Световая фаза фотосинтеза (фотофизические и фотохимические процессы фотосинтеза)

Переход электрона на более высокий энергетический уровень, как уже говорилось, позволяет возбужденной молекуле пигмента-ловушки П₇₀₀ или П₆₈₀ отдавать электроны. Электрон уходит к молекуле другого вещества, инициируя таким образом транспорт электронов; молекула П₇₀₀ или П_б80 при этом окисляется и становится заряженной положительно. Электрон, получивший достаточное количество энергии, переходит от пигменталовушки к молекулам других веществ, находящимся рядом и называемым переносчиками элеюпронов. На каждом переносчике теряется определенная часть этой энергии, после чего электрон переходит к следующему переносчику, где процесс повторяется. Порядок расположения молекул переносчиков в мембранах хлоропласта зависит от величины их окислительно-восстаиовителыюго потенциала (Е'₀), т. е. от их способности присоединять или отдавать электроны. В процессе транспорта электрона по цепи переносчиков часть его энергии превращается в химическую, за счет этой энергии из АДФ и Ф_н синтезируется АТФ. При образовании химической связи между АДФ и Ф_н запасается значительное количество энергии.

(около 30,4 кДж/моль). Эта энергия освобождается в процессе реакций, при которых данная связь разрывается. Синтез АТФ за счет энергии света называется фотосинтетическим фосфорилированием.

Переносчики электронов

Переносчиками электронов являются железо-серные белки, цитохромы, пластохиноны, флавиновые ферменты, пластоцианин и пиридиннуклеотиды. Одновременно с электронами некоторые переносчики транспортируют через тилакоидную мембрану протоны. В процессе транспорта молекула, отдающая электрон или протон, окисляется, а молекула, присоединяющая электрон или протон, восстанавливается.

Цитохромы были открыты в 1925 г. Д. Кейлином как соединения, которые могут быстро окисляться и быстро восстанавливаться. Это белки, с которыми связаны одно или два тетрапиррольных кольца. Тетрапироллы цитохромов очень похожи на тетрапирролы хлорофиллов, только у хлорофиллов в центре тетрапиррольного кольца содержится магний, а у цитохромов — железо. Тетрапиррольное кольцо цитохрома с центральным атомом железа называется гемом (рис. 4.8). Атом железа, прочно связанный с четырьмя атомами азота, присоединяя электрон, переходит из окисной формы (Fe³⁺) в закисную (Fe²⁺), а теряя его, опять окисляется, поэтому цитохромы работают как переносчики одного электрона. Гемы всегда соединены с гидрофобными группами мембранных белков. Гем служит составной частью не только цитохромов, но также каталазы и ряда других ферментов.

Рис. 4.8. Строение железо-серных центров двух типов:

а — центр тина 2Fe-2S; б — центр типа 4Fe-4S

Цитохромы найдены во всех живых организмах, они участвуют не только в процессе фотосинтеза, но и в дыхании. В растениях имеется несколько цитохромов, различающихся по структуре гема, величине окислительно-восстановительного потенциала и обозначаемых как цитохром а, Ь, с, /. В световой фазе фотосинтеза участвуют цитохромы b_G и /, образующие комплекс. Цитохром/, названный так потому, что находится в листьях (от лат. folio — лист), является одноэлектронным переносчиком с окислительно-восстановительным потенциалом Е'₀ = +0,36 В. Его концентрация в листе составляет 0,25% от общей концентрации хлорофилла.

Цитохром-/?_б/-комплекс присутствует в равных количествах в мембранах тилакоидов стромы и гран. В мембранах гран он участвует в нециклическом транспорте электронов, а в мембранах стромы — в циклическом (см. далее). Цитохромный /?₆/-комплекс окисляет пластохиноны и восстанавливает пластоцианин. Во время окислительно-восстановительных реакций с участием этого комплекса одновременно происходит перенос протонов через мембрану тилакоида из стромы хлоропласта в люмен, в результате возникает электрохимический градиент протонов, энергия которого используется для синтеза АТФ. Следовательно, цитохром-6_б/-комплекс работает как протонный насос.

Важную группу переносчиков составляют железо-серные белки (Fe-Sбелки). В молекулах этих белков два или четыре атома железа связаны с таким же числом атомов неорганической серы или серы в цистеине, образуя железо-серный центр белка. В зависимости от количества атомов железа и серы в центре различают 2Ее-25-белки и 4Ее-45-белки (рис. 4.9). Каждый центр способен принимать или отдавать только один электрон. Стандартные Е'₀ этих белков колеблются от -0,42 В до +0,35 В. Железосерные белки — универсальные переносчики электронов, участвующие не только в световой фазе фотосинтеза.

Рис. 4.9. Строение гема, ковалентно связанного с цитохромом.

В группу железо-серных белков входит и белок Риске — периферический белок, не связанный прочно с мембраной. Окислительно-восстановительный компонент его представляет собой 2Ее-28-центр, способный переносить один электрон; железо в центре негеминовое.

