ФОТОСИНТЕЗ. Фотосинтез – это процесс улавливания энергии светового излучения фотосинтезирующими организмами и превращения ее в энергию биомассы

Фотосинтез – это процесс улавливания энергии светового излучения фотосинтезирующими организмами и превращения ее в энергию биомассы.

Уравнение фотосинтеза в наиболее общей форме:

2Н₂D + СО₂ → (СН₂О) + Н₂О + 2D,

где Н₂D – донор водорода,

D – окисленная форма этого донора,

СН₂О – обобщенная формула органических веществ первичных

продуктов фотосинтеза.

Окислительно-восстановительный потенциал системы восстановителей фотосинтетической цепи должен быть ниже -400 мВ (то есть потенциала системы СО₂/СН₂О). Обычные доноры электронов, используемые в фотосинтезе, не обладают столь низким потенциалом, поэтому для восстановления необходим перенос электронов от молекулы пигмента за счет энергии света. Донор электронов затем восполняет их дефицит в молекуле пигмента. Другой участок, на котором затрачивается энергия света – синтез АТФ (фотофосфорилирование), расходуемого для активирования продуктов фиксации СО₂.

В случае высших растений и цианобактерий донором электронов является вода, в результате чего из нее освобождается кислород, то есть фотосинтез в этом случае является кислородным, или оксигенным. Основными типами метаболизма здесь являются фотолитоавтотрофия или фотолитогетеротрофия (у некоторых цианобактерий):

Н₂О + СО₂ → (СН₂О) + О₂.

В случае ряда фототрофных прокариот (зеленых и пурпурных серных бактерий) донорами электронов являются сероводород или сера. Тогда фотосинтез является бескислородным или аноксигенным:

2Н₂S + СО₂ → (СН₂О) + Н₂О + 2S,

5Н₂O + 3СО₂ + 2S → 3(СН₂О) + 2Н₂SO₄.

Некоторые серные и несерные пурпурные бактерии могут использовать в качестве доноров электронов молекулярный водород:

2Н₂ + СО₂ → (СН₂О) + Н₂О.

Наконец, несерные пурпурные бактерии используют в качестве донора электронов органические вещества. В этом случае основными типами метаболизма являются фотоорганоавтотрофия и фотоорганогетеротрофия:

2СН₃СНОНСН₃ + СО₂ → (СН₂О) + Н₂О + 2СН₃СОСН₃.

Особый тип фотосинтеза – без участия хлорофильных пигментов – обнаружен у экстремально галофильных архебактерий. Это единственный тип фотосинтеза, не включающий электронотранспортную цепь. Клетки галобактерий содержат особый белок – бактериородопсин (сходный со зрительным родопсином животных), включающий каротиноид – ретиналь. Совместно с фосфолипидами бактериородопсин формирует так называемые фиолетовые мембраны, которые в виде бляшек покрывают до 50% поверхности клеток. Под действием света бактериородопсин транслоцирует протоны из цитоплазмы в окружающую среду, создавая протонный трансмембранный электрохимический потенциал, который посредством Н⁺-АТФ-синтетазы преобразуется в АТФ. Система автотрофной фиксации СО₂ у галобактерий не обнаружена, по-видимому, они существуют как фотоорганогетеротрофы.

Фотосинтез зеленых растений протекает в две стадии – световую и темновую. Обе эти стадии протекают в хлоропластах. В клетках зеленого листа содержатся также и митохондрии. Ночью, когда клетки не получают солнечной энергии, митохондрии генерируют необходимый им АТФ, используя кислород для окисления углеводов, образовавшихся в хлоропластах в дневные часы.

