Поглощение света пигментами, электронно-возбужденные состояния пигментов (синглетное, триплетное), типы дезактивации возбужденных состояний.

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 13Следующая ⇒

Спектры поглощения. Все пигменты поглощают свет избирательно. Так, если пропустить белый свет через раствор хлорофилла, а затем разложить с помощью призмы, то увидим, что отдельные участки спектра будут сильно поглощаться, и на их месте увидим черные полосы. Другие участки спектра будут проходить через раствор хлорофилла в ослабленном виде.

Мы получаем так называемый спектр поглощения хлорофилла. Какие длины волн будет поглощать пигмент, зависит от количества и расположения двойных связей в его молекуле, от присутствия в ней ароматических колец и атомов металла. В случае хлорофилла наиболее полно поглощаются красные и сине-фиолетовые лучи. Небольшая разница в строении молекулы хлорофиллов а и b обуславливает некоторую разницу в поглощении ими света. Хлорофилл а более полно поглощает свет с длиною волны 670, 680, 700 и 435 нм, а хлорофилл b – 650 и 480 нм.

С наименьшим поглощением проходят через раствор хлорофилла или лист зеленые лучи и часть красных. У хлорофилла b полоса поглощения в красной части спектра смещена в сторону коротковолновых лучей, а в сине-фиолетовой – в сторону длинноволновых.

Изучение спектров поглощения показало, что хлорофилл а в живом листе образует 8–10 форм, которые химически одинаковы, но отличаются по поглощению света. Как видно, такой результат обусловлен несколькими причинами. Во-первых, молекулы хлорофилла могут взаимодействовать между собой (агрегированная форма). Во-вторых, они взаимодействуют с компонентами мембран хлоропластов, в частности с белком. И, в третьих, это связано с динамическим состоянием молекул хлорофилла в тилакоидах. Хлорофилл беспрерывно разрушается под действием света (фотодесктрукция). На смену разрушенным молекулам в мембраны тилакоидов встраиваются новые. Некоторые особенности пигментов и спектры поглощения представлены в табл

Некоторые особенности пигментов

Пигменты	Структурные отличия	Отличия в спектрах поглощения; длина волны, нм	Окраска
Хлорофилл а	–СН₃	670, 680, 700, 435	Сине-зеленая
Хлорофилл b		650, 480	Желто-зеленая
Β -Каротин	С₄₀Н₅₆	425, 450, 480	Желтая
Лютеин	С₄₀Н₅₆О₂	425, 445, 450	Желтая
Виолаксантин	С₄₀Н₅₆О₄		Желто-оранжевая
Фикоэритрин		498–568	Красная
Фикоцианин		580–630	Сине-голубая
Аллофикоцианин		585–650	Синея

Желтые пигменты имеют основные полисы поглощения света в синей и фиолетовой частях спектра. Немного они поглощают и зеленые лучи.

Пигменты зеленого листа поглощают свет. Известны следующие законы поглощения света:

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

2. Каждый квант активирует только одну молекулу.

3. Вся энергия кванта поглощается одним электроном, который подымается 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 поглощает этот свет.

На поглощение света влияет взаимное размещение электронов в атоме или молекуле; это связано с тем, что электроны обладают так называемым спином. Каждый электрон можно рассматривать как заряженную частицу, которая вращается (spining) вокруг своей оси (как Земля). С таким кручением связан момент количества движения, или спин. Величина спина всех электронов одинакова, но поскольку спин является векторной величиной, он может иметь разные направления в пространстве (в атоме имеется внутреннее магнитное поле). Поэтому возможны две ориентации, а именно, спин электрона может быть направлен параллельно или антипараллельно локальному магнитному полю. Спин – вектор магнитных моментов. 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 мультиплентность – выражается формулой 2S + 1, где S – величина полного спина целого атома или молекулы. Например, если S = 0, это значит, что проекция спинов всех электронов на направление магнитного поля взаимно умножается и величина 2S + 1 равна 1 и такое положение называется синглетным. С другой стороны, когда S = 1, то такое положение называется триплетным (2S + 1 = 3).

