Ekscitacija elektrona klorofila. Nevjerojatna energija pobuđenog klorofila

Struktura klorofila vrlo je dobro prilagođena da služi kao posrednik u fotokemijskim procesima tijekom fotosinteze. Klorofil je dobar senzibilizator- lako se pobuđuje apsorpcijom svjetlosti i ima sposobnost prijenosa energije (služi kao donor energije) drugim molekulama (akceptorima energije).

U porfirinskoj jezgri izmjenjuju se molekule klorofila. Ovaj sustav od 18 konjugiranih dvostrukih veza služi kao glavni kromofor i odgovoran je za selektivnu apsorpciju svjetlosne energije.

Životno vrijeme pobuđenog stanja molekula klorofila može biti 10 -8 s. Najstabilnija stanja atoma su ona u kojima valentni elektroni zauzimaju najniže energetske razine i raspoređeni su po njima prema Paulijevom principu, tj. ukupni spin svih elektrona atoma je 0. Ovo stanje se naziva osnovno stanje singlet(S= 0).

Ako je broj elektrona u atomu paran, ali su spinovi dva elektrona paralelni, tada je ukupni spin 1 ( S= 1), takvo se stanje naziva trojka. Igra glavnu ulogu u svjetlosnim reakcijama fotosinteze. singletno pobuđeno stanje.

Ako, nakon apsorpcije kvanta svjetlosti, spinovi elektrona ostanu antiparalelni, molekula klorofila prelazi u singletno pobuđeno stanje ( S 1 ili S 2). Singletno uzbuđeno stanje S 2 je vrlo nestabilan, elektron brzo (unutar 10 -12 s) gubi dio energije u obliku topline i prelazi na nižu razinu ( S 1), gdje može ostati 10 -9 - 10 -8 s. Povratak molekule klorofila u prvobitno stanje može se dogoditi na više načina.

Prvo, predajući dio energije u obliku topline i emitirajući kvant svjetlosti, molekula može prijeći u osnovno stanje ( S 0). Ova pojava se zove fluorescencija. Valna duljina fluorescencije duža je od odgovarajuće valne duljine apsorpcije.

Drugo, u jednom pobuđenom stanju S 1 može doći do promjene predznaka spina elektrona i molekula klorofila postaje metastabilna trostruko stanje(T), koji ima puno duži životni vijek - oko 10 -5 - 10 -3 s. Prema Paulijevom principu, ne mogu postojati dva elektrona s istim spinovima na istoj energetskoj razini. Ovo sprječava pobuđeni elektron u tripletnom stanju da zauzme elektronsku "rupu" na razini osnovne energije ( S 0) dok se predznak vrtnje ne promijeni.

Iz tripletnog stanja, molekula se može vratiti u osnovno energetsko stanje, emitirajući svjetlosni kvant dužih valnih duljina nego tijekom fluorescencije. Ovaj sjaj se zove fosforescencija.

Treći, Energija singletnog pobuđenog stanja molekule klorofila može se tijekom fotosinteze iskoristiti u fotokemijskim reakcijama i transformirati u energiju kemijskih veza organskih spojeva.

- sinteza organskih tvari iz ugljičnog dioksida i vode uz obvezno korištenje svjetlosne energije:

6CO 2 + 6H 2 O + Q svjetlo → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

Kod viših biljaka organ fotosinteze je list, a organele fotosinteze su kloroplasti (građa kloroplasta – predavanje br. 7). Membrane kloroplastnih tilakoida sadrže fotosintetske pigmente: klorofile i karotenoide. Postoji nekoliko različitih vrsta klorofila ( a, b, c, d), glavni je klorofil a. U molekuli klorofila može se razlikovati porfirinska "glava" s atomom magnezija u središtu i fitolni "rep". Porfirinska "glava" je ravna struktura, hidrofilna je i stoga leži na površini membrane koja je okrenuta prema vodenom okolišu strome. Fitolni “rep” je hidrofoban i zbog toga zadržava molekulu klorofila u membrani.

Klorofili apsorbiraju crvenu i plavoljubičastu svjetlost, reflektiraju zelenu svjetlost i stoga biljkama daju karakterističnu zelenu boju. Molekule klorofila u tilakoidnim membranama organizirane su u fotosustavi. Biljke i modrozelene alge imaju fotosustav-1 i fotosustav-2, dok fotosintetske bakterije imaju fotosustav-1. Samo fotosustav-2 može razgraditi vodu kako bi oslobodio kisik i uzeo elektrone iz vodika vode.

Fotosinteza je složen proces u više koraka; reakcije fotosinteze dijele se u dvije skupine: reakcije svjetlosna faza i reakcije tamna faza.

Lagana faza

Ova faza se događa samo uz prisutnost svjetla u tilakoidnim membranama uz sudjelovanje klorofila, proteina za prijenos elektrona i enzima ATP sintetaze. Pod utjecajem kvanta svjetlosti, elektroni klorofila se pobuđuju, napuštaju molekulu i ulaze u vanjsku stranu tilakoidne membrane, koja u konačnici postaje negativno nabijena. Oksidirane molekule klorofila se reduciraju, uzimajući elektrone iz vode koja se nalazi u intratilakoidnom prostoru. To dovodi do razgradnje ili fotolize vode:

H 2 O + Q svjetlo → H + + OH - .