Хлоропласты, как правило, гораздо крупнее митохондрий. Снаружи они окружены непрерывной довольно хрупкой мембраной. Внутренняя мембранная система ограничивает собой внутренний компартмент хлоропласта. В нем находится много плоских мембранных мешочков, часто связанных с внутренней мембраной, это так называемые тилакоиды, они обычно собраны в стопки, называемые гранами. В тилакоидных мембранах содержатся все фотосинтетические пигменты хлоропласта и все ферменты, необходимые для первичных световых реакций. Большинство ферментов, участвующих в темновых реакциях, в которых СО₂ восстанавливается до глюкозы, находится в жидкости, заполняющей внутренний компартмент хлоропласта и окружающей тилакоиды; ее называют стромой. У многих видов темновые реакции протекают также и в цитоплазме.

Способность химического соединения поглощать свет зависит от характера распределения электронов вокруг атомных ядер в его молекуле. При поглощении молекулой фотона один из ее электронов переходит на более высокий энергетический уровень. Происходит это по принципу «все или ничего»: чтобы перевести электрон на более высокий энергетический уровень, фотон должен обладать определенным минимальным количеством энергии. Молекула, поглотившая фотон, находится в возбужденном состоянии, которое нестабильно. Если отключить источник света, то «высокоэнергетические» электроны обычно быстро вновь переходят на свои низкоэнергетические орбитали; при этом молекула возвращается в исходное стабильное основное состояние, высвобождая энергию возбуждения в форме света (флюоресценция) или тепла. В зеленом листе высокоэнергетические электроны покидают возбужденные молекулы хлорофилла и перескакивают на первый из переносчиков в цепи переноса электронов. Свет индуцирует поток электронов вдоль этой цепочки. С этим потоком электронов сопряжены процессы, в результате которых образуются АТФ и НАДФН₂.

Хлорофиллы – это главное светопоглощающие пигменты, это магнийсодержащие молекулы, напоминающие по своей структуре протопорфирин гемоглобина. В молекуле хлорофилла а, присутствующего в хлоропластах всех клеток зеленых растений, содержатся четыре замещенных пиррольных кольца, из которых одно (кольцо IV) находится в восстановленной форме. Имеется еще и пятое, непиррольное кольцо. Эту характерную структуру из пяти колец называют феопорфирином. У хлорофилла b во II кольце вместо метильной группы находится альдегидная.

Структура хлорофилла приспособлена к выполнению его биологических функций. Систем из 5 колец, которая сама образует кольцо больших размеров, придает молекуле способность поглощать свет. Магний способствует образованию агрегатов молекул хлорофилла, что облегчает улавливание света. Длинная боковая цепь закрепляет молекулу хлорофилла в липидном бислое мембран и придает ей определенную ориентацию.

В тилакоидах содержатся также вспомогательные пигменты-каротиноиды: красный β-каротин, желтый ксантофилл. Каротиноиды поглощают свет в ином диапазоне длин волн, нежели хлорофиллы, поэтому они функционируют как световые рецепторы, дополняющие хлорофиллы.

Светлопоглощающие пигменты тилакоидных мембран собраны в функциональные ансамбли, называемые фотосистемами. Такие фотосистемы способны поглощать свет в пределах всего видимого спектра, однако особенно интенсивно они поглощают свет в пределах всего видимого спектра, однако особенно интенсивно они поглощают в двух областях: 400-500 и 600-700 нм. Все пигментные молекулы данной фотосистемы поглощают фотоны, но только одна молекула в каждом ансамбле обладает способностью превращать световую энергию в химическую. Эта молекула называется фотохимическим реакционным центром, все остальные – светособирающими или антенными молекулами. Их функция заключается в поглощении световой энергии. Эту энергию они затем очень быстро передают отдельным реакционным центрам, в которых и происходит фотохимический акт.

Фотосистемы бывают двух типов, каждая со своим набором светособирающих молекул хлорофиллов и каротиноидов и со своим фотохимическим реакционным центром:

- фотосистема I – максимально активируется более длинноволновой частью спектра, характеризуется высоким отношением хлорофилла а к хлорофиллу b, реакционный центр называется Р₇₀₀,

- фотосистема II – максимально активируется светом с длиной волн короче 680 нм, содержит относительно больше хлорофилла b, а иногда также хлорофилл с, реакционный центр называется Р₆₈₀.

