно необратимости миграции энергии возбуждения с вспомогательных пигментов на Хл à). Таким образом, возбуждение, возникшее в результате поглощения света разными фотосинтетическими пигментами, стекается к Р700.

Передача энергии происходит путем резонансного переноса от пигментов, поглощающих свет меньшей длины волны (коротковолновых), к пигментам, поглощающих свет большей длины волны (длинноволновых): от каротиноидов к хлорофиллам, от хлорофилла b к хлорофиллу à: каротин (440—550 нм) хлорофилл b (650 нм) хлорофилл à (660—675 íì) Ð680 (II система).

Возбуждение (перенос энергии) может также мигрировать по механизму резонансного переноса и от вспомогательных пигментов к хлорофиллу à. Эффективность переноса энергии между молекулами хлорофилла à может достигать 100 %, тогда как эффективность переноса энергии возбуждения от других молекул пигмента значительно варьирует. В частности, перенос возбуждения от некоторых каротиноидов (например, - и -каротин, лютеин) на хлорофилл менее эффективен: только около 40 % энергии возбуждения может переносить на хлорофилл à. В то же время фикобилины передают до 90 % энергии, а эффективность переноса фикоцианином, который встречается в бурых диатомовых водорослях, на хлорофилл à приближается к 100 %.

110

2.7. Организация и функционирование фотосистем I и II

Â1905 г. англичанин Ф. Бекман, изучая фотосинтез при различной освещенности и температуре, выявил, что при слабом свете продуктивность фотосинтеза целиком зависит от освещения и растет вместе с ней, но до определенной границы. Рано или поздно свет прекращает свое действие. Было сделано предположение, что фотосинтез можно разделить на две фазы: реакции световые, не зависящие от температуры, и темновые, не зависящие от света, но зависящие от температуры. Первичное экспериментальное подтверждение наличия двух фаз фотосинтеза было получено в опытах со вспышками света. В 1920 г. О. Варбург решил выяснить, что лучше для фотосинтеза — яркий свет или темнота, которая прерывается световыми вспышками. Вывод: темновая фаза во много раз длительней световой; во время вспышки света растение запасает энергию, которая необходима для каких-то темновых процессов,

связанных с фиксацией СО2. Этот последний процесс идет медленно и пока не окончится, растению света не требуется.

Таким образом, в фотосинтезе есть световые и темновые реакции. В ходе первых, происходящих в мембране тилакоидов, идет фотоокисление воды, выделение кислорода, синтезируются АТФ

èНАДФН. В темновых реакциях происходит связывание углекислоты и образование углеводов.

Âпроцессе фотосинтеза принимают участие две фотосистемы. Фотосистема — это совокупность светособирающего комплекса (ССК), фотохимического реакционного центра и связанных с ним молекул — переносчиков электрона. По современным представлениям фотосистема является важнейшим структурно-функциональ- ным звеном фотосинтетического аппарата.

Мысль о наличии в хлоропластах двух фотосистем высказал Р. Эмерсон в 1957 г. Он выявил, что красный свет с длиной волны более 700 нм становится очень эффективным, когда используется вместе с коротковолновым светом. Это явление, названное «эффектором усиления Р. Эмерсона», положено в основу гипотезы, согласно которой фотосинтез включает две разные световые реакции; оптимальные условия для фотосинтеза складываются в слу- чае, когда эти две реакции идут одновременно. Эту гипотезу подтвердило непосредственное выделение из хлоропластов высших растений отдельных фотосистем (ФС I и ФС II).

111