Hidroksilni ioni odustaju od svojih elektrona, postajući reaktivni radikali.OH:

OH - → .OH + e - .

OH radikali spajaju se u vodu i slobodni kisik:

4BR. → 2H 2 O + O 2.

U ovom slučaju, kisik se uklanja u vanjsko okruženje, a protoni se nakupljaju unutar tilakoida u "spremniku protona". Kao rezultat toga, tilakoidna membrana, s jedne strane, nabijena je pozitivno zbog H +, a s druge strane, zbog elektrona, nabijena je negativno. Kada razlika potencijala između vanjske i unutarnje strane tilakoidne membrane dosegne 200 mV, protoni se guraju kroz kanale ATP sintetaze i ADP se fosforilira u ATP; Atomski vodik koristi se za obnavljanje specifičnog nosača NADP + (nikotinamid adenin dinukleotid fosfat) u NADPH 2:

2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.

Dakle, u svjetlosnoj fazi dolazi do fotolize vode koju prate tri važna procesa: 1) sinteza ATP-a; 2) stvaranje NADPH 2; 3) stvaranje kisika. Kisik difundira u atmosferu, ATP i NADPH 2 transportiraju se u stromu kloroplasta i sudjeluju u procesima tamne faze.

1 - stroma kloroplasta; 2 - grana tilakoid.

Tamna faza

Ova faza se događa u stromi kloroplasta. Njegove reakcije ne zahtijevaju svjetlosnu energiju, pa se ne odvijaju samo na svjetlu, već iu mraku. Reakcije tamne faze su lanac uzastopnih transformacija ugljičnog dioksida (koji dolazi iz zraka), što dovodi do stvaranja glukoze i drugih organskih tvari.

Prva reakcija u ovom lancu je fiksacija ugljičnog dioksida; Akceptor ugljičnog dioksida je šećer s pet ugljika. ribuloza bifosfat(RiBF); enzim katalizira reakciju Ribuloza bifosfat karboksilaza(RiBP karboksilaza). Kao rezultat karboksilacije ribuloza bisfosfata nastaje nestabilni spoj sa šest ugljikovih atoma koji se odmah raspada u dvije molekule fosfoglicerinska kiselina(FGK). Tada se odvija ciklus reakcija u kojima se fosfoglicerinska kiselina pretvara kroz niz međuprodukata u glukozu. Ove reakcije koriste energiju ATP-a i NADPH 2 nastale u svjetlosnoj fazi; Ciklus ovih reakcija naziva se "Calvinov ciklus":

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

Osim glukoze, tijekom fotosinteze nastaju i drugi monomeri složenih organskih spojeva - aminokiseline, glicerol i masne kiseline, nukleotidi. Trenutno postoje dvije vrste fotosinteze: C 3 - i C 4 fotosinteza.

C 3-fotosinteza

Ovo je vrsta fotosinteze u kojoj su prvi proizvod spojevi s tri ugljika (C3). C 3 fotosinteza je otkrivena prije C 4 fotosinteze (M. Calvin). To je C 3 fotosinteza koja je opisana gore, pod naslovom "Tamna faza". Karakteristične značajke fotosinteze C 3: 1) akceptor ugljičnog dioksida je RiBP, 2) reakciju karboksilacije RiBP katalizira RiBP karboksilaza, 3) kao rezultat karboksilacije RiBP nastaje spoj sa šest ugljika, koji se razlaže na dva PGA. FGK se vraća na trioza fosfati(TF). Dio TF-a koristi se za regeneraciju RiBP-a, a dio se pretvara u glukozu.

1 - kloroplast; 2 - peroksisom; 3 - mitohondrije.

Ovo je apsorpcija kisika i oslobađanje ugljičnog dioksida ovisna o svjetlosti. Početkom prošlog stoljeća utvrđeno je da kisik potiskuje fotosintezu. Kako se pokazalo, za RiBP karboksilazu supstrat može biti ne samo ugljični dioksid, već i kisik:

O 2 + RiBP → fosfoglikolat (2C) + PGA (3C).

Enzim se zove RiBP oksigenaza. Kisik je kompetitivni inhibitor fiksacije ugljičnog dioksida. Fosfatna skupina se odvaja i fosfoglikolat postaje glikolat, koji biljka mora iskoristiti. Ulazi u peroksisome, gdje se oksidira u glicin. Glicin ulazi u mitohondrije, gdje se oksidira u serin, uz gubitak već vezanog ugljika u obliku CO2. Kao rezultat, dvije molekule glikolata (2C + 2C) se pretvaraju u jednu PGA (3C) i CO 2. Fotorespiracija dovodi do smanjenja prinosa C3 biljaka za 30-40% ( Sa 3 biljke- biljke karakterizirane C 3 fotosintezom).

