Энергетика и химизм фотосинтеза

Фотосинтез - чрезвычайно сложный окислительно-­восстановительный процесс, в результате которого угле­кислота восстанавливается, а вода окисляется. Следова­тельно, в процессе фотосинтеза углекислота является акцептором электронов и протонов, а вода - их донором.

Фотосинтез осуществляется путем последователь­ного чередования двух фаз:

• световой, протекающей с большой скоростью (10^-5 с) и не зависящей от температуры;

• темновой, названной так потому, что для происхо­дящих в этой фазе реакций световая энергия не требуется.

В опьггах с чередованием света и темноты было ус­тановлено, что вторая фаза протекает значительно мед­леннее первой и очень сильно зависит от температуры.

Световая фаза фотосинтеза

Световая фаза фотосинтеза состоит из следующих реакций:

• процесса поглощения энергии солнечных лучей пластидными пигментами и образования возбуж­денных молекул хлорофилла а;

• окисления (фотолиза) воды и выделения О₂ за счет энергии возбужденных молекул хлорофилла;

• синтеза АТФ в процессе фотосинтетического фос­форилирования и образования восстановленного НАДФ^.Н₂·

Известно, что свет представляет собой поток кван­тов (порций) энергии. Энергия света, переносимая квантом, Е = hν = hC / λ. , где h - постоянная М. Планка; ν - частота коле­баний данной световой волны; С - скорость света в вакууме; λ - длина волны. Видно, что квант света об­ладает энергией, пропорциональной его частоте и об­ратно пропорциональной длине волны.

В фотохимии имеется понятие о квантовом расходе процесса. Применительно к фотосинтезу этот показатель эффективности превращения световой энергии в хими­ческую энергию показывает, сколько квантов света по­глощено для того, чтобы выделилась одна молекула О₂. Следует иметь в виду, что каждая молекула фотоактивно­го вещества одновременно поглощает только один квант света. Этой энергии достаточно, чтобы вызвать опреде­ленные изменения в молекуле фотоактивного вещества.

Величина, обратная квантовому расходу, носит название квантового выхода: количество выделенных молекул кислорода или поглощенных молекул углекис­лоты, приходящееся на один квант света. Этот показа­тель меньше единицы. Так, если на усвоение одной молекулы СО₂ расходуется 8 квантов света, то кванто­вый выход составляет 0,125.

В хлоропластах зеленых растений имеются две фотоактивные пигментные системы: фотосистема 1 (ФС-1) и фотосистема 2 (ФС-2). Открыты они были в связи с изучением эффекта существенного усиления фотосинтетической активности хлоропластов при до­бавлении к дальнему красному свету более коротковол­нового. Пониженная интенсивность фотосинтеза на одном лишь длинноволновом свете объясняется тем, что в возбужденное состояние приходят молекулы хлоро­филла ФС-1, добавление же более коротковолнового света возбуждает обе системы, что и приводит к рез­кому усилению фотосинтеза.

В эволюционном отношении ФС-1 более древняя фотосистема. У фотосинтезирующих бактерий эта система не способна использовать воду в качестве донора электронов и является единственной. С развитием ФС-­2 растения получили возможность производить фотолиз воды и выделять кислород. Обе фотосистемы состоят из пигментного комплекса, представленного хлорофилла­ми а и b, каротиноидами, белками и некоторыми дру­гими веществами. В ФС-1 хлорофилла а в 6-10 раз, а в ФС-2 - в 1,2-2,0 раза больше, чем хлорофилла b.

В процессах преобразования энергии квантов света в химическую энергию органических веществ участву­ют не все молекулы пигментов, а лишь небольшая их часть, расположенная в особых реакционных центрах фотосистем. Энергия, поглощенная хлорофиллом и вспомогательными пигментами, в частности каротинои­дами, передается молекулам хлорофилла, находящимся в этих фотохимически активных центрах (ловушках). Эти собирающие энергию света молекулы пигментов, и, прежде всего, хлорофилла а, слегка отличаются одна от другой по спектрам поглощения и действуют по принци­пу светособирательной антенны. Передача энергии от этих молекул хлорофилла и каротиноидов носит назва­ние резонансного переноса. Упаковка таких молекул в гранах хлоропластов очень плотная, что позволяет коле­бательной энергии непосредственно от одной молекулы пигмента переходить к другой молекуле.

Собирающие энергию молекулы хлорофилла а, являющиеся энергетической ловушкой ФС-1, получи­ли специальное обозначение П₇₀₀, ибо максимум погло­щения у них находится при 700 нм, Стекание энергии к П₇₀₀ способствует тому, что отдельные электроны получают достаточное количество энергии с тем, что­бы перейти от активных центров фотосистемы к пере­носчикам электронов, набор которых у обеих систем несколько различен. Энергетической ловушкой ФС-2 является хлорофилл а с максимумом поглощения 680 нм, Он обозначается как П₆₈₀.

При поглощении кванта света один из электронов молекулы хлорофилла а переходит на более высокий энергетический уровень, а вся молекула переходит в возбужденное состояние: Хл + hv ~ Хл^*. Это возбуж­денное состояние молекулы хлорофилла носит назва­ние синглетного, если переход электрона на более высокий энергетический уровень не сопровождается изменением знака спина (собственного момента вра­щения). Возбужденное состояние указанной молекулы называется триплетным, если знак спина меняется. При поглощении молекулой хлорофилла одного кванта красной части спектра она переходит в первое возбуж­денное синглетное состояние (время жизни его10^-9с), а синий - во второе синглетное состояние (время его жизни - 10^-12 с). Молекула хлорофилла а из первого синглетного состояния может переходить в триплет­ное состояние с поворотом спина и потерей энергии. При поглощении кванта синего света, обладающего большей энергией, электрон сразу же выделяет часть энергии в виде тепла и переходит из второго в первое возбужденное синглетное состояние.

