4. Пластический обмен (фотосинтез)

Пластический обмен (анаболизм, или ассимиляция) – это совокупность физиолого-биохимических процессов, протекающих с затратой высокоорганизованной энергии. В результате из простых органических и неорганических веществ образуются более сложные вещества. Примером анаболических реакций служитфотосинтез – процесс образования органических веществ с затратой световой энергии.

Бактериальный фотосинтезу пурпурных и зеленых бактерий протекает на мезосомах – впячиваниях плазмалеммы. Главным фотосинтезирующим пигментом у бактерий является бактериохлорофилл. Донорами протонов и электронов являются: сероводород, который окисляется до свободной серы (у аэробных зеленых серобактерий и анаэробных пурпурных серобактерий); водород и органические соединения (у пурпурных несерных бактерий). При бактериальном фотосинтезе в качестве донора электронов никогда не используется вода, и поэтому никогда не выделяется кислород.

Фотосинтез у высших растений протекает в специализированных органоидах – хлоропластах. Источником углерода является углекислый газ, источником электронов и протонов служит вода. Конечными продуктами являются глюкоза и кислород. Реакции фотосинтеза делятся на две группы: световые и темновые.

1. Световые реакциипротекают непосредственно под воздействием света на мембранах тилакоидов хлоропластов. В световых реакциях образуются: O₂, АТФ и НАДФН-Н⁺.

2. Темновые реакциипротекают в строме хлоропластов как на свету, так и в темноте. Простейшим продуктом темновых реакций является глюкоза.

Световые реакции

Преобразование энергии света в энергию химических связей начинается в реакционных центрах, входящих в состав мембран тилакоидов. В составе реакционных центров обнаруживаются разнообразные сочетания пигментов: хлорофиллыаиb, каротиноиды и другие. Кроме указанных пигментов в мембранах обнаруживаются разнообразные вещества – переносчики электронов и протонов. Основные сочетания пигментов и переносчиков называютсяфотосистемы: фотосистемаIи фотосистемаII.

Универсальным способом образования АТФ является механизм нециклического фотофосфорилирования. Энергия света, поглощенная пигментами, преобразуется в энергию электронов. Свободные электроны образуются прифотолизе(фотоокислении) воды – расщеплении молекулы Н₂О с затратой световой энергии. При фотолизе воды выделяется молекулярный кислород. Энергия электронов используется для создания протонных резервуаров внутри тилакоидов и формирования электрохимических потенциалов на мембранах тилакоидов. В свою очередь, энергия электрохимического потенциала используется для синтеза АТФ. Электроны, потерявшие энергию, используются для восстановления НАДФ.

В действительности световые реакции протекают более сложно.

Фотосистема IIпоглощает высокоэнергетические кванты света. Электроны хлорофилла переходят в возбужденное состояние, а затем молекула хлорофилла теряет один возбужденный электрон с избытком энергии. Окисленный хлорофилл отщепляет один электрон от молекулы воды. Вода разлагается на протон Н⁺и свободный радикал-ОН. Два радикала-ОН объединяются в молекулу Н₂О₂, которая разлагается каталазой на Н₂О и О₂. Процесс расщепления воды под воздействием света называетсяфотолиз. При фотолизе выделяется молекулярный кислород как побочный продукт световых реакций фотосинтеза:

4 Н₂О → 4 Н⁺+ 4-ОН + 4 ē; 4-ОН → 2 Н₂О₂→ 2 Н₂О + О₂↑

Высокоэнергетические электроны от молекул хлорофилла присоединяются к хинонам, образуя восстановленные хиноны (KoQ ^2–). Восстановленные хиноны диффундируют на внешнюю сторону мембраны тилакоида (к строме). Здесь к хинонам присоединяются протоны, которые всегда присутствуют в водных растворах вследствие электролитической диссоциации воды. Хиноны вместе с протонами диффундируют на внутреннюю сторону мембраны (к матриксу тилакоида). Под воздействием цитохромовbпротоны отщепляются от хинонов и переходят в матрикс тилакоида. Затем хиноны вновь диффундируют к строме, где вновь присоединяют протоны. Таким образом, строма служит источником протонов, а матрикс тилакоидов – протонным резервуаром.

Электроны, частично израсходовавшие энергию на перенос протонов, отщепляются от хинонов и поступают на промежуточный переносчик – цитохром f.

Фотосистема Iпоглощает низкоэнергетические кванты света. Электроны хлорофилла фотосистемыIпереходят в возбужденное состояние, а затем молекула хлорофилла теряет один возбужденный электрон. Потерю электронов молекулы хлорофилла восполняют, забирая электроны от цитохромовf. Электроны от фотосистемыIчерез промежуточные мембранные переносчики (ферредоксин и другие) используются для восстановления немембранного переносчика электронов и протонов НАДФ: НАДФ⁺+ 2 ē + 2 Н⁺→ НАДФН-Н⁺.

Избыток протонов из матрикса переходит через канал АТФазы в строму. Энергия электрохимического потенциала используется для фотофосфорилирования – синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. В итоге энергия света расходуется на синтез АТФ и на восстановление НАДФ.