C 4 fotosinteza je fotosinteza u kojoj su prvi produkt spojevi s četiri ugljika (C 4). Godine 1965. ustanovljeno je da su kod nekih biljaka (šećerna trska, kukuruz, sirak, proso) prvi produkti fotosinteze četverougljikove kiseline. Te su se biljke zvale Sa 4 biljke. Godine 1966. australski znanstvenici Hatch i Slack pokazali su da C4 biljke praktički nemaju fotorespiraciju i puno učinkovitije apsorbiraju ugljični dioksid. Put transformacije ugljika u C 4 biljkama počeo se nazivati od Hatch-Slacka.

C 4 biljke karakterizira posebna anatomska građa lista. Svi vaskularni snopovi okruženi su dvostrukim slojem stanica: vanjski sloj su stanice mezofila, unutarnji sloj su stanice ovojnice. Ugljični dioksid je fiksiran u citoplazmi mezofilnih stanica, akceptor je fosfoenolpiruvat(PEP, 3C), kao rezultat karboksilacije PEP-a nastaje oksaloacetat (4C). Proces je kataliziran PEP karboksilaza. Za razliku od RiBP karboksilaze, PEP karboksilaza ima veći afinitet za CO 2 i, što je najvažnije, ne stupa u interakciju s O 2 . Kloroplasti mezofila imaju mnogo zrna u kojima se aktivno odvijaju reakcije svjetlosne faze. Reakcije tamne faze odvijaju se u kloroplastima stanica ovojnice.

Oksaloacetat (4C) se pretvara u malat, koji se transportira kroz plazmodezmate u stanice omotača. Ovdje se dekarboksilira i dehidrogenira da nastane piruvat, CO 2 i NADPH 2 .

Piruvat se vraća u stanice mezofila i regenerira pomoću energije ATP-a u PEP-u. CO 2 se ponovno fiksira RiBP karboksilazom da nastane PGA. Za regeneraciju PEP-a potrebna je energija ATP-a, pa je potrebno gotovo dvostruko više energije nego fotosinteza C 3 .

Značenje fotosinteze

Zahvaljujući fotosintezi, milijarde tona ugljičnog dioksida se apsorbiraju iz atmosfere svake godine i oslobađaju se milijarde tona kisika; fotosinteza je glavni izvor stvaranja organskih tvari. Kisik tvori ozonski omotač koji štiti žive organizme od kratkovalnog ultraljubičastog zračenja.

Tijekom fotosinteze, zeleni list koristi samo oko 1% sunčeve energije koja pada na njega; produktivnost je oko 1 g organske tvari po 1 m2 površine na sat.

Kemosinteza

Sinteza organskih spojeva iz ugljičnog dioksida i vode, koja se provodi ne zbog energije svjetlosti, već zbog energije oksidacije anorganskih tvari, naziva se kemosinteza. Kemosintetski organizmi uključuju neke vrste bakterija.

Nitrifikacijske bakterije amonijak se oksidira u nitratnu, a zatim u dušičnu kiselinu (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Željezne bakterije pretvaraju fero željezo u oksid željeza (Fe 2+ → Fe 3+).

Sumporne bakterije oksidirati vodikov sulfid u sumpor ili sumpornu kiselinu (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Kao rezultat oksidacijskih reakcija anorganskih tvari oslobađa se energija koju bakterije pohranjuju u obliku visokoenergetskih ATP veza. ATP se koristi za sintezu organskih tvari, koja se odvija slično reakcijama tamne faze fotosinteze.

Kemosintetske bakterije doprinose nakupljanju minerala u tlu, poboljšavaju plodnost tla, promiču pročišćavanje otpadnih voda itd.

Ići predavanja br.11“Pojam metabolizma. Biosinteza proteina"

Ići predavanja br.13“Metode diobe eukariotskih stanica: mitoza, mejoza, amitoza”

Izuzetno zanimljiv i još ne sasvim shvaćen proces proizvodnje energije zelenim biljkama danas izgleda ovako. Kvant svjetlosti, apsorbiran od strane molekule klorofila, prenosi energiju svojim elektronima, koji se pomiču na pobuđene razine. Odatle putuju kroz druge molekule povezane s klorofilom u jedan lanac stvaranja energije. Da nema takvog "zajedničkog društva", tada bi elektroni podignuti na visoke energetske razine jednostavno pali na svoja prethodna mjesta, a apsorbirana energija bi se raspršila. Drugim riječima, molekula bi emitirala kvantu energije bez obavljanja ikakvog kemijskog rada. Ono što bi se dogodilo otprilike je isto što se događa kada čelična kugla odskoči. Pada, ne radeći gotovo nikakav posao, osim što je možda prevladao trenje zraka i udario o tlo. Druga bi stvar bila kada bi kuglica skočivši uvis, na primjer, zatvorila strujni krug i time zasvijetlila žarulja. I tu bi se izgubilo nešto energije, ali bi se obavio koristan rad, iako bi se lopta na kraju vratila u prvobitno stanje.

Nešto slično događa se s pobuđenim elektronima molekule klorofila. Nakon što su potrošili višak energije koju im daje kvantum svjetlosti, vraćaju se na svoje prethodne razine. Kome pobuđeni elektroni predaju svoju energiju? Naši dobri prijatelji - citokromi, koji proizvode glavnu energetsku valutu tijela - ATP. Imajte na umu da se fotosintetski relej prijenosa kvantne energije svjetlosti odvija s vrlo visokom učinkovitošću, približno 97%, a cijeli proces fotosinteze obavlja koristan rad u nešto manje od 30%.