Этот электрон несет определенный запас энергии. В том случае, если электрон возвращается на свою ор­биту, происходит бесполезная потеря энергии в виде света (флуосфоресценции) или тепла. Но если возбуж­денный электрон передается какому-либо акцептору (А), то в молекуле хлорофилла возникает электронная недостаточность или «электронная дырка».

Сама молекула в таком состоянии становится бо­лее реакционноспособной и готова отнимать электро­ны от донора (Д) с тем, чтобы ликвидировать элект­ронную недостаточность. Сказанное можно предста­вить в виде следующей схемы:

Хл^* + А →~ Хл⁺ + А^- ; Хл⁺ + Д → Хл + Д⁺.

Донором электронов для ФС-2 служит вода. Моле­кулы воды, отдавая электроны, распадаются на свобод­ный гидроксил ОН И протон Н⁺. Свободные гидро­ксильные радикалы, реагируя друг с другом, дают Н₂О и О₂. Предполагается, что при фотоокисле­нии воды принимают участие ионы марганца и хлора в качестве кофакторов.

В процессе фотолиза воды проявляется суть фото­химической работы, осуществляемой при фотосинте­зе. Но окисление воды происходит при условии, что выбитый из молекулы П₆₈₀ электрон передается акцеп­тору и далее в электрон-транспортную цепь (ЭТЦ). В ЭТЦ фотосистемы-2 переносчиками элек­тронов служат пластохинон, цитохромы, пластоцианин (белок, содержащий медь), ФАД, НАДФ и др.

Выбитый из молекулы П₇₀₀ электрон захватывается белком, содержащим железо и серу, и передается на ферредоксин. В дальнейшем путь этого электрона мо­жет быть двояким. Один из этих путей состоит из по­очередного переноса электрона от ферредоксина че­рез ряд переносчиков снова к П₇₀₀. Затем квант света выбивает следующий электрон из молекулы П₇₀₀. Этот электрон доходит до ферредоксина и снова возвраща­ется к молекуле хлорофилла. Явно прослеживается цикличность процесса. При переносе электрона от ферредоксина энергия электронного возбуждения идет на образование АТФ из АДФ и Н_зР0₄. Этот вид фото­фосфорилирования назван Р. Арноном циклическим. Циклическое фотофосфорилирование теоретически может протекать и при закрытых устьицах, ибо для него обмен с атмосферой необязателен.

Нециклическое фотофосфорилирование проте­кает с участием обеих фотосистем. В этом случае вы­битые из П₇₀₀ электроны и протон Н⁺ доходит до фер­редоксина и переносятся через ряд переносчиков (ФАД и др.) на НАДФ с образованием восстановленно­го НАДФ·Н₂. Последний, как сильный восстановитель, используется в темновых реакциях фотосинтеза. Одновременно молекула хлорофил­ла П₆₈₀, поглотив квант света, также переходит в воз­бужденное состояние, отдавая один электрон. Пройдя через ряд переносчиков, электрон восполняет элект­ронную недостаточность в молекуле П₇₀₀. Электронная же «дырка» хлорофилла П₆₈₀ восполняется за счет элек­трона от иона ОН^- - одного из продуктов фотолиза воды. Энергия электрона, выбитого квантом света из П₆₈₀, при переходе через электрон-транспортную цепь к фотосистеме 1 идет на осуществление фотофосфори­лирования. При нециклическом транспорте электронов, как видно из схемы, происходит фотолиз воды и выде­ление свободного кислорода.

Перенос электронов является основой рассмот­ренного механизма фотофосфорилирования. Англий­ский биохимик П. Митчелл выдвинул теорию фото­фосфорилирования, получившую название хемиосмо­тической теории. ЭТЦ хлоропластов, как известно, расположена в мембране тилакоида. Один из пере­носчиков электронов в ЭТЦ (пластохинон), по гипо­тезе П. Митчелла, переносит не только электроны, но и протоны (Н⁺), перемещая их через мембрану ти­лакоида в направлении снаружи внутрь. Внутри мем­браны тилакоида с накоплением протонов среда подкисляется и в связи с этим возникает градиент рН: наружная сторона становится менее кислой, чем внутренняя. Этот градиент повышается также благо­даря поступлению протонов - продуктов фотолиза воды.

Разность рН между наружной стороной мембра­ны и внутренней создает значительный источник энергии. С помощью этой энергии протоны по осо­бым канальцам в специальных грибовидных вырос­тах на наружной стороне мембраны тилакоида выб­расываются наружу. В указанных каналах находится фактор сопряжения (особый белок), который спосо­бен принимать участие в фотофосфорилировании. Предполагается, что таким белком является фермент АТФаза, катализирующий реакцию распада АТФ, но при наличии энергии перетекающих сквозь мембра­ну протонов - и ее синтез. Пока существует гради­ент рН и, следовательно, пока происходит перемеще­ние электронов по цепи переносчиков в фотосисте­мах, будет происходить и синтез АТФ. Подсчитано, что на каждые два электрона, прошедшие через ЭТЦ внутри тилакоида, накапливается четыре протона, а на каждые три протона, выброшенные с участием фактора сопряжения из мембраны наружу, синтези­руется одна молекула АТФ.

Таким образом, в результате световой фазы за счет энергии света образуются АТФ и НАДФН₂, использу­емые в темновой фазе, а продукт фотолиза воды О₂ выделяется в атмосферу. Суммарное уравнение свето­вой фазы фотосинтеза может быть выражено так:

2Н₂О + 2НАДФ + 2 АДФ + 2 Н₃РО₄ → 2 НАДФН₂ + 2 АТФ + О₂