Синглеты и триплеты являются двумя наиболее важными спиновыми мультиплентностями, которые встречаются в биологических системах. Когда в молекуле все электроны попарно размещены на орбиталях, так что их спины направлены в противоположные стороны, полный спин молекулы будет 0 (S = 0) и молекула находится в синглетном состоянии. 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 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 мультиплентностью, 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, энергетическом уровне. Поглотив квант света, электрон переходит на более высокий энергетический уровень (π -орбиталь), а на основном остается электронная «дырка». Поглощенная энергия запасается в виде энергии электронного возбуждения. Это соответствует переходу молекулы в возбужденное состояние (рис. 2.7).

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

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 с).

Таким образом, для хлорофилла характерны два основных возбужденных синглетных состояний, которые значительно отличаются 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 измениться ориентация его спина. Так как совпадение этих двух явлений маловероятно, очень малое количество молекул хлорофилла в результате поглощения света непосредственно возбуждаются 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 прекратиться.

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

Фосфоресценция в отличие от флюоресценции представляет собой выделение света с большим периодом времени затухания, что объясняется необходимостью поворота спина и вследствии этого большей протяженностью самого возбужденного состояния.

Поглотивши 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 до вещества с более отрицательным потенциалом. Более подробно о фотохимической работе мы поговорим позднее.

Итак, поглотив квант света, молекула пигмента переходит в короткоживущее возбужденное состояние, быстро выделяет эту энергию перечисленными выше путями (см. рис. 2.7) и переходит в основное состояние. Таким образом, первичные процессы дальнейших фотохимических реакций заключается 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 количество молекул в данном состоянии (в данном случае в возбужденном) уменьшалась на 63 %; для оценки времени жизни используется также период полуразрушения (когда количество уменьшается на 50 %).

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

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

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

что совпадает с наблюдаемым в опыте.

23. Миграция энергии в системе фотосинтетических пигментов, представление о фотосинтетической единице, преобразование энергии в реакционном центре, окислительно-восстановительные превращения хлорофилла реакционного центра.

Пигменты в хлоропластах образуют у высших растений две системы. Каждая пигментная система составляет фотосинтетическую единицу, которая входит в фотосистемы I и II. Каждая из этих единиц состоит из набора молекул вспомогательных пигментов, передающих энергию на одну молекулу головного пигмента (Р₇₀₀ и Р₆₈₀). Последние молекулы входят в состав реакционных центров. В реакционных центрах энергия используется для осуществления химической реакции, которая является центральным звеном фотосинтеза.

Пигменты, входящие в состав систем, делят на пигменты-ловушки и пигменты-сборщики. Пигмент-ловушка может преобразовывать энергию. Пигмент-сборщик квантов света передает поглощенную энергию пигменту-ловушке. В пигментных системах ловушками являются Р₇₀₀ и Р₆₈₀. Остальные пигменты – сборщики. В результате фотосинтез может происходить и при освещении светом, поглощенным не хлорофиллом а, а каротиноидами.

Итак, первой стадией фотосинтеза является поглощение света, затем идет перенос энергии возбуждения и дальше фотохимические стадии в виде химических реакций.

Поскольку фотохимические реакции происходят только на участке Хл-ловушки (Р₇₀₀ и Р₆₈₀) энергия возбуждения, возникающая в результате поглощения света вспомогательными пигментами или обычным Хл а, должна мигрировать к реакционному центру (Хл-ловушка) до того, как она будет использована для фотосинтеза. Молекулы Р₇₀₀ и Р₆₈₀ немногочисленны в сравнении с другими фотосинтетическими пигментами, поэтому они поглощают небольшую часть падающего света. Действительно, в зеленых растениях в обычных условиях больше 90 % всех поглощенных фотонов приходится на вспомогательные пигменты и хлорофилл а.

Перенос или миграция энергии возбуждения происходит в направлении от вспомогательных пигментов к хлорофиллу а, а затем к специальному хлорофиллу (Р₇₀₀ и Р₆₈₀), где происходят фотохимические реакции. Следовательно, общим результатом стадии является сбор энергии возбуждения, вызванной светом, и передача ее на реакционный центр.

