Организация пигментных систем

Совокупность улавливающих свет молекул, которые поглощают фотоны и передают энергию возбуждения в реакционный центр (РЦ), образует фотосинтетическую единицу (ФСЕ). Установлено, что ФСЕ содержит 300-400 молекул хлорофилла, 5-8 атомов марганца и 1 РЦ, в котором энергия света используется в фотохимической реакции.

Считается, что пигментная система включает последовательную работу двух фотосинтетических реакций в двух участках. Дюйзенс ввел понятие о 2 фотосистемах (ФС), каждая из которых обладает собственной пигментной системой. Такое деление является, скорее, умозрительным, чем действительно функциональным, и используется для чёткого описания экспериментальных результатов. Поэтому некоторые исследователи не согласны с разделением пигментной системы на ФС I и ФС II, т.к. ФС II в "чистом виде" никому ещё выделить не удалось.

Далее рассматривается доминирующая точка зрения, которая полагает, что каждая ФС имеет свою пигментную организацию и ассоциированные с ней переносчики электронов. Природа, количество и локализация этих компонентов ЭТЦ все ещё исследуются, но накопленные данные образуют достаточно целостную картину.

Под действием света происходит возбуждение электронов молекул хлорофилла. Различают 2 основных возбуждённых состояния (высокоэнергетическое и низкоэнергетическое) и 3 механизма снятия возбуждения:

- тепловую диссипацию (рассеяние);

- флуоресценцию;

- совершение полезной работы (фотохимическая реакция).

Для фотосинтетического процесса отправной точкой является низкоэнергетическое состояние возбуждения электронов молекул хлорофилла.

Снятие возбуждения с одновременным совершение полезной работы осуществляется следующим образом.

В марганец-содержащем белке при участии пигментной системы II и наличии света происходит окисление ионов марганца. Электроны передаются через пигментную систему на акцептор неизвестной природы Q и от него – на конечный акцептор. В реакции Хилла это – феррицианид калия, который превращается в ферроцианид (Fe ⁺³  Fe ⁺²). В реальных условиях электроны передаются на ФС I.

Марганец-содержащий белок с окисленным ионом марганца (Mn ⁺³) расщепляет молекулу воды, образуя свободный кислород и 4 протона на 2 молекулы воды. Эта реакция носит название фотолиза воды, т.е. разложения под действием света. Экспериментально он был установлен в 1941 г. советскими исследователями Виноградовым и Тейс при работе с водой, меченой ¹⁸ О. В 70-80-е гг. теоретически показано, что источником кислорода при фотосинтезе является, по-видимо-му, пероксид водорода (Г. Комиссаров), который в достаточных количествах образуется в растительных объектах при их освещении. Однако прямых экспериментальных подтверждений этой точки зрения пока нет.

Фотосинтез in vivo представлен сложной схемой, включающей цепи переносчиков электронов и места синтеза АТФ, где энергия электронов частично запасается в форме энергии химических связей:

Z

Q

ПХ ФД ФД

НАДФ ⁺

b₅₅₉

b₆ НАДФ.Н + Н ⁺

АТФ f

ПЦ

Н₂О АТФ ФС I

О ₂ e ^- ФС II

свет

свет

Q и Z – переносчики электронов неизвестной природы, ПХ – пластохинон; b ₅₅₉,

b ₆, f – различные цитохромы; ПЦ – пластоцианин, ФД – белки ферредоксины.

Очевидно, что простые организмы – фотосинтезирующие бактерии, не способные выделять кислород, содержат только ФС I. Поэтому её считают более древней по происхождению. Более сложные фотосинтезирующие организмы, выделяющие при фотосинтезе кислород, содержат обе фотосистемы.

Приведенная выше схема фотосинтетического переноса электронов носит название Z-схемы. Она была предложена Хиллом и Бенделом. На схеме переносчики электронов размещены в соответствии с их энергетическим зарядом. Поэтому электроны движутся как бы "с горы", теряя по частям свою энергию.

Считается, что часть энергии расходуется на тепловое рассеяние, а часть – на образование макроэргических связей АТФ. Эксперименты показали, что в представленной цепи переноса электронов существуют 2 места наиболее значительных потерь энергии электроном:

- между цитохромом b ₅₅₉ и цитохромом b ₆;

- между цитохромом b ₆ и цитохромом f.

Процесс трансформации энергии света в энергию химических связей молекулы АТФ, происходящий при переносе электронов по электрон-транспортной цепи (ЭТЦ), носит название фотофосфорилирования. Механизм этого процесса достаточно сложен, причём реакции идут с участием мембран, о чем мы будем говорить немного позже. Показателем сложности этого процесса служит присуждение Нобелевской премии 1997 г. за работы в этой области.

  Как работают обе фотосистемы  в живой клетке – последовательно, параллельно, насколько одна ФС автономна от другой – неизвестно. Можно лишь отметить 2 выявленных пути переноса электронов: циклический и нециклический. В ходе циклического переноса синтезируется АТФ, а нециклического – АТФ и НАДФ.Н ₂.

"Горячие" точки современных исследований включают изучение механизма переноса энергии, изучение роли отдельных полипептидов мембран тилакоидов в этом процессе, искусственный фотосинтез, использование пигментов в создании солнечных батарей, фотоматериалов и т.п.

