Циклический транспорт электронов и реакция Мелера

Фотофизические и фотохимические реакции фотосинтеза. Характеристика фотосистемы I и фотосистемы II. Эффект Эмерсона. Электрон-транспортная цепь хлоропласта. Образование кислорода при фотосинтезе.

Добавочные пигменты хлоропластов (каротиноиды и фикобилипротеиды).

Световая фаза фотосинтеза состоит из трех этапов и включает в себя фотофизические и фотохимические процессы.

Первый этап: фотофизический. Энергия света поглощается, переходит в энергию электронного возбуждения пигментов и передаётся в реакционный центр фотосистем. Эти фотофизические процессы протекают в светособирающих антенных комплексах.

Второй этап: фотохимический. Энергия возбуждения пигментов используется для разделения зарядов в реакционном центре фотосистем. Это центральный момент фотосинтеза, потому что именно в этом процессе происходит преобразование физической формы энергии в химическую.
Третий этап: биохимические процессы, в ходе которых образуется НАДФН, синтезируется АТФ, а при фотоокислении воды в виде побочного продукта выделяется О₂. Эти процессы происходят в тилакоидах хлоропластов при переносе электронов по цепи переносчиков.

Большая часть фотосинтетических пигментов тилакоидных мембран находится в форме пигмент-белковых комплексов, образуя фотосинтетические единицы (ФСЕ). Они включают антенный комплекс, функционально сопряженный с реакционным центром.

Идея о существовании в хлоропластах двух фотосистем была высказана Р. Эмерсоном. Он изучал зависимость эффективности фотосинтеза от длины волны света. Объектом служила хлорелла, у неё он анализировал влияние света на квантовый выход фотосинтеза (к-во О₂, выделившихся при фотосинтезе, в расчете на 1 квант поглощённой энергии).

Эмерсон установил, что наиболее эффективен для фотосинтеза у хлореллы красный свет (650-680 нм) и синий свет (400-600 нм). Но если увеличивать длину волны, то квантовый выход фотосинтеза резко падает. Если же хлореллу освещать и коротковолновым и длинноволновым красным светом одновременно, то суммарный эффект будет выше, чем при действии каждого вида лучей в отдельности. Это явление носит название эффекта Эмерсона. Эти опыты показали, что для световых процессов фотосинтеза необходимо взаимодействие двух фотосистем.

Фотосистема II высших растений и зеленых водорослей состоит из реакционного центра, который включает первичный донор электронов – димер хлорофилла а с максимумом поглощения 680 нм; два первичных акцептора электронов феофетина а; вторичные акцепторы – молекулы пластохинона. Ядро реакционного центра составляют два мембранных белка (D1 и D2.), они служат основой для связывания простетических групп реакционного центра, выполняющих функции переносчиков электронов. Другие белки формируют внутренний светособирающий комплекс, участвуют в выделении кислорода при фотоокислении воды или выполняют другие функции. В кислород-выделяющий комплекс входят Mn-содержащий кластер и кофакторы кальций и хлор. Остаток аминокислоты тирозина белка D1 выступает посредником между кислород-выделяющим комплексом и хлорофиллом.

Фотосистема I высших растений и водорослей представляет собой интегральный пигмент-белковый комплекс, состоящий из 13 пептидов. В структуре комплекса выделяют центральную часть из двух крупных белков (А и В) и два периферийных домена — со стороны стромы (белки C, D и E) и стороны люмена (белки F и N). К комплексу белков фотосистемы I примыкают белки внешней антенны ССК I. Белки А, В и С включают первичный донор электронов — димер хлорофиллов а с максимумом поглощения 700 нм; по одному дополнительному хлорофиллу а; по одной молекуле первичного 700 П акцептора — мономера хлорофилла а; по одной молекуле вторичного акцептора — витамина K1, филлохинона; терминальные акцепторы — белки, содержащие железосерные (Fe4S4) кластеры. От терминальных акцепторов электроны поступают на водорастворимый железосерный (Fe2S2) белок ферредоксин, а затем на растворимый флавопротеин —ферредоксин-НАДФ-редуктазу (ФНП). Двойной набор дополнительных хлорофиллов, первичных акцепторов и филлохинонов формируют две практически симметричные ветви транспорта электронов от П700 к FX.