Ферредоксин — водорастворимый белок с молекулярной массой 11 кДа, содержащий железо в негеминовой форме. Хлоропласты содержат три типа ферредоксинов: растворимый ферредоксин, имеющий потенциал E₉ = = -0,43 В и содержащий 2Fe-2S-ucHTp, а также два ферредоксина, связанных с мембраной, которые сокращенно называют Фд₅9₀ и Фд₅₄₀ по величине их потенциалов Е₉, равных соответственно -0,59 и -0,54 В. Ферредоксины Фд₅₉₀ и Фд₅₄₀ содержат 4Fe-4S-neHTpbi. Ферредоксин принимает и передает только один электрон. Восстановленный ферредоксин — сильный восстановитель (Е₉ = -0,43 В).

Железо-серные белки и ферредоксин участвуют в восстановлении НАДФ+ (Eq = -0,32 В). Процесс катализирует ферредоксин НАДФ-оксидоредуктаза (ФНР), коферментом которой является ФАД. В хлоропластах растворимый ферредоксин образует с этим ферментом комплекс, связанный с наружной поверхностью мембраны тилакоида и восстанавливающий НАДФ⁺. Электроны для восстановления он получает от восстановленного ферредоксина. Окислительно-восстановительный потенциал комплекса равен -0,36 В. Кроме того, восстановленный ферредоксин (Фд_восст) может быть источником электронов для процессов восстановления нитритов и ассимиляции серы, происходящих в хлоропластах (см. параграф 6.4).

Хиноны — подвижные переносчики, располагающиеся в липидном слое мембраны. Их обычно обозначают буквой X или Q (от англ, quinon). Хиноны, участвующие в световой фазе фотосинтеза, получили название пластохинонов (ПХ или PQ), т. е. хинонов пластид (хлоропластов). Концентрация пластохинонов достигает 5—10% от общей концентрации хлорофилла. Пластохинон состоит из ароматического кольца и боковой цепи из девяти остатков изопрена. Его Е'₀ близок к нулю. Пластохиноны работают как двухэлектронные системы. Принимая или отдавая электроны, пластохинон (ИХ) может превращаться в восстановленную (пластохинол; ПХ-Н₂) или полувосстановленную (семихинол; ИХ^-) форму. Все формы пластохинонов объединяют под общим названием пула пластохинонов (от англ, pool — группа, фонд). Пластохиноны переносят электроны от ФС—II к цитохромному 6₆/-комплексу. Они также могут передавать электроны от ФС—I к цитохром-/?_б/-комплексу (см. далее). Свободно передвигаясь в липидном бислое, пластохиноны соединяют белковые комплексы и могут одновременно с двумя электронами переносить через мембрану два протона из стромы хлоропласта в люмен. Эти два протона важны для синтеза АТФ.

Хиноны обладают двумя свойствами, очень важными для переноса протонов через мембрану при работе ЭТЦ: 1) они могут захватывать или освобождать два протона на границе раздела двух фаз — липид (вода) с любой стороны мембраны; 2) в ходе электронного транспорта хиноны могут принимать или отдавать только один электрон, находясь при этом в течение какого-то времени в форме анион-радикала — семихинона (Q*^-). К хинонам относится и находящийся в хлоропластах витамин Kj (Е'₀ около 0,8 В).

Пластоцианин (Пц) — это небольшой белок (молекулярная масса 10,5 кДа), он растворяется в воде и поэтому располагается в люмене тилакоидов. В состав его молекулы входит атом меди, придающий ему синий цвет; его Е₍', = +0,37 В. Атом меди может менять степень окисленности с Си⁺ на Си²⁺, поэтому он работает как одноэлектронный переносчик. Пластоцианин восстанавливает окисленный пигмент 11-₀₀ и окисляет цитохром / цитохром-/;_(;/-комплекса хлоропластов.

Пиридиннуклеотиды. Никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ) является коферментом НАДФ-зависимых дегидрогеназ, которые катализируют реакции отдачи или присоединения двух атомов водорода, при этом коферменты переносят гидридион Нг (2е~ + Н⁺); протон берется из водной среды или отдается в нее. Большая часть НАДФ (Н) растворена в водной среде, так как его связи с ферментами непрочные и возникают только в момент ферментативной реакции. Его стандартный окислительновосстановительный потенциал Е'₀ равен -0,32 В.

В транспорте электронов от воды на Пе₈₀ участвует остаток тирозина одного из белков (тирозин Z; Туг_г).

Переносчики образуют электронтранспортную цепь (ЭТЦ). ЭТЦ содержит также трансмембранные белки, организующие ее пространственное положение в мембранах тилакоидов гран и стромы. Вещества-переносчики располагаются в порядке возрастания их окислительно-восстановительного потенциала. Электрон спонтанно передвигается к веществу с менее отрицательным потенциалом. При этом переносчики электронов (цитохромы) чередуются с переносчиками электрона и протона (пластохиноны).

Итак, свободная энергия, освобождаемая при транспорте электронов, запасается частично в форме восстановленных ферредоксина и НАДФ, большая часть запасенной энергии используется для синтеза АТФ. Функция ЭТЦ — накопление световой энергии в соединениях с высоким энергетическим потенциалом. Таким образом, фотосинтез — процесс преобразования электромагнитной энергии в энергию химических связей.