Nismo uzalud naveli ove brojke. Proizvodnja ATP-a u stanici je nevjerojatno savršena. Po jedinici mase; živo biće proizvodi mnogo više energije od Sunca. Zanimljivo je da osoba teška 70 kg dnevno proizvodi do 75 kg ATP-a, odnosno više od vlastite težine! Ista količina ATP-a koju industrija proizvodi za tehničke potrebe košta ne manje od 150 tisuća dolara.

Proizvodnja energije je, da tako kažemo, jedan od aspekata aktivnosti klorofila koji ne nadilazi tijelo. Druga strana je impresivnija, karakterizirana početnim i završnim produktima fotosinteze. Kao rezultat tog procesa iz ugljičnog dioksida i vode pod utjecajem svjetlosti nastaju organski spojevi i kisik. Zahvaljujući klorofilu godišnje se na Zemlji asimilira 200 milijardi tona ugljičnog dioksida, pri čemu nastaje 100 milijardi tona organskih tvari i oko 145 milijardi tona slobodnog kisika.

Danas je općeprihvaćeno da je zahvaljujući fotosintezi prvih zelenih organizama koji su se pojavili prije oko tri milijarde godina nastala moderna atmosfera i stvoreni uvjeti za formiranje biosfere (o tome smo već govorili gore). Ovo su čuda koja magnezij čini u porfirinskom prstenu

Proučavajući proces poput fotosinteza koji se aktivira svjetlom, važno je odrediti akcijski spektar ovog procesa kako bi se identificirali uključeni pigmenti. Akcijski spektar je grafikon koji prikazuje ovisnost učinkovitosti procesa koji se proučava o izloženosti svjetlu različitih valnih duljina.

Apsorpcijski spektar je grafikon relativne količine svjetlosti koju apsorbira pigment kao funkcija različitih valnih duljina. Na slici je prikazano spektar fotosintetskog djelovanja I apsorpcijski spektar za kombinirane fotosintetske pigmente.

Obratite pažnju na veliku sličnost prikazanih grafova, što znači da za apsorpciju svjetlosti pri fotosinteza odgovorni su pigmenti, a posebno klorofil.

Ekscitacija klorofila svjetlom

Kada se molekula klorofila ili drugi fotosintetski pigment apsorbira svjetlost, kaže se da je ušao u pobuđeno stanje. Svjetlosna energija se koristi za pomicanje elektrona na višu energetsku razinu. Svjetlosnu energiju hvata klorofil i pretvara u kemijsku energiju. Pobuđeno stanje klorofila je nestabilno, te se njegove molekule teže vratiti u svoje normalno (stabilno) stanje. Na primjer, ako propustimo svjetlo kroz otopinu klorofila i zatim ga promatramo u mraku, vidjet ćemo da otopina fluorescira. To se događa jer se višak energije pobude pretvara u svjetlost duže valne duljine (i niže energije), a ostatak energije se gubi kao toplina.

Pobuđeni elektroni vratiti u svoje normalno niskoenergetsko stanje. U živoj biljci, oslobođena energija može se prenijeti na drugu molekulu klorofila (vidi dolje). U tom slučaju, pobuđeni elektron može prijeći s molekule klorofila na drugu molekulu koja se naziva akceptor elektrona. Budući da je elektron negativno nabijen, nakon što “napusti” ostaje pozitivno nabijena “rupa” u molekuli klorofila.

Proces odustajanja elektrona naziva se oksidacija, a proces njihovog stjecanja je restauracija. Posljedično, klorofil se oksidira i akceptor elektrona se reducira. Klorofil zamjenjuje izgubljene elektrone elektronima niske energije iz drugih molekula koje nazivamo donori elektrona.

Prvi stadiji procesa fotosinteze uključuju kretanje i energije i pobuđenih elektrona između molekula unutar fotosustava opisanih u nastavku.

Povijest proučavanja fotosinteze seže u kolovoz 1771. godine, kada je engleski teolog, filozof i prirodoslovac amater Joseph Priestley (1733. – 1804.) otkrio da biljke mogu “ispraviti” svojstva zraka koji mijenja svoj sastav kao rezultat izgaranja ili aktivnost životinja. Priestley je pokazao da u prisutnosti biljaka "pokvareni" zrak ponovno postaje pogodan za izgaranje i podržavanje života životinja.

U daljnjim istraživanjima Ingenhausa, Senebiera, Saussurea, Boussingaulta i drugih znanstvenika ustanovljeno je da biljke pri osvjetljavanju ispuštaju kisik i apsorbiraju ugljični dioksid iz zraka. Biljke sintetiziraju organske tvari iz ugljičnog dioksida i vode. Taj se proces naziva fotosinteza.

Robert Mayer, koji je otkrio zakon održanja energije, predložio je 1845. da biljke pretvaraju energiju sunčeve svjetlosti u energiju kemijskih spojeva nastalih tijekom fotosinteze. Prema njegovim riječima, "sunčeve zrake koje se šire svemirom "hvataju" se i pohranjuju za kasniju upotrebu prema potrebi." Nakon toga, ruski znanstvenik K.A. Timirjazev je uvjerljivo dokazao da najvažniju ulogu u korištenju sunčeve energije od strane biljaka imaju molekule klorofila prisutne u zelenom lišću.