Комплекс цитохромов b 6 / f состоит из цитохрома b 6 (цит b 6), цитохрома f (цит f), железосерного белка Риске (Fe₂S₂)_R и субъединицы IV.

Цитохром b 6 и субъединица IV являются наиболее гидрофобными элементами комплекса. Основная часть молекулы цитохрома f расположена в полости тилакоида, в то время как ее С-концевой участок находится на его поверхности. Простетическая группа цитохрома f представлена гемом с -типа. Простетическую группу цитохрома b 6 составляют два гема b -типа, ковалентно связанные с остатками гистидина. Эти два гема называют низкопотенциальным (L) и высокопотенциальным (H). От комплекса цитохромов b 6 / f электроны передаются на пластоцианин (Пц) — водорастворимый белок, содержащий два атома меди, который восстанавливает окисленную форму хлорофилла П700. Комплекс цитохромов b 6 / f функционирует в тилакоидной мембране в виде димера. Реакционными центрами фотосистем называют хлорофилл-белковые комплексы, способные к первичному фотохимическому разделению зарядов. При этом хлорофилл П680 служит первичным донором электрона в реакционном центре фотосистемы II, а хлорофилл П700 — в реакционном центре фотосистемы I. Обычно время жизни возбужденных электронов ароматических соединений составляет около 5 *10^-9 с. За такое время энергия возбужденного состояния молекулы либо переходит в тепло, либо испускается в виде кванта флуоресценции. Для того чтобы эта энергия могла использоваться для разделения зарядов и преобразования физической формы энергии в химическую, скорость передачи энергии возбуждения должна быть больше, чем испускание квантов флуоресценции. Поэтому время передачи энергии в реакционных центрах фотосистем должно составлять несколько пикосекунд. Главная особенность первичных процессов фотосинтеза как раз и заключается в том, что отрыв электрона от хлорофилла (первичное разделение зарядов) и восстановление первичного акцептора (феофетина) происходит очень быстро — за 3 пикосекунды. Именно поэтому эффективность передачи энергии возбужденного электрона в реакционных центрах фотосистем близка к 100%. Образующаяся при этом окисленная форма хлорофилла П680 приобретает способность "отнимать" электроны у белков кислород-выделяющего комплекса, а те, в свою очередь, — у воды.

Разделение зарядов в реакционном центре фотосистемы II условно можно разделить на три этапа.

На первом этапе под действием света происходит возбуждение молекулы хлорофилла. На втором этапе электрон передается первичному акцептору феофитину. При этом хлорофилл переходит в окисленную форму (П680), а феофитин восстанавливается. Появление неспаренного электрона в молекуле хлорофилла инициирует переход на нее электрона от кислород-выделяющего центра. Посредником между Mn-кластером кислород-выделяющего центра и П680 служит редокс-активный остаток тирозина белка D1. На заключительном этапе электрон от восстановленной формы феофетина поступает на первичный хинон QA, а затем на вторичный хинон QB. После этого электроны уже выходят за пределы реакционного центра фотосистемы II и идут на восстановление липидорастворимого пула пластохинонов.

Процесс первичного разделения зарядов в фотосистеме I происходит аналогичным путем. От возбужденного под действием света П700 электроны вначале переносятся на первичный акцептор хлорофилл A0, затем на вторичный акцептор филлохинон (A1) и на белок FX. Дефицит электронов у окисленного П700 восполняется за счет их поступления из фотосистемы II через медь-содержащий белок — пластоцианин. Затем электроны от белков, содержащих железосерные кластеры FA/FB фотосистемы I, переносятся на ферредоксин. Перенос электрона по фотосинтетической цепи приводит к восстановлению переносчиков и к появлению конечных продуктов — АТФ и НАДФН, которые вступают в ферментативные реакции.

Под вторичным разделением зарядов понимают процесс генерации на мембране тилакоида градиента протонов. Следует подчеркнуть, что электрохимический градиент ионов водорода, формируемый в процессе разделения зарядов на тилакоидной мембране, представляет собой уже электрическую форму энергии, которая c помощью АТФ-синтазы может быть трансформирована в химическую энергию макроэргической связи АТФ.