Во всех фотосинтезирующих клетках, выделяющих кислород, содержатся обе фотосистемы. У фотосинтезирующих бактерий, не выделяющих кислород, имеется только фотосистема I.

Совместное действие фотосистем I и II:

Когда свет возбуждает молекулу хлорофилла, находящуюся в тилакоидной мембране, электрон фотосистемы I переходит на более высокий энергетический уровень, определяемый энергией поглощенного света, в результате чего молекула и оказывается в возбужденном состоянии. Затем энергия возбуждения быстро мигрирует по набору светособирающих пигментных молекул к реакционному центру фотосистемы, так что один из электронов этой фотосистемы приобретает большое количество энергии. Этот высокоэнергетический электрон покидает реакционный центр и присоединяется к первому переносчику в цепи переноса электронов и далее по цепи пероносчиков электронов переходит к НАДФ⁺ и восстанавливает его в НАДФН₂. В реакционном центре фотосистемы I образуется электронная дырка. Эта дырка заполняется затем электроном, выбрасываемым фотосистемой II при ее освещении. Он попадает в фотосистему I по цепи переносчиков, связывающей обе фотосистемы. Это приводит к возникновению дырки в фотосистеме II. Она в свою очередь заполняется электроном, поступающим от воды. Расщепляясь, молекула воды дает: а) электроны, заполняющие дырки в фотосистеме II; б) протоны, поступающие в среду; в) молекулярный кислород, выделяющийся в газовую среду.

Уравнение для расщепления воды:

2Н₂О → 4Н⁺ + 4 е + О₂.

Общее уравнение для пути перехода электронов от воды к НАДФ⁺:

2Н₂О + 2НАДФ⁺ → 2НАДФН₂ + О₂.

На каждый электрон, переходящий от воды к НАДФ⁺, поглощается два кванта света, по одному на каждую фотосистему. Для образования одной молекулы кислорода от воды к НАДФ⁺ должны быть переданы четыре электрона, то есть должно быть поглощено восемь квантов – по четыре на каждую фотосистему.

Характеристика переносчиков электронов при фотосинтезе:

1. Реакционный центр фотосистемы I – комплекс молекулы хлорофилла а с особым белком, поглощает в области 700 нм.

2. Р₄₃₀ – какой-то железо-серный белок.

3. Ферредоксин – другой железо-серный белок, его молекула содержит два атом железа, связанные с двумя атомами кислотолабильной серы.

4. Ферредоксин-НАДФ-оксидоредуктаза – флавопротеин, он переносит электроны на НАДФ⁺.

5. Реакционный центр фотосистемы II – вероятно, сходен с центром I, поглощает при 680 нм.

6. Z – первый переносчик от реакционного центра фотосистемы II.

7. Пластохинон PQ – жирорастворимый хинон с длинной изопреноидной боковой цепью, напоминающий убихинон дыхательной цепи митохондрий:

пластохинон окисленный пластохинон восстановленный

8. Цитохром b ₅₆₃.

9. Цитохром f – близок к цитохрому с митохондрий.

10. Пластоцианин – медьсодержащий голубой белок, служит непосредственным донором электронов для дырок в реакционном центре Р₇₀₀ фотосистемы I.

11. Н₂О-дегидрогеназа – Mn²⁺-содержащий ферментный комплекс, заполняет дырки в Р₆₈₀ фотосистемы II электронами, которые отщепляет от воды.

Когда богатые энергией электроны движутся по фотосинтетической цепи переноса электронов от возбужденной фотосистемы II к дыркам фотосистемы I, высвобождается энергия, которая идет на фосфорилирование АДФ до АТФ (фотосинтетическое фосфорилирование).