Ugljikohidrati (šećeri) nastali tijekom fotosinteze koriste se kao izvor energije i građevni materijal za sintezu raznih organskih spojeva u biljkama i životinjama. U višim biljkama procesi fotosinteze odvijaju se u kloroplastima, specijaliziranim organelama biljne stanice za pretvorbu energije.

Shematski prikaz kloroplasta prikazan je na sl. 1.

Ispod dvostruke ljuske kloroplasta, koja se sastoji od vanjske i unutarnje membrane, nalaze se proširene membranske strukture koje tvore zatvorene vezikule zvane tilakoidi. Tilakoidne membrane sastoje se od dva sloja lipidnih molekula, koje uključuju makromolekularne fotosintetske proteinske komplekse. U kloroplastima viših biljaka tilakoidi su grupirani u granu, što su hrpe tilakoida u obliku diska spljoštenih i tijesno stisnutih jedan uz drugog. Nastavak pojedinačnih tilakoida grane su intergranularni tilakoidi koji strše iz njih. Prostor između membrane kloroplasta i tilakoida naziva se stroma. Stroma sadrži molekule kloroplasta RNA, DNA, ribosome, zrnca škroba, kao i brojne enzime, uključujući one koji osiguravaju apsorpciju CO2 od strane biljaka.

Publikacija je nastala uz potporu tvrtke Sushi E’xpress. Tvrtka "Sushi E'xpress" pruža usluge dostave sushija u Novosibirsku. Naručivanjem sushija od tvrtke Sushi E’xpress brzo ćete dobiti ukusno i zdravo jelo pripremljeno od strane profesionalnih kuhara od najsvježijih namirnica najviše kvalitete. Posjetom web stranici tvrtke Sushi E’xpress možete se upoznati s cijenama i sastavom ponuđenih rolada, što će Vam pomoći pri odabiru jela. Za narudžbu dostave sushija nazovite 239-55-87

Svijetli i tamni stadij fotosinteze

Prema suvremenim pojmovima, fotosinteza je niz fotofizičkih i biokemijskih procesa, uslijed kojih biljke sintetiziraju ugljikohidrate (šećere) koristeći energiju sunčeve svjetlosti. Brojni stadiji fotosinteze obično se dijele u dvije velike skupine procesa - svijetlu i tamnu fazu.

Svjetlosnim stadijima fotosinteze obično se naziva skup procesa uslijed kojih se zahvaljujući svjetlosnoj energiji sintetiziraju molekule adenozin trifosfata (ATP) i nastaje reducirani nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADP H), spoj s visokim dolazi do smanjenja potencijala. Molekule ATP-a djeluju kao univerzalni izvor energije u stanici. Poznato je da se energija makroergičkih (tj. energetski bogatih) fosfatnih veza molekule ATP koristi u većini biokemijskih procesa koji troše energiju.

Svjetlosni procesi fotosinteze odvijaju se u tilakoidima, čije membrane sadrže glavne komponente fotosintetskog aparata biljaka - pigmentno-proteinske i transportne komplekse za prikupljanje svjetlosti, kao i kompleks ATP sintaze, koji katalizira stvaranje ATP-a iz adenozina. difosfat (ADP) i anorganski fosfat (P i) (ADP + F i → ATP + H 2 O). Dakle, kao rezultat svjetlosnih faza fotosinteze, energija svjetlosti koju biljke apsorbiraju pohranjuje se u obliku visokoenergetskih kemijskih veza molekula ATP-a i jakog redukcijskog sredstva NADP H, koji se koriste za sintezu ugljikohidrata u takozvane tamne faze fotosinteze.

Tamne faze fotosinteze obično se nazivaju skupom biokemijskih reakcija, uslijed kojih biljke apsorbiraju atmosferski ugljični dioksid (CO 2) i nastaju ugljikohidrati. Ciklus tamnih biokemijskih transformacija koje dovode do sinteze organskih spojeva iz CO 2 i vode naziva se Calvin-Bensonov ciklus, po autorima koji su dali odlučujući doprinos proučavanju tih procesa. Za razliku od kompleksa transporta elektrona i ATP sintaze, koji se nalaze u tilakoidnoj membrani, enzimi koji kataliziraju "tamne" reakcije fotosinteze otopljeni su u stromi. Kada se membrana kloroplasta uništi, ti se enzimi ispiru iz strome, zbog čega kloroplasti gube sposobnost apsorpcije ugljičnog dioksida.

Kao rezultat pretvorbi niza organskih spojeva u Calvin-Bensonovom ciklusu, iz tri molekule CO 2 i vode u kloroplastima nastaje molekula gliceraldehid-3-fosfata kemijske formule CHO–CHOH–CH2. O–PO 3 2-. U ovom slučaju, po jednoj molekuli CO 2 uključenoj u gliceraldehid-3-fosfat troše se tri molekule ATP i dvije molekule NADP H.