Одним из важнейших эволюционных "приобретений" живой природы является способность фотосинтезирующих организмов окислять воду с выделением молекулярного кислорода за счет энергии солнечного света. Именно оксигенный фотосинтез привел к появлению в атмосфере значительных количеств молекулярного кислорода, что привело к переходу биоэнергетики с анаэробного на качественно новый и более эффективный аэробный тип метаболизма.

В результате разделения зарядов в реакционном центре фотосистемы II образуется самый сильный биологический окислитель — хлорофилл П680, окислительно-восстановительный потенциал которого достаточен для окисления воды. Для объяснения механизма фотоокисления (фотолиза) воды наиболее часто используют "гипотезу Кока". В основе этой гипотезы лежит представление об" S -системе", которая осуществляет одновременное 4-электронное окисление двух молекул воды без образования каких-либо промежуточных продуктов:

2H₂O-- 4 e--> 4H⁺+ O₂

В кислород-выделяющий центр входят Mn-содержащий кластер белка D1 и, как кофакторы — кальций и хлор. Согласно модели Кока " S -система" окисления воды, в зависимости от уровня окисления ионов марганца, может находиться в пяти функционально различных состояниях — S 0, S 1, S 2, S 3 и S 4. В ходе " S -цикла" происходит последовательное изменение валентности составляющих кластер атомов марганца. Переход из одного состояния в последующее происходит при попадании одного кванта света и удалении одного из электронов из системы через остаток аминокислоты тирозина белка D1. Выделение молекулярного кислорода из двух молекул воды происходит лишь при переходе из состояния S 3 в состояние S 4, причем, поскольку состояние S 4нестабильно, оно сразу же переходит в S 0. При окислении двух молекул воды в 4-тактном процессе окисления также совершается последовательное выделение 4-х протонов в люмен тилакоида.

Z -схема фотосинтеза и транспорт электронов в фотосистемах I и II

Z -схема фотосинтеза.

Последовательность расположения отдельных элементов ЭТЦ в тилакоидных мембранах хорошо иллюстрирует Z-схема фотосинтеза. Вертикальными длинными стрелками показан процесс поглощения света в реакционном центре и переход молекул хлорофиллов П680 и П700 в возбужденное состояние.

Сплошными стрелками отмечен нециклический перенос электронов по цепи. Стрелками с точками и пунктиром показан циклический путь электронов в фотосистеме I и реакция Мелера. (Об этом читайте ниже). При нециклическом транспорте электрона в фотосистемах I и II синтез АТФ сопряжен с образованием НАДФН и выделением O2. В случае циклического переноса электрона по замкнутому участку цепи в фотосистеме I в качестве единственного продукта образуется АТФ. Следует отметить также, что отдельные элементы электронтранспортной цепи расположены в соответствии с величиной их окислительно-восстановительного (редокс) потенциала. При фотосинтезе окислительно-восстановительные потенциалы реакций переноса электронов обычно лежат в диапазоне от +0,82 В (H2O/O2) до -0,42 В (ферредоксин).

Транспорт электронов в фотосистеме II. При поглощении энергии фотосистемой

II хлорофилл П680 переходит в возбужденное состояние и передает электроны феофитину. Окисленная форма хлорофилла (П680) восстанавливается электронами, поступающими от тирозинового остатка (YZ) белка D1 реакционного центра фотосистемы II. Восстановление окисленной формы YZ осуществляется электронами, выделяющимися при фотоокислении воды. От феофитина электроны идут на пластохиноны. Вначале происходит восстановление молекулы "первичного" хинона QA, а затем — терминального акцептора электронов "вторичного" хинона QB. Далее через пул липидорастворимых пластохинонов(Q) и комплекс цитохромов b 6 / f электроны передаются на водорастворимый белок пластоцианин, который восстанавливает окисленную форму хлорофилла П700.

Транспорт электронов в фотосистеме I. При поглощении энергии света фотосистемой I хлорофилл П700 переходит в возбужденное состояние и передает электрон первичному акцептору — хлорофиллу а, а затем филлохинону (A1). Далее следует серия мембранно-связанных железосерных белков (FX, FA, FB), через которые электроны поступают на ферредоксин. От ферредоксина через флавопротеин — ферредоксин-НАДФ-редуктазу электроны идут на восстановление НАДФ до НАДФН.