Светособирающие комплексы

Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачу энергии. Более 90 % всего хлорофилла хлоропластов входит в состав светособирающих комплексов (ССК), выполняющих роль антенны, передающей энергию к реакционному центру фотосистем I или II. Помимо хлорофилла в ССК имеются каротиноиды, а у некоторых водорослей и цианобактерий — фикобилины, роль которых заключается в поглощении света тех длин волн, которые хлорофилл поглощает сравнительно слабо.

Передача энергии идёт резонансным путём (механизм Фёрстера) и занимает для одной пары молекул 10-10-10-12 сек., расстояние на которое осуществляется перенос составляет около 1 нм. Передача сопровождается некоторыми потерями энергии (10 % от хлорофилла a к хлорофиллу b, 60 % от каратиноидов к хлорофиллу), из-за чего возможна только от пигмента с максимумом поглощения при меньшей длине волны к пигменту с большей. Именно в таком порядке взаимно локализуются пигменты ССК, причём наиболее длинноволновые хлорофиллы находятся в реакционных центрах. Обратный переход энергии невозможен.

ССК растений расположен в мембранах тилакоидов, у цианобактерий основная его часть вынесена за пределы мембран в прикреплённые к ним фикобилисомы — палочковидные полипептидно-пигментные комплексы, в которых находятся различные фикобилины: на периферии фикоэритрины (с максимумом поглощения при 495—565 нм), за ними фикоцианины (550—615 нм) и аллофикоцианины (610—670 нм), последовательно передающие энергию на хлорофилл a (680—700 нм) реакционного центра.

Основные компоненты электронтранспортной цепи

Фотосистема II

Фотосистема — совокупность ССК, фотохимического реакционного центра и переносчиков электрона. Светособирающий комплекс II содержит 200 молекул хлорофилла a, 100 молекул хлорофилла b, 50 молекул каротиноидов и 2 молекулы феофитина. Реакционный центр фотосистемы II представляет собой пигмент-белковый комплекс, расположенный в тилакоидных мембранах и окружённый ССК. В нём находится димер хлорофилла a с максимумом поглощения при 680 нм (П680). На него в конечном счёте передаётся энергия кванта света из ССК, в результате чего один из электронов переходит на более высокое энергетическое состояние, связь его с ядром ослабляется и возбуждённая молекула П680 становится сильным восстановителем (E0=-0,7 В).

П680 восстанавливает феофитин, в дальнейшем электрон переносится на хиноны, входящие в состав ФС II и далее на пластохиноны, транспортируемые в восстановленной форме к b6f комплексу. Одна молекула пластохинона переносит 2 электрона и 2 протона, которые берутся из стромы.

Заполнение электронной вакансии в молекуле П680 происходит за счёт воды. В состав ФС II входит водоокисляющий комплекс, содержащий в активном центре ионы марганца в количестве 4 штук. Для образования одной молекулы кислорода требуется две молекулы воды, дающие 4 электрона. Поэтому процесс проводится в 4 такта и для его полного осуществления требуется 4 кванта света. Комплекс находится со стороны внутритилакоидного пространства и полученные 4 протона выбрасываются в него.

Таким образом, суммарный результат работы ФС II — это окисление 2 молекул воды с помощью 4 квантов света с образованием 4 протонов во внутритилакоидном пространстве и 2 восстановленных пластохинонов в мембране.

b6f или b/f-комплекс

b6f комплекс является насосом, перекачивающим протоны из стромы во внутритилакоидное пространство и создающий градиент их концентрации за счёт выделяющейся в окислительно-восстановительных реакциях электронтранспортной цепи энергии. 2 пластохинона дают перекачку 4 протонов. В дальнейшем трансмембранный протонный градиент (pH стромы около 8, внутритилакоидного пространства — 5) используется для синтеза АТФ трансмембранным ферментом АТФ-синтазой.

Фотосистема I

Светособирающий комплекс I содержит примерно 200 молекул хлорофилла.

В реакционном центре первой фотосистемы находится димер хлорофилла a с максимумом поглощения при 700 нм (П700). После возбуждения квантом света он восстанавливает первичный акцептор — хлорофилл a, тот — вторичный (витамин K1 или филлохинон), после чего электрон передаётся на ферредоксин, который и восстанавливает НАДФ с помощью фермента ферредоксин-НАДФ-редуктазы.

Белок пластоцианин, восстановленный в b6f комплексе, транспортируется к реакционному центру первой фотосистемы со стороны внутритилакоидного пространства и передаёт электрон на окисленный П700.

Циклический и псевдоциклический транспорт электрона

Помимо полного нециклического пути электрона, описанного выше, обнаружены циклический и псевдоциклический. Суть циклического пути заключается в том, что ферредоксин вместо НАДФ восстанавливает пластохинон, который переносит его назад на b6f комплекс. В результате образуется больший протонный градиент и больше АТФ, но не возникает НАДФН.

При псевдоциклическом пути ферредоксин восстанавливает кислород, который в дальнейшем превращается в воду и может быть использован в фотосистеме II. При этом также не образуется НАДФН.