Наиболее общепризнанным механизмом передачи электронного возбуждения между молекулами пигментов является так называемый резонансный перенос. Для того 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 первичного поглощения света в том отношении, что колебания некоторого электрона в молекуле индуцируется локально изменяющимся электрическим полем.

Надо же 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 2 раза, перенос ослабило в 64 раза). Резонансный перенос энергии между молекулами хлорофилла возможен только в том случае, когда молекулы расположены относительно близко одна от другой и в определенной последовательности при расстоянии между ними порядка 5–10 нм. Расстояние (~ 2, 8 нм) между центрами молекул хлорофилла в тилакоидных мембранах хлоропластов должно обеспечить 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 сине-зеленых и красных водорослей перенос энергии происходит следующим образом: фикоэритрин (570 нм) → фикоцианин (630 нм) алафикацианин (650 и 670 нм) → хлорофилл а (670–680 нм). Следовательно, пигменты должны располагаться в мембранах. Действительно, они и находятся в тилакоидных мембранах хлоропластов.

Таким образом, световая энергия, поглощенная большим количеством молекул пигментов, используется одной химически 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 Р₇₀₀поглощает более длинноволновой свет, чем остальные хлорофиллы а, поэтому возбужденное синглетное состояние Р₇₀₀ характеризуется более низкой энергией. Таким образом, энергетически допустимо, чтобы Хл а₆₈₀ вызывал резонансное возбуждение Р₇₀₀, тогда как Р₇₀₀ не способен переносить возникшее в нем возбуждение на Хла₆₈₀. Поэтому возбужденные синглетные состояния других молекул Хл а могут передавать свою энергию возбуждения на Р₇₀₀, но не наоборот (подобно необратимости миграции энергии возбуждения с вспомогательных пигментов на Хл а). 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 а: каротин (440–550 нм) → хлорофилл b (650 нм) → хлорофилл а (660–675 нм) → Р₆₈₀ (II система).

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

Представление о совместном функционировании двух фотосистем, структура и назначение фотосистемы I и фотосистемы II; реакции, связанные с выделением кислорода в фотосинтезе, структура электронтранспортной цепи фотосинтеза.

Еще в 1905 году 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 были получены 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 был следующий: 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 он не окончится, растению света не надо.

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 Эмерсона», было положено в основу гипотезы, согласно которой фотосинтез включает две разные световые реакции; оптимальные условия для фотосинтеза складываются в случае, когда эти две реакции идут одновременно. Эту гипотезу подтвердило непосредственное выделение из хлоропластов высших растений отдельных фотосистем (ФС I и ФС II).

Две пигментные фотосистемы – это две машины, движущие фотосинтез на световой стадии. Каждая состоит из реакционного центра и ансамбля молекул – светособирающих пигментов (пигмент-белковый комплекс – ПБК. Каждой фотосистеме соответствует свой отдельный набор пигментов, а также связанных с ними переносчиков электронов и в каждой фотосистеме происходят свои, только ей присущие фотосинтетические реакции.

В состав ФС I входят первая пигментная система с Р₇₀₀, мономерная форма Хл а₆₉₅, белки, содержащие железо и серу, 1–2 молекулы ферродоксина, по 1 молекуле цитохрома и пластицианина и 2 молекулы цитохрома b₆;

В состав ФС II – вторая пигментная система с Р₆₈₀, 4 молекулы пластацианина, 2 молекулы цитохрома b₅₅₉ и 6 атомов марганца.

В ЭТЦ входит и пул пластахинонов – липидрастворимых переносчиков е^– и Н⁺.

В состав светособирающих пигментов (светособирающие антены) входят: каротин, Хл а₆₆₂, а₆₇₀, а₆₇₇, а₆₈₄, а₆₉₂ (ФС I) и ФС II: а₆₂₂, а₆₇₀, а₆₇₇. Кроме того, имеется еще светособирающий белковый комплекс (ССК).