Механизм транспорта электронов и протонов в комплексе цитохромов b 6 /f

В процессе транспорта электронов в комплексе цитохромов b 6 / f происходит формирование пластосемихинона (Q) и последующее его восстановление до пластохинола. Липидорастворимые пластохиноны работают как "двухэлектронные ворота", поскольку в ходе окисления пластохинола один из двух электронов по линейной цепи направляется в фотосистему I, а второй электрон поступает в цикл цитохромов b 6 / f Таким путем достигается увеличение количества протонов, перекачиваемых через мембрану внутрь тилакоида. В цитохроме b 6 имеются два отдельных сайта для связывания восстановленной и окисленной форм пластохинона.

На первом этапе после окисления пластохинола один из электронов передается на белок Риске (FeSR) и далее на цитохром f, пластоцианин (Пц) и хлорофилл П700. Второй электрон идет на низкопотенциальный (L) гем цитохрома b 6. От восстановленного гема L электроны поступают на высокопотенциальный гемм (H) цитохрома b 6 и далее на пластохинон, который восстанавливается в пластосемихинон. В итоге два протона выкачиваются внутрь тилакоида. На втором этапе происходит окисление еще одной молекулы пластохинола. Один из электронов идет по линейной цепи от белка Риске через цитохром f, на пластоцианин и фотосистему I. Второй же электрон через низкопотенциальный (L) и высокопотенциальный (H) гемы цитохрома b 6 поступает на пластосемихинон и восстанавливает его до пластохинола. при этом происходит связывание двух протонов из стромы. В результате еще два протона попадают в полость тилакоида. Таким образом, в процессе транспорта электронов через комплекс цитотохромов b 6 / f на каждые 2 электрона, поставляемые в фотосистему I, через тилакоидную мембрану переносится 4 протона. Формируемый градиент ионов H далее используется на синтез АТФ.

Циклический поток электронов в фотосистеме II связан с транспортом электронов от восстановленных пластохинонов (QA и QB) обратно в реакционный центр к окисленному пигменту П680. В этом процессе участвуют цитохром b 559, β-каротин и сопровождающие молекулы хлорофиллов (ХлZ или ХлD). Циклический поток электронов в фотосистеме II является защитным механизмом, который включается, когда электронтранспортная цепь тилакоидов не справляется с утилизацией световой энергии или при повреждении системы фотолиза воды.

В циклическом транспорте электронов фотосистемы I участвуют комплекс цитохромов b 6 / f, пул пластохинонов и фермент ферредоксин-хиноноксидоредуктаза. В этом случае электроны от восстановленного ферредоксина идут не на восстановление НАДФ, а переносятся на пластохиноны (с помощью ферредоксин-хиноноксидоредуктазы), далее на комплекс цитохромов b 6 / f, а затем к окисленному П700. Единственным результатом такого циклического пути транспорта электрона является создание протонного градиента на тилакоидной мембране, который используется на синтез АТФ. Циклический поток электронов обычно незначителен, однако его активность, например, в клетках обкладки C4 -растений, может существенно возрастать. Циклический поток электронов может быть альтернативным путем использования энергии света при его избытке.

В реакции Мелера высокий восстановительный потенциал, генерируемый на акцепторной стороне фотосистемы I, расходуется не на восстановление НАДФ, а используется для восстановления кислорода с образованием воды. Поэтому этот процесс называют также циклом "вода—вода".

Перенос электронов на кислород может осуществляться как с ферредоксина, так и с железосерных кластеров белков FA и FB. Этот процесс идет в несколько этапов:

1) O₂+е^---> O₂^*-

2) 2O₂^*- +H⁺ --->H₂O₂

3) H₂O₂ +2аскорбат ---->H₂O +2монодегидроаскорбат.

Вторую и третью реакции катализируют, соответственно, Cu-Zn-супероксид-дисмутаза и аскорбатпероксидаза. Поэтому этот процесс иногда называют (аскорбат) пероксидазный путь Мелера. Активные формы кислорода (O₂, H₂O₂), образующиеся в пероксидазном пути Мелера, могут повреждать фотосинтетический аппарат, а также играть важную роль в процессах редокс-сигнализации. При наличии достаточного количества окисленного НАДФ практически весь поток электронов идет на его восстановление. При дефиците НАДФ происходит переключение потока электронов на кислород и запуск реакции Мелера.

Дата добавления: 2017-02-01