Za sintezu organskih spojeva u Calvin–Bensonovom ciklusu, energija koja se oslobađa tijekom reakcije hidrolize visokoenergetskih fosfatnih veza molekula ATP (reakcija ATP + H 2 O → ADP + Ph i) i snažan redukcijski potencijal NADP H koriste se molekule.Glavni dio molekula nastalih u kloroplastu Gliceraldehid-3-fosfat ulazi u citosol biljne stanice, gdje se pretvara u fruktozo-6-fosfat i glukozo-6-fosfat, koji daljnjim transformacijama stvaraju šećer fosfat, prekursor saharoze. Škrob se sintetizira iz molekula gliceraldehid-3-fosfata preostalih u kloroplastu.

Pretvorba energije u fotosintetskim reakcijskim centrima

Fotosintetski kompleksi biljaka, algi i fotosintetskih bakterija dobro su proučeni. Utvrđen je kemijski sastav i prostorna struktura energetski transformirajućih proteinskih kompleksa te je razjašnjen slijed procesa energetske transformacije. Unatoč razlikama u sastavu i molekularnoj strukturi fotosintetskog aparata, postoje opći obrasci procesa pretvorbe energije u fotoreakcijskim centrima svih fotosintetskih organizama. U fotosintetskim sustavima biljnog i bakterijskog podrijetla, jedinstvena strukturna i funkcionalna jedinica fotosintetskog aparata je fotosustav, koji uključuje antenu za prikupljanje svjetlosti, fotokemijski reakcijski centar i pridružene molekule - prijenosnike elektrona.

Razmotrimo najprije opće principe transformacije energije sunčeve svjetlosti, karakteristične za sve fotosintetske sustave, a zatim ćemo se detaljnije zadržati na primjeru funkcioniranja fotoreakcijskih centara i lanca prijenosa elektrona kloroplasta u višim biljkama.

Antena za prikupljanje svjetlosti (apsorpcija svjetlosti, migracija energije u reakcijski centar)

Prvi elementarni čin fotosinteze je apsorpcija svjetlosti od strane molekula klorofila ili pomoćnih pigmenata koji su dio posebnog pigmentno-proteinskog kompleksa koji se naziva antena za prikupljanje svjetla. Antena za prikupljanje svjetlosti je makromolekularni kompleks dizajniran za učinkovito hvatanje svjetlosti. U kloroplastima, antenski kompleks sadrži veliki broj (do nekoliko stotina) molekula klorofila i određenu količinu pomoćnih pigmenata (karotenoida) čvrsto vezanih za protein.

Pri jakoj sunčevoj svjetlosti pojedinačna molekula klorofila apsorbira svjetlosne kvantove relativno rijetko, u prosjeku ne više od 10 puta u sekundi. Međutim, budući da postoji veliki broj molekula klorofila po fotoreakcijskom centru (200-400), čak i uz relativno slab intenzitet svjetlosti koja pada na list u uvjetima zasjenjenja biljke, reakcijski centar se vrlo često aktivira. Skup pigmenata koji apsorbiraju svjetlost u biti djeluje kao antena koja, zbog svoje prilično velike veličine, učinkovito hvata sunčevu svjetlost i usmjerava njenu energiju u reakcijski centar. Biljke koje vole sjenu u pravilu imaju veću antenu za prikupljanje svjetla u usporedbi s biljkama koje rastu u uvjetima jakog osvjetljenja.

U biljkama, glavni pigmenti koji sakupljaju svjetlost su molekule klorofila. a i klorofil b, apsorbirajući vidljivu svjetlost valne duljine λ ≤ 700–730 nm. Izolirane molekule klorofila apsorbiraju svjetlost samo u dva relativno uska pojasa sunčevog spektra: na valnim duljinama od 660-680 nm (crvena svjetlost) i 430-450 nm (plavo-ljubičasta svjetlost), što, naravno, ograničava učinkovitost korištenja cijeli spektar upadne sunčeve svjetlosti na zeleni list.

Međutim, spektralni sastav svjetlosti koju apsorbira antena za prikupljanje svjetlosti zapravo je mnogo širi. To se objašnjava činjenicom da se apsorpcijski spektar agregiranih oblika klorofila koji su dio antene za prikupljanje svjetlosti pomiče prema dužim valnim duljinama. Uz klorofil, antena za prikupljanje svjetla uključuje i pomoćne pigmente koji povećavaju učinkovitost njezina rada jer apsorbiraju svjetlost u onim područjima spektra u kojima molekule klorofila, glavnog pigmenta antene za prikupljanje svjetla, apsorbiraju svjetlo relativno slabo.

U biljkama su pomoćni pigmenti karotenoidi koji apsorbiraju svjetlost u području valne duljine λ ≈ 450–480 nm; u stanicama fotosintetskih algi to su crveni i plavi pigmenti: fikoeritrini u crvenim algama (λ ≈ 495–565 nm) i fikocijanini u modrozelenim algama (λ ≈ 550–615 nm).

Apsorpcija kvanta svjetlosti od strane molekule klorofila (Chl) ili pomoćnog pigmenta dovodi do njegove ekscitacije (elektron prelazi na višu energetsku razinu):

Chl + hν → Chl*.

Energija pobuđene molekule klorofila Chl * prenosi se na molekule susjednih pigmenata, koji je zauzvrat mogu prenijeti na druge molekule antene za prikupljanje svjetlosti:

Chl* + Chl → Chl + Chl*.

Energija ekscitacije tako može migrirati kroz matricu pigmenta sve dok ekscitacija konačno ne dosegne fotoreakcijski centar P (shematski prikaz ovog procesa prikazan je na slici 2):

Chl* + P → Chl + P*.

Imajte na umu da je trajanje postojanja molekula klorofila i drugih pigmenata u pobuđenom stanju vrlo kratko, τ ≈ 10 –10 –10 –9 s. Stoga postoji izvjesna vjerojatnost da se na putu do reakcijskog centra P energija takvih kratkotrajnih pobuđenih stanja pigmenata može beskorisno izgubiti - raspršiti u toplinu ili osloboditi u obliku svjetlosnog kvanta (fenomen fluorescencije). U stvarnosti je, međutim, učinkovitost migracije energije u fotosintetski reakcijski centar vrlo visoka. U slučaju kada je reakcijski centar u aktivnom stanju, vjerojatnost gubitka energije u pravilu nije veća od 10–15%. Ova visoka učinkovitost korištenja sunčeve energije posljedica je činjenice da je antena za sakupljanje svjetlosti visoko uređena struktura koja osigurava vrlo dobru međusobnu interakciju pigmenata. Zahvaljujući tome postiže se velika brzina prijenosa energije pobude od molekula koje apsorbiraju svjetlost do fotoreakcijskog centra. Prosječno vrijeme za "skok" energije pobude s jednog pigmenta na drugi, u pravilu, je τ ≈ 10 -12 -10 -11 s. Ukupno vrijeme migracije ekscitacije do reakcijskog centra obično ne prelazi 10 –10 –10 –9 s.

Fotokemijski reakcijski centar (prijenos elektrona, stabilizacija odvojenih naboja)

Modernim idejama o strukturi reakcijskog centra i mehanizmima primarnih faza fotosinteze prethodili su radovi A.A. Krasnovsky, koji je otkrio da se u prisutnosti donora i akceptora elektrona molekule klorofila pobuđene svjetlom mogu reverzibilno reducirati (prihvatiti elektron) i oksidirati (donirati elektron). Kasnije su Cock, Witt i Duyzens otkrili u biljkama, algama i fotosintetskim bakterijama posebne pigmente klorofilne prirode, nazvane reakcijski centri, koji se oksidiraju pod djelovanjem svjetlosti i koji su zapravo primarni donori elektrona tijekom fotosinteze.

Fotokemijski reakcijski centar P poseban je par (dimer) molekula klorofila koji djeluje kao zamka za energiju pobude koja luta kroz pigmentnu matricu antene za sakupljanje svjetla (slika 2). Kao što tekućina teče sa stijenki širokog lijevka prema njegovom uskom vratu, energija svjetlosti koju apsorbiraju svi pigmenti antene za prikupljanje svjetlosti usmjerava se u reakcijski centar. Ekscitacija reakcijskog centra pokreće lanac daljnjih transformacija svjetlosne energije tijekom fotosinteze.

Redoslijed procesa koji se odvijaju nakon ekscitacije reakcijskog centra P i dijagram odgovarajućih promjena energije fotosustava shematski su prikazani na sl. 3.

Uz dimer klorofila P, fotosintetski kompleks uključuje molekule primarnih i sekundarnih akceptora elektrona, koje ćemo konvencionalno označiti kao A i B, kao i primarni donor elektrona, molekulu D. Pobuđeni reakcijski centar P* ima nizak afinitet za elektrone i stoga se lako predaje svom obližnjem primarnom akceptoru elektrona A:

D(P*A)B → D(P + A –)B.

Dakle, kao rezultat vrlo brzog (t ≈10–12 s) prijenosa elektrona od P * do A, ostvaruje se drugi temeljno važan stupanj pretvorbe sunčeve energije tijekom fotosinteze - odvajanje naboja u reakcijskom centru. U tom slučaju nastaje jaki redukcijski agens A – (donor elektrona) i jaki oksidacijski agens P + (akceptor elektrona).

Molekule P + i A – smještene su asimetrično u membrani: u kloroplastima se reakcijski centar P + nalazi bliže površini membrane okrenutoj prema unutrašnjosti tilakoida, a akceptor A – bliže vanjskoj strani. Stoga, kao rezultat fotoinduciranog odvajanja naboja, na membrani nastaje razlika električnog potencijala. Svjetlosno inducirano odvajanje naboja u reakcijskom centru slično je stvaranju razlike električnog potencijala u konvencionalnoj fotoćeliji. Treba, međutim, naglasiti da je, za razliku od svih poznatih i široko korištenih fotopretvornika energije u tehnici, radna učinkovitost fotosintetskih reakcijskih centara vrlo visoka. Učinkovitost odvajanja naboja u aktivnim fotosintetskim reakcijskim centrima u pravilu prelazi 90–95% (najbolji primjeri solarnih ćelija imaju učinkovitost ne veću od 30%).

Koji mehanizmi osiguravaju tako visoku učinkovitost pretvorbe energije u reakcijskim centrima? Zašto se elektron prenesen na akceptor A ne vrati natrag u pozitivno nabijeni oksidirani centar P + ? Stabilizacija odvojenih naboja osigurava se uglavnom zahvaljujući sekundarnim procesima prijenosa elektrona nakon prijenosa elektrona iz P* u A. Od obnovljenog primarnog akceptora A, elektron vrlo brzo (u 10–10–10–9 s) odlazi u sekundarni akceptor elektrona B:

D(P + A –)B → D(P + A)B – .

U tom slučaju ne samo da se elektron udaljava od pozitivno nabijenog reakcijskog centra P + , nego se i energija cijelog sustava primjetno smanjuje (slika 3). To znači da će elektron za prijenos u suprotnom smjeru (prijelaz B – → A) morati prevladati prilično visoku energetsku barijeru ΔE ≈ 0,3–0,4 eV, gdje je ΔE razlika u razinama energije za dva stanja sustavu u kojem se elektron nalazi redom na nosaču A ili B. Iz tog razloga, da bi se elektron vratio natrag, od reducirane molekule B - do oksidirane molekule A, trebalo bi puno više vremena nego za izravni prijelaz A - → B. Drugim riječima, u smjeru naprijed elektron se prenosi mnogo brže nego u obrnutom smjeru. Stoga, nakon što se elektron prenese na sekundarni akceptor B, vjerojatnost njegovog povratka i rekombinacije s pozitivno nabijenom "rupom" P + značajno se smanjuje.

Drugi čimbenik koji pridonosi stabilizaciji odvojenih naboja je brza neutralizacija oksidiranog fotoreakcijskog centra P + zbog elektrona koji P + dovodi od donora elektrona D:

D(P + A)B – → D + (PA)B – .

Nakon što je primio elektron od molekule donora D i vratio se u prvobitno reducirano stanje P, reakcijski centar više neće moći prihvatiti elektron od reduciranih akceptora, ali sada je spreman za ponovno ispaljivanje - predati elektron pokraj njega smješten oksidirani primarni akceptor A. Ovo je redoslijed događaja koji se događaju u fotoreakcijskim centrima svih fotosintetskih sustava.

Lanac prijenosa elektrona kloroplasta

U kloroplastima viših biljaka postoje dva fotosustava: fotosustav 1 (PS1) i fotosustav 2 (PS2), koji se razlikuju po sastavu proteina, pigmenata i optičkim svojstvima. Antena za prikupljanje svjetlosti FS1 apsorbira svjetlost valne duljine λ ≤ 700–730 nm, a FS2 apsorbira svjetlost valne duljine λ ≤ 680–700 nm. Svjetlom inducirana oksidacija reakcijskih centara PS1 i PS2 praćena je njihovim izbjeljivanjem, što je karakterizirano promjenama u njihovim apsorpcijskim spektrima na λ ≈ 700 i 680 nm. Sukladno svojim optičkim karakteristikama, reakcijski centri PS1 i PS2 nazvani su P 700 i P 680.

Dva su fotosustava međusobno povezana preko lanca prijenosnika elektrona (slika 4). PS2 je izvor elektrona za PS1. Svjetlosno inicirano odvajanje naboja u fotoreakcijskim centrima P 700 i P 680 osigurava prijenos elektrona iz vode razložene u PS2 do konačnog akceptora elektrona - NADP + molekule. Lanac transporta elektrona (ETC), koji povezuje dva fotosustava, uključuje molekule plastokinona, zaseban kompleks proteina transporta elektrona (tzv. b/f kompleks) i protein plastocijanin topiv u vodi (P c) kao prijenosnike elektrona. Dijagram koji prikazuje relativni raspored transportnih kompleksa elektrona u tilakoidnoj membrani i put prijenosa elektrona iz vode u NADP+ prikazan je na slici. 4.

U PS2, iz pobuđenog centra P* 680, elektron se prvo prenosi na primarni akceptor feofetin (Phe), a zatim na molekulu plastokinona Q A, čvrsto vezan na jedan od proteina PS2,

Y(P* 680 Phe)Q A Q B → Y(P + 680 Phe –)Q A Q B →Y(P + 680 Phe)Q A – Q B .

Elektron se zatim prenosi na drugu molekulu plastokinona QB, a P 680 prima elektron od primarnog donora elektrona Y:

Y(P + 680 Phe)Q A – Q B → Y + (P 680 Phe)Q A Q B – .

Molekula plastokinona, čija je kemijska formula i njezin položaj u lipidnoj dvoslojnoj membrani prikazani na Sl. 5, sposoban je prihvatiti dva elektrona. Nakon što se PS2 reakcijski centar dva puta aktivira, molekula plastokinona Q B će primiti dva elektrona:

Q B + 2e – → Q B 2– .

Negativno nabijena molekula Q B 2– ima veliki afinitet za vodikove ione koje hvata iz stromalnog prostora. Nakon protoniranja reduciranog plastokinona Q B 2– (Q B 2– + 2H + → QH 2) nastaje električki neutralni oblik te molekule QH 2 koji se naziva plastokinol (slika 5). Plastokinol djeluje kao mobilni prijenosnik dva elