Микробы

На световом этапе фотосинтеза происходит окисление молекул воды до О2 и восстановление NADP+ до NADPH . Для первого процесса необходимо создание сильного окислителя, для второго — сильного восстановителя.

И то, и другое осуществляется в результате поглощения кванта видимого света хлорофиллом в двух разделенных фотохимических системах, обозначаемых соответственно как фотосистемы IIиI. Молекулы хлорофилла содержат систему сопряженных связей, формируемых набором многоцентровых молекулярных орбиталей, половина из которых в невозбужденном состоянии заполнена парами электронов, а вторая половина вакантна. Расстояние между высшей заполненной и низшей незаполненной орбиталями в шкале энергий не очень велико и соответствует длине волны около 700 нм, несколько различной для фотосистем I (700 нм) и II (680 нм) в связи с различием в окружении поглощающих молекул. При поглощении света один электрон переходит на низшую незаполненную орбиталь. В гомогенном состоянии возбужденный хлорофилл возвращается в основное состояние с испусканием кванта света, т. е. в результате флуоресценции. В фотосистемах I и II этого не происходит в результате присутствия рядом с возбуждаемой молекулой двух вспомогательных пар окислитель/восстановитель. Поскольку их химическая природа не может считаться достоверно установленной, ниже они будут обозначаться для фотосистемы I как Ox1/Red1 и Ox¢1/Red¢1, а для фотосистемы II как Ox2/Red2 и Ox¢2/Red¢2. Пара Ox1/Red1 должна характеризоваться отрицательным значением окислительно-восстановительного потенциала с тем, чтобы ее компонент Ox1 мог принять возбужденный электрон с образованием сильного восстановителя. При этом возбужденный хлорофилл должен превратиться в катион-радикал, который, получив электрон от восстановленного компонента Red¢l пары Ox¢1/Red¢1, возвращается в исходное состояние и может принимать следующий квант света. Молекула хлорофилла вместе с двумя указанными парами образует реакционный центр фотосистемы I. Роль большого числа других молекул хлорофилла, связанных с хлорофиллом реакционного центра в один кластер, состоит в собирании квантов света, которые безызлучательным путем подаются на хлорофилл реакционного центра, т. е. играют роль антенны. Сказанное можно записать в виде фотофизической (т. е. не конкретизирующей природу частиц) схемы, представленной на Рис. 8.8.

Возвращение в исходное состояние частицы Red1 происходит в результате передачи ею электрона следующему переносчику или NADP+, причем для восстановления одной молекулы NADP+ необходимо последовательное поглощение двух квантов света.

В фотосистеме II за возбуждением молекулы хлорофилла следует передача электрона некоторой частице Ох¢2, в результате чего образуется катион-радикал хлорофилла. Он принимает электрон от компонента Red2 пары Ox2/Red2, обладающей высоким положительным значением окислительно-восстановительного потенциала, в результате чего образуется сильный окислитель Ох2.

Этот окислитель принимает участие в окислении молекулы воды до O2. Схему событий, протекающих в реакционном центре фотосистемы II, показана на Рис. 8.9.

Возвращение частицы Ох2 в исходное состояние Red2 происходит в результате передачи электрона от молекулы воды.

В приведенном виде схемы на Рис. 8.8 и Рис. 8.9 не являются полными, поскольку в исходное состояние должны вернуться также частицы Ox¢1 и Red¢2. Это осуществляется путем переноса электрона от Ox¢2 и Red¢1, т. е. путем передачи электрона от фотосистемы II к фотосистеме I. При этом на каждую пару перенесенных электронов происходит один акт фосфорилирования АDP.

Сведения о химической природе компонентов, осуществляющих описанные процессы, как и в случае системы окислительного фосфорилирования, не являются полными. Ниже будут перечислены основные наиболее достоверно установленные и обстоятельно изученные компоненты.

В реакционном центре фотосистемы II присутствуют ионы марганца, принимающие непосредственное участие в окислении воды и, вероятно, выступающие в роли пары Ox2/Red2. Ближайшим акцептором электронов, генерируемых фотосистемой II, является пластохинон — близкий структурный аналог убихинона, существующий в окисленной хиноидной и восстановленной гидрохинонной форме (n = 6–10) ( 8.10).

Далее в цепи переноса электронов от фотосистемы II к фотосистеме I принимают участие два цитохрома b559 и c552. Следующим компонентом цепи является медьсодержащий белок пластоцианин, от которого электрон поступает в реакционный центр фотосистемы I. Комплекс, образованный пластохиноном, цитохромами b559 и с552 и пластоцианином, по-видимому, является близким аналогом комплекса III в цепи переноса электронов в митохондриях. При прохождении через него пары электронов создается градиент концентрации протонов через мембрану тилакоидов, направленный внутрь мембраны, — рН внутри тилакоида может достигать значений 4 и ниже. Этот градиент используется вмонтированной в мембрану тилакоидов АТРазой, аналогичной митохондриальной и обычно обозначаемой как CFo — cf1, где символ С относит ее к хлоропластам (chloroplasts), a Fo и F1 обозначают связанную с мембраной гидрофобную и выступающую из мембраны гидрофильную часть комплекса, причем именно CF1 является носителем каталитической активности. Эта часть экспонирована в строму, и поэтому АТР образуется с наружной стороны тилакоида и беспрепятственно поступает в строму для участия в темновых стадиях фотосинтеза.

Фотосистема I посылает электрон на ферредоксин, который принимает участие в восстановлении NADP+ также происходящем с наружной части тилакоидной мембраны, так что NADPH сразу поступает в строму.

Из сказанного видно, что для восстановления одной молекулы NADP+ до NADPH необходимо прохождение двух электронов через обе фотосистемы, т. е. поглощение четырех квантов света. На каждую восстановленную молекулу NADPH приходится одна образовавшаяся молекула АТР. Такое соотношение между накоплением NADPH и АТР не может обеспечить даже потребности основного процесса — восстановления СО2 до углеводов. На каждые две молекулы NADPH требуется три молекулы АТР. Кроме того, АТР необходим для обеспечения целого ряда других энергетических, синтетических и регуляторных потребностей растительных клеток. Поэтому в хлоропластах функционирует дополнительный механизм, который обеспечивает фотосинтетическое фосфорилирование без сопутствующего восстановления никотинамидного кофермента и в котором участвует только фотосистема I. С этой целью поток электронов, поступающих от реакционного центра фотосистемы I на ферредоксин, разделяется на два. Часть их, как уже говорилось, используется для восстановления NADP+, а другая направляется на цитохром b559 и с него возвращается в реакционный центр фотосистемы I, проходя через цитохром c552 и пластоцианин и создавая протонный градиент через тилакоидную мембрану, используемый для фосфорилирования АDP. Этот путь получил название циклического фотосинтетического фосфорилирования. На рис. 98 представлена вся описанная схема световых стадий процесса фотосинтеза в зеленых растениях.