Считают, что при низкой интенсивности света собственные антенны ФС I и ФС II поглощают мало квантов света и поэтому не могут поддерживать необходимой скорости фотосинтезирующих реакций, и нужен дополнительный приток энергии, который обеспечит ССК.

Наоборот, при высоких интенсивностях света пигментным системам не нужно столько энергии и поэтому они содержат значительно меньше ССК.

В состав ССК входят ксантофиллы, хлорофилл b, некоторое количество хлорофилла а. ССК передает поглощенную энергию на ПБК и затем на реакционный центр (рис. 2.10).

Получив эту энергию, специальная форма хлорофилла в реакционном центре переходит в возбужденное состояние (Хл^*). Хл^* обладает очень высокой реакционной способностью и является сильным восстановителем.

В окислительно-восстановительной системе А/А^– происходит восстановление А до А^–. От А^–электрон переходит дальше и через другие компоненты электрон-транспортной цепи в конечном счете переносятся на НАДФ⁺. Хлорофилл, который отдал электрон, переходит в состояние свободного катиона – радикала Х⁺. Он возвращается в основное первичное состояние, получив электрон восстановленной формы Д^– – второй окислительно-восстановительной системы Д/Д^–. Окислительный Д восстанавливается до Д^–, получая электрон от воды.

Догадку о том, что кислород должен выделяться из воды высказал в 1931 г. К. Ван-Нил (Голландия). В 1937 г. англичанин Р. Хилл показал, что изолированные хлоропласты выделяют на свету кислород в условиях наличия акцептора электронов (феррицианид, бензохинон и др.) Реакцию Р. Хилла в общем в виде записывают так:

Вообще, реакция разложения воды происходит в три стадии (этапа). В данном случае акцептором является хинон. Таким образом, процессы выделения О₂ и восстановления СО₂ независимы один от другого.

В 1941 г. одновременно две группы ученых А. П. Виноградов и Р. В. Тейс в СССР и С. Рубен и М. Д. Камен в США, доказали, что весь кислород, который выделяют при фотосинтезе, является кислородом воды, а не СО₂, как считали раньше.

ФС (II) и ФС (I) размещаются последовательно в цепи транспорта электронов от Н₂О до НАДФ⁺. Для восстановления одной молекулы НАДФ⁺ в процессе фотосинтеза необходимо два электрона и два протона, при этом донором электронов является вода. Фотоиндуцированное окисление воды происходит в ФС II, восстановление НАДФ⁺ – ФС I. Таким образом, фотосистемы должны функционировать во взаимодействии.

Исходя из данных квантового выхода фотосинтеза (количество выделенного О₂ или связанного СО₂ на 1 квант поглощенной энергии), необходимо восемь квантов света для выделения одной молекулы О₂; из состава компонентов ФС I и ФС II и величины окислительно-восстановительного потенциала была разработана схема последовательности реакций в световой стадии фотосинтеза. Из-за подобия с буквой Z эта схема получила название Z-схемы (рис. 2.12).

Впервые принцип Z-схемы был предложен Р. Хиллом и Пендалом (1960 г.) и экспериментально подтвержден работами Днейзенса (1961 г.).

ФС I – единственная, имеющаяся у бактерий, работает без участия кислорода; эта ФС, вероятно, имела преимущества на ранних этапах биологической эволюции, когда кислорода в земной атмосфере было мало. С развитием ФС II растения получили возможность выделять молекулярный кислород из воды. Вероятно, это обстоятельство и определило изменения свойств земной атмосферы: из анаэробной она стала аэробной.

Таким образом, фотохимическую работу у высших растений, выполняемую при фотосинтезе, в конечном счете, можно свести до разложения воды.

