13.Реакции, связанные с выделением кислорода в фотосинтезе

Окрашенные бактерии содержат пигменты, относящиеся к группе хлорофиллов, а именно бактериохлорофиллы, и синтезируют органическое вещество из неорганических соединений при участии энергии света. Однако этот процесс не сопровождается выделением кислорода. Это связано с тем, что в качестве источника протонов и электронов бактерии используют не воду, а сероводород или другие соединения. Такой тип ассимиляции С02 получил название бактериального фотосинтеза. Использование воды в качестве источника водорода дало зеленым растениям в процессе эволюции огромное преимущество в силу повсеместного ее присутствия. Высказанное предположение получило экспериментальное подтверждение в работах академика А.П. Виноградова (1941). Он провел анализ изотопного состава кислорода разного происхождения. Оказалось, что кислород, выделенный из воды, воздуха и образующийся при фотосинтезе, имеет одинаковое соотношение изотопов, тогда как кислород С02 содержит относительно больше тяжелых изотопов. На основании этих исследований было сделано два вывода:

1) в процессе фотосинтеза разлагается вода;

2) в процессе фотосинтеза выделяется кислород, который является основным источником кислорода воздуха.

Поскольку весь кислород фотосинтеза выделяется из воды, общее уравнение фотосинтеза принимает следующий вид:

6С0₂ + 12Н₂0+hv -> С₆Н₁₂0₆ + 60₂ + 6Н₂0

Рассмотрение этого уравнения показывает, что фотосинтез — это окислительно-восстановительный процесс, в котором вода окисляется до 0₂, а углекислый газ восстанавливается до углеводов.

В 1937 г. Р. Хилл показал, что изолированные хлоропласты на свету в присутствии какого-либо легко восстанавливающегося вещества (акцептора водорода) окисляют воду. При этом выделяется кислород. В качестве акцептора водорода в опытах Хилла был использован хинон. При этом выделение кислорода хлоропластами на свету протекает в отсутствие углекислого газа (реакция Хилла):

2Н₂0 + hv = 4Н⁺ + 4е^- + 0₂;

хинон + 4Н⁺ + 4е^- = гидрохинон

Дальнейшие исследования показали, что те же самые ингибиторы, которые тормозят реакцию Хилла, приостанавливают и выделение кислорода в процессе фотосинтеза. Это дало основание считать, что световая фаза фотосинтеза включает разложение воды. Эти опыты также позволили установить возможность разделения двух процессов:

1) выделение кислорода;

2) восстановление С02.

Таким образом, в процессе фотосинтеза происходит разложение воды, на что затрачивается энергия света. В 1950 г. было показано, что вместо искусственных акцепторов водорода, примененных Хиллом, можно использовать естественный кофермент — НАДФ. Изолированные хлоропласты на свету восстанавливают НАДФ, одновременно выделяется кислород. Однако сущность происходящих на свету реакций была выяснена лишь в 1954 — 1958 гг. благодаря работам Д. Арнона.

14. Структура электронтранспортной цепи фотосинтеза

Образование восстановленного НАДФН и АТФ в хлоропластах связано с работой электроно-транспортной цепи (ЭТЦ) фотосинтеза. Электроно-транспортная цепь – это цепь редокс-агентов, определенным образом расположенных в мембране хлоропластов, осуществляющих фотоиндуцируемый транспорт электронов от воды к НАДФ+.

Движущей силой транспорта электронов по ЭТЦ фотосинтеза являются окислительно-восстановительные реакции в реакционных центрах (РЦ) двух фотосистем.

Первичное разделение зарядов в РЦ ФСI приводит к образованию сильного восстановителя, окислительно-восстановительный потенциал которого обеспечивает восстановление НАДФ+ через цепь промежуточных переносчиков. В РЦ ФСII фотохимические реакции ведут к образованию сильного окислителя П⁺680, который вызывает ряд окислительно-восстановителльных реакций, приводящих к окислению воды и выделению кислорода. Восстановление П+700 в РЦ ФСI происходит за счет электронов, мобилизованных из воды фотосистемой II, при участии промежуточных переносчиков. В отличие от первичных фотоиндуцированных реакций разделения зарядов в реакционных центрах, идущих против термодинамического градиента, перенос электронов на других участках ЭТЦ идет по градиенту ОВП и сопровождается высвобождение энергии, которая используется на синтез АТФ.

Компаненты ЭТЦ хлоропластов:

1. Ряд переносчиков, общих для редокс. цепей живых организмов (цитохромы, железосерные белки, хеноны, пиридиннуклеотиды).

2. специфические переносчики электронов: циклические тетрапирролы (хлорофиллы реакционных центров, феофетин), Mn-содержащий кластер (осуществляет окисление воды), некоторые аминокислотные остатки белков (тирозин в ФСII) и медьсодержащий белок пластоцианин.

3. Некоторые аминокислотные остатки белков (типозин в ФС II) и медьсодержащий белок (пластоцианин).

Редокс-агенты ЭТЦ хлоропластов:

– включены в состав трех интегральных мультипептидных комплексов, расположенных в мембранах тилакоидов, – ФСI, ФСII и b6–f–комплекс (функциональные комплексы);

– некоторые компоненты ЭТЦ свободно перемещаются по поверхности мембраны (пластоцианин, ферредоксин) или в ее толще (пластохиноны) и осуществляют связь между функциональными комплексами.

15.Фотосинтетическое фосфорилирование. Характеристика основных типов фотофосфорилирования: циклического, нециклического, псевдоциклического. Физиологическое значение основных типов фотофосфорилирования

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.

Исходя из данных о квантовом выходе фотосинтеза (необходимы 8 квантов света для выделения одной молекулы О2) 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).

Z-схема, или схема нециклического транспорта электронов:

В ФСII 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 II – QA и QB, на пул липидорастворимых молекул пластохинона (PQ), переносящих через липидную фазу мембраны электроны и протоны, на железосерный белок FeSR и цитохром f цитохромного комплекса b6–f, восстанавливая Cu-содержащий белок пластоцианин (Пц).

Вакантные места («дырки») в П680 заполняются двумя электронами из содержащего Мn 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 Мn, Сl^– и 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 П+700 переходят электроны с Пц, и нециклическая цепь переноса электронов таким образом замыкается.

Энергия, освобождающаяся при движении электронов от П680 (Е'о = – 0,8 В) до П700 (Е'о = +0,4 В), используется для синтеза АТР из ADP и неорганического фосфата (фотофосфорилирование).

Таким образом, нециклический транспорт электронов сопровождается выделением кислорода и восстановлением НАДФ+ и сопряжен с синтезом АТФ (нециклическое фотофосфорилирование).