ФОТОСИНТЕЗ

Световая стадия фотосинтеза

На этом этапе происходит поглощение световой энергии пигментами, молекулы которых при этом возбуждаются и осуществляют первичные фотохимические реакции. Образовавшиеся в световой стадии продукты включаются в последовательную серию химических реакций, в результате которых появляются относительно крупные органические молекулы, несущие в своих химических связях «законсервированную» энергию света. Такие реакции не нуждаются в освещении, и поэтому эту стадию назвали темновой (разумеется, это вовсе не означает, что такие реакции идут исключительно в темноте, просто для их осуществления не нужен свет).

Напомним, что молекулы антенных комплексов обеих фотосистем транспортируют только энергию посредством резонансной (фр. resonance, лат. resonans - дающий звук) передачи, но не заряженные частицы. Принцип резонансной передачи энергии состоит в том, что возбужденный электрон, возвращаясь на стационарный энергетический уровень, выделяет энергию, которая возбуждает соседний электрон. При этом часть энергии рассеивается, и соседний электрон получает энергии меньше, чем ее выделилось. Таким образом, на молекулы хлорофиллов реакционных центров пигменты антенных комплексов передают лишь часть поглощенной энергии света. Однако и этого оказывается достаточным, чтобы электрон хлорофилла перешел в возбужденное состояние.

Непосредственно фотохимические реакции осуществляют реакционные центры фотосистем. Для лучшего понимания всего процесса удобно начать с фотосистемы II. Первичным донором электронов в фотосистеме II является хлорофилл П680. Поскольку он находится в димерном состоянии, поглощаются два кванта, которые, в свою очередь, активируют два электрона. Затем возбужденные электроны попадают на первичный акцептор, им является феофетин, образующийся в результате замещения в молекуле хлорофилла магния водородом. В дальнейшем заряженный электрон будет передаваться по цепи переносчиков, каждый раз закономерно теряя часть своей энергии. Следующим акцептором является содержащий железо первичный пластохинон фотосистемы II - QA, затем вторичный пластохинон QB, который связывается с пластохиноном PQ. Этот акцептор способен переносить электроны через гидрофобную липидную фазу мембраны тилакоида и передавать их на содержащий по два атома железа и серы белок FeSR (железо-серный белок Риске). Отсюда электроны передаются на принадлежащий цитохромному комплексу b6 - f цитохром f, а затем на содержащий медь белок пластоцианин. Этот переносчик должен будет передать электрон хлорофиллу фотосистемы I, которой для максимальной продуктивности фотосинтеза необходимо работать согласовано с фотосистемой II ().

Поэтому для последовательного продолжения цепи реакций должна включиться фотосистема I. Содержащийся в ее реакционном центре хлорофилл П700, поглощая два кванта света с несколько большей длиной волны, чем хлорофилл фотосистемы II, возбуждается и соответственно теряет два электрона. Следовательно, именно этот пигмент является первичным донором электронов в фотосистеме I. Они захватываются хлорофиллом а, находящимся в мономерном состоянии А1. После этого электроны перемещаются по следующей цепи переносчиков: железо-серные белки А2 и Ag (в отличие от железо-серных белков фотосистемы II здесь содержится по 4Fe и 4S), растворимый в воде железо-серный белок ферредоксин и, наконец, NADP-оксидоредуктаза, которая восстанавливает NADP+ до NADPH.

В фотосистеме I утраченные электроны поступают от водорастворимого белка пластоцианина, который является одним из переносчиков электронов от фотосистемы II (этот содержащий медь белок упоминался выше).

В фотосистеме II электронные «дырки» заполняются электронами, которые добываются, по-видимому, из ионов ОН- в результате разложения молекул воды. Этот процесс еще изучен не до конца. Известно, что в нем участвуют белковые комплексы, содержащие атомы марганца. Для успешного осуществления реакции разложения воды необходимо присутствие ионов кальция и хлора. Образовавшийся при этом кислород не нужен для фотосинтетических реакций, поэтому он выводится сначала из хлоропласта, а затем через межклетники и устьица из растения вовсе. Напомним, что первоначально атмосфера Земли практически не содержала молекулярного кислорода в свободном состоянии, и почти весь кислород нынешнего воздуха был образован в результате фотосинтетической деятельности зеленых растений.