Однако сначала физическая энергия уловленных фотонов должна быть видоизменена и переведена в «химическую» энергию. Мы отметили, что энергия мигрирует до реакционных центров. В результате отдельные электроны получают достаточное количество энергии для того, чтобы они могли перейти от молекул хлорофилла Р₇₀₀ или Р₆₈₀ до молекул-переносчиков электронов. Переносчик поглощает определенную часть этой энергии активации и передает электрон следующему переносчику, где этот процесс повторяется. В хлоропластах разные переносчики электронов расположены на мембране или внутри мембран и образуют ряд, в пределах которого они располагаются в соответствии со способностью присоединять электроны (другими словами, с их окислительно-восстановительным потенциалом). Таким образом, электрон переходит от одного переносчика к другому, наподобие с тем, как движется по каскаду вода – с одного уступа на другой.

Сущность реакций, которые происходят на свету, была выяснена Д. Арноном (США) в 1954–1958 гг. Он показал, что на свету в изолированных хлоропластах идет образование АТФ за счет присоединения минерального фосфора (Ф) к АДФ.

Во время перемещения электрона по такой цепи переносчиков часть его энергии преобразуется в химическую форму, поскольку за счет ее из АДФ и неорганического фосфора синтезируется АТФ и запасается значительное количество энергии – 8–10 ккал/моль.

Фотоэнергетические реакции хлоропластов, фотосинтетическое фосфорилирование, характеристика основных типов фотофосфорилирования: циклического, нециклического, псевдоциклического. Физиологическое значение основных типов фотофосфорилирования.

Дальнейшие исследования показали, что синтез АТФ сопряжен с транспортом электронов – циклическим или нециклическим.

Циклический транспорт электронов. В первой пигментной системе – пигментом-ловушкой является Р₇₀₀, а остальные – сборщики (антенный комплекс). При поглощении кванта света один из электронов Р₇₀₀ переходит на более высокий энергетический уровень и присоединяется к Хл а₆₉₅, а затем белком, содержащим железо и серу (FeS). Окислительно-восстановительный потенциал Р₇₀₀ в основном состоянии + 0, 43 В; таким образом, тенденция к потере электронов у него выявлена слабо. Когда в результате поглощения кванта света молекула Р₇₀₀ переходит в возбужденное состояние, ее окислительно-восстановительный потенциал падает до –0, 6 В и поэтому она легко отдает электрон.

От белка, содержащего железо и серу, электрон передается переносчику, который называется ферродоксином. От ферродоксина электрон вновь возвращается к Р₇₀₀ через ряд промежуточных переносчиков, среди которых имеются флавопротеиды, содержащие витамины b₆ и гемосодержащие цитохромы. В то время, когда электрон транспортируется по этому циклическому пути, его энергия используется для присоединения Р_н к АДФ с образованием АТФ.

Нециклический транспорт электронов. Когда устьица листа открыты, а хлоропласты поглощают свет разных длин волн, одновременно с ФС I включается ФС II. Совместно они составляют систему нециклического транспорта электронов. В этом случае от ферродоксина электрон может перейти через разные флавопротеиды на НАДФ⁺. Когда два электрона присоединяются к НАДФ⁺ из водной среды, которая окружает тилакоидные мембраны, к нему присоединяются протоны воды и образуется НАДФН, который используется в последующих реакциях для восстановления СО₂ до уровня углевода.

Таким образом, Р₇₀₀ окислен, в нем образовалась электронная «дырка». Он не может долго оставаться в этом состоянии. Откуда он получает электрон?

При поглощении кванта света Р₆₈₀ тоже переходит в возбужденное состояние и отдает электрон. Проходя ряд переносчиков (пластохинон, цитохром f, пластоцианин) этот электрон, в конце концов, достигает Р₇₀₀и заполняет электронную «дырку», образовавшуюся из-за потери электрона. Сначало электроны восстанавливают первичный акцептор Q (феофитин) и электроны переходят от восстановленного семихинона Q^–к хиноидному переносчику двух электронов, обозначенному В (пластохинон). Считают, что этот пластохинон связан с белком. Затем электроны переходят в пул пластохинонов ПХ, а от него – на белковый комплекс, который включает цитохром b₆, негемовый центр FeS и цитохром f и дальше на ферредаксин, ФАД (флавинадениндинуклеотид) и восстанавливают НАДФ⁺ (см. рис. 2.12).