В хлоропластах возможен также циклический поток электронов и циклическое фосфорилирование. В него вовлекаются электроны только фотосистемы I. Энергия, необходимая для проведения одного электрона через такой цикл, обеспечивается поглощением одного кванта света. Предполагается, что циклический поток электронов и фотофосфорилирование включаются в растительной клетке тогда, когда она вполне обеспечена восстановительной силой в форме НАДФН₂, но при этом испытывает потребность в дополнительном количестве АТФ для других метаболических нужд.

Фотосинтетическое фосфорилирование сходно с окислительным фосфорилированием, что проявляется в следующем:

1) реакционные центры, переносчики электронов и ферменты, участвующие в образовании АТФ, находятся в мембране тилакоидов;

2) необходимым условием фотофосфорилирования является целостность тилакоидных мембран;

3) тилакоидная мембрана непроницаема для протонов;

4) фотофосфорилирование можно разобщить с переносом электронов при помощи реагентов, способных стимулировать прохождение протонов через тилакоидную мембрану;

5) фотофосфорилирование можно подавить олигомицином и другими аналогичными агентами, подавляющими в митохондриях синтез АТФ из АДФ и фосфата, катализируемый АТФ-синтетазой;

6) синтез АТФ осуществляется «грибовидными» ферментными молекулами, находящимися на наружной поверхности тилакоидной мембраны; по своей структуре и функциям они очень напоминают F₀F₁-АТФазу митохондрий, вследствие чего их часто обозначают символом CF₁.

Синтезированные в световую стадию фотосинтеза НАДФН₂ и АТФ расходуются для фиксации СО₂ в молекуле глюкозы в темновой стадии фотосинтеза. Фиксация углерода происходит в строме хлоропласта в так называемом цикле Кальвина. Общее уравнение цикла Кальвина:

(6Рибулозо-1,5-дифосфат) + 6СО₂ + 18АТФ + 12Н₂О + 12НАДФН₂ → (6Рибулозо-1,5-дифосфат) + Глюкоза + 18P_i + 18АДФ + 12НАДФ⁺.

Уравнения реакций для превращения СО₂ в глюкозу в цикле Кальвина:

1) 6СО₂ + 6Рибулозо-1,5-дифосфат + 6Н₂О → 12 3-фосфоглицерат

рибулозо-1,5-дифосфат 3-фосфоглицерат

Рибулозодифосфаткарбоксилаза ответственна за переход углекислого газа в органическую форму – ковалентное включение СО₂ и одновременное расщепление рибулозо-1,5-дифосфата с образованием двух молекул 3-фосфоглицерата, из которых одна несет СО₂. Этот фермент не встречается в гетеротрофных клетках, имеет сложное строение (8 каталитических больших субъединиц и 8 регуляторных малых), локализуется на наружной поверхности тилакоидной мембраны и является главным ферментом, ответственным за образование биомассы из СО₂ в растительном мире.

2) 12 3-фосфоглицерат + 12АТФ → 12 1,3-дифосфоглицерат + 12АДФ

3) 12 1,3-дифосфоглицерат + 12НАДФН₂ → 12Глицеральдегид-3-фосфата + 12НАДФ⁺ + 12P_i

4) 5Глицеральдегид-3-фосфат → 5Дигидроксиацетонфосфат

5) 3Глицеральдегид-3-фосфат + 3Дигидроксиацетонфосфат → 3Фруктозо-1,6-дифосфат

6) 3Фруктозо-1,6-дифосфат + 3Н₂О → 3Фруктозо-6-фосфат + 3P_i

7) Фруктозо-6-фосфат → Глюкозо-6-фосфат

8) Глюкозо-6фосфат +Н₂О → Глюкоза + P_i

9) 2-Фруктозо-6-фосфат + 2Глицеральдегид-3-фосфат → 2Ксилулозо-5-фосфат + 2Эритрозо-4-фосфат

10) 2Эритрозо-4-фосфат + 2Дигидроксиацетонфосфат → 2-Седогептулоза-1,7-дифосфат

11) 2-Седогептулоза-1,7-дифосфат + 2Н₂О → 2Седогептулозо-7-фосфат + P_i

12) 2Седогептулозо-7-фосфат + 2Глицеральдегид-3-фосфат → 2Рибозо-5-фосфат + 2Ксилулозо-5-фосфат

13) 2Рибозо-5-фосфат → 2Рибулозо-5-фосфат

14) 4Ксилулозо-5-фосфат → 4Рибулозо-5-фосфат

15) 6Рибулозо-5-фосфат + 6АТФ → 6Рибулозо-1,5-дифосфат + 6АДФ

Реакции 1-8 приводят к образованию глюкозы, 9-15 связаны с регенерацией рибулозо-1,5-дифосфата.

Все реакции, кроме первой, свойственны и животным тканям. Из-за отсутствия рибулозодифосфаткарбоксилазы гетеротрофы не способны осуществлять реальное превращение СО₂ в глюкозу. Растения, у которых на первом этапе фиксации СО₂ участвует рибулозодифосфаткарбоксилаза, называются С₃-растениями, потому что СО₂ у них включается в трехуглеродное соединение.

Регуляция темновой стадии осуществляется через первую реакцию. Рибулозодифосфаткарбоксилаза может активироваться при следующих изменениях:

1. Повышение рН. При освещении хлоропластов ионы Н⁺ переходят из стромы в тилакоиды. Это приводит к повышению рН стромы и активирует рибулозодифосфаткарбоксилазу, находящуюся на наружной поверхности тилакоидной мембраны.

2. Поступление в строму Mg²⁺ при выходе Н⁺ из стромы в тилакоиды.

3. Накопление НАДФН₂, генерируемого при освещении фотосистемой I.

В тропических растениях используется С₄-путь, или путь Хэтча-Слэка. У С₄-растений реакциям цикла Кальвина предшествует дополнительный этап, в ходе которого СО₂ фиксируется в форме четырехуглеродного соединения с помощью фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы (не путать с фосфоенолпируваткарбоксикиназой!).

С₄-растения расходуют на синтез глюкозы больше энергии, чем С₃-растения – на фиксацию одной СО₂ С₄-растениям нужно 5АТФ, а С₃-растениям только 3. Однако тропические растения должны избегать потерь воды, этого они достигают путем закрывания устьиц. Однако с этим уменьшается и поступление СО₂ в клетках обкладки. Вследствие этого концентрация СО₂ в клетках обкладки сравнительно невелика, из-за этого рибулозодифосфаткарбоксилаза не способна действовать с максимальной скоростью. У фосфоенолкарбоксилазы в клетках мезофилла сродство к СО₂ гораздо выше, поэтому фиксация и накопление СО₂ в виде малата выгоднее.

Продуктивность С₃-растений ограничивает фотодыхание. Дело в том, что рибулозодифосфаткарбоксилаза способна катализировать реакцию не только с СО₂, но и с О₂. Когда концентрация СО₂ низка, молекула кислорода ее заменяет и рибулозодифосфаткарбоксилаза начинает производить глиоксилат:

рибулозо-1,5-дифосфат фосфогликолат гликолат глиоксилат

Фотодыхание представляется расточительством – оно не сопровождается окислительным фосфорилированием и часть восстановительной силы, генерируемой в световых реакциях, отвлекается таким образом на восстановление кислорода, вместо того чтобы расходоваться на биосинтез. В отличие от этого у С₄-растений соотношение СО₂/О₂ в клетках обкладки остается сравнительно высоким благодаря предшествующему этапу. Кроме того, закрывание устьиц в листьях С₄-растений не только предотвращает потери воды, но и ограничивает поступление атмосферного О₂ в листья.

Глюкоза служит предшественником типичных растительных углеводов – крахмала, сахарозы и целлюлозы.

Суммарное уравнение фотосинтеза растений:

6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂.

Дата добавления: 2014-01-07