Оценивая энергетическую значимость описанных выше процессов, необходимо помнить, что хлорофилл фотосистемы II, с которого и начинается транспорт, в результате возбуждения теряет электрон, находящийся на высоком энергетическом уровне (возбужденный электрон), а взамен получает «нормальный» электрон, не содержащий избыточной энергии.

Описанный путь переноса электрона по двум фотосистемам из-за своей зигзагообразности (в силу того, что молекулы-переносчики электрона погружены в мембрану тилакоида на разную глубину) называется Z-схемой, или нециклическим транспортом электронов ( 47). Его результатом будет появление NADPH, разложение воды и выделение кислорода, а также фотофосфори- лирование, при котором энергия возбужденного электрона используется для присоединения неорганического фосфата к ADP, т. е. синтезу ATP.

Кроме нециклического, в мембранах тилакоидов осуществляется еще и циклический транспорт электронов. Он, в отличие от нециклического транспорта, идет лишь в фотосистеме I. Его результатом будет синтез ATP, а NADPH при этом не образуется. Здесь заряженные электроны схематически передаются по цепи переносчиков следующим образом. Вначале ситуация напоминает нециклический транспорт до того момента, пока электронами не «завладеет» ферредоксин, который передает их не на восстановление NADP+ (как было раньше), а отдает электроны пластохинонам, они, в свою очередь, транспортируют заряженные частицы через липид- ную часть мембраны. Затем электроны передаются на цитохром Ь6, железо-серный белок Риске, цитохром f, пластоцианин и, наконец, вновь на хлорофилл П700.

Механизм синтеза АТР в результате фосфорилирования ADP вполне убедительно показывает хемиосмотическая теория, которую в шестидесятые годы разработал английский биохимик Питер Митчелл. Эта теория объясняет перемещения протонов через мембрану (кроме фотосинтеза его теория применима также к некоторым этапам аэробного дыхания и дополнительно описана в разделе, посвященном основным реакциям тканевого обмена). Согласно ей электрохимический градиент в полости тилакоида создают расположенные в мембране тилакоида многочисленные переносчики электронов. Следует помнить, что молекулы-переносчики вовсе не образуют статично фиксированные слои, лежащие друг над другом, а представляют собой молекулы, которые на разную глубину погружены в липидный слой мембраны или же пронизывают его насквозь, кроме того, все эти молекулы обладают латеральной подвижностью. Переносчики транспортируют с одной поверхности мембраны на другую как электроны, так и протоны (последние необходимы для уравновешивания заряда), обратно же переносится только электрон, а протоны остаются по другую сторону, потому что мембрана здесь для них не проницаема.

В результате избыточного накопления по одну из сторон ионов водорода формируется электрохимический протонный градиент. После того как его значение достигнет определенной величины, протоны начинают «протекать» через мембрану, но не во всех местах, а лишь через особые белки, пронизывающие мембрану насквозь. Эти белки являются АТР-синтетазами, протоны проходят через них пассивно, однако, как и любой поток, они при этом совершают некоторую работу, которая как раз и используется для присоединения к ADP неорганического фосфата, в результате чего образуется ATP.

Применительно к фотосинтезу этот процесс весьма упрощенно выглядит следующим образом. После поглощения хлорофиллом реакционных центров квантов света их электроны возбуждаются и передаются акцепторам, расположенным на наружной поверхности мембраны. Электроны с хлорофилла П680 поступают на жирорастворимый пластохинон. Получая два электрона, он захватывает из стромы два протона, после чего электроны передаются на железо- серный белок Риске, затем на цитохром f, пластоцианин и на длинноволновый хлорофилл П700. В результате этого протоны поступают в полость тилакоида, где к ним присоединяются еще два протона, которые образовались в результате фотолиза воды. В конечном итоге в полости тилакоида формируется избыток протонов, а затем происходят события, описанные выше.