Но теперь «дырка» появилась на Р₆₈₀. Эта «дырка» заполняется присоединением электрона от воды. Электрон от молекулы воды образуется под воздействием света (фотоокисление или фотолиз). В результате молекула воды разрушается, образуя протоны и кислород:

Система фотосинтеза воды включает белковый комплекс связывания Н₂О и выделения О₂ (S-система). Эта система содержит кластер из 4 атомов Mn на каждый реакционный центр, необходимы также в качестве кофакторов Cl и Са. Имеется и система Z – быстрый донор электронов к Р₆₈₀, которая содержит и два сильно связанных атомов Mn.

Ингибитором этой реакции является диурон (дихлорфенилдиметилмочевина). Растения, обработанные диуроном, гибнут, так как при этом блокируется транспорт электронов от воды, не образуется АТФ и не восстанавливается НАДФ⁺, а следовательно, невозможно восстановление СО₂.

Образованные при фотоокислении воды протоны остаются в водной среде тилакоидов хлоропластов, которая включает не только молекулы воды, но также и Н⁺- и ОН^–-ионы. Накопление протонов на внутренней стороне мембраны тилакоидов играет определенную роль в образовании АТФ, о чем разговор пойдет дальше. Этот путь транспорта электронов получил название нециклического.

Нециклический транспорт электронов также связан с синтезом АТФ. Процесс фосфорилирования АДФ с образованием АТФ, связанный с нециклическим транспортом электронов, получил название нециклического фотосинтетического фосфорилирования (см. рис. 2.12).

Таким образом, процессы световой фазы фотосинтеза в общем виде можно записать:

Во время световой фазы происходит перенос электронов от воды (Е = +0, 81 В) на НАДФ⁺ (Е = – 0, 32 В). Перенос электронов от вещества с более положительным потенциалом к веществу с более отрицательным требует затраты энергии. Используется энергия поглощенного пигментом света. Для транспорта каждого электрона требуется два кванта. Этот перенос электронов против градиента окислительно-восстановительного потенциала и является фотохимической работой.

Следовательно, сущность световой реакции фотосинтеза – вызванный светом последовательный транспорт электронов от одной молекулы к другой, в результате чего образуются АТФ и НАДФН.

Так как молекула, которая теряет электрон, окисляется, а которая получает – восстанавливается, то это окислительно-

восстановительный процесс. Для транспорта электронов от одного переносчика ко второму, как и для передачи энергии между молекулами пигментов, необходима тщательная упаковка молекул и строгая упорядоченность в их размещении, поэтому световая стадия фотосинтеза связана с тилакоидными мембранами хлоропластов. Кроме этого, с помощью мембран происходит разобщение процессов образования кислорода и мощного восстановителя, в противном случае, они могли бы взаимодействовать.

Основные различия этих двух видов фосфорилирования даны в следующей таблице

Сравнение циклического и нециклического фотофосфорилирования

Процесс	Нециклическое	Циклическое
Путь электронов	Нециклический	Циклический
Первый донор (источник) электронов	Вода	ФС I (Р₇₀₀)
Последний акцептор (место назначения) электронов	НАДФ⁺	ФС I (Р₇₀₀)
Продукты	Основные: АТФ, НАДФН Побочные: О₂	Основные: АТФ
Участвующие ФС	I и II	I

Следовательно, в циклическом транспорте электронов участвует только ФС I, в нециклическом – две. ФС I расположена в тилакоидах стромы, а ФС II – только в тилакоидах гран.

Электроны, которые поступают от ферродоксина, могут также переноситься и восстанавливать кислород с образованием Н₂О₂ и в конечном счете Н₂О. В этом случае функционируют ФС I и ФС II, и поглощаются с использованием восстановленного ферродоксина в особой реакции равные количества кислорода; такой поток электронов получил название псевдоциклического. Хотя при этом потоке электронов отсутствует суммарное изменение состояния кислорода, этот процесс нельзя назвать циклическим, поскольку не происходит циклического переноса электронов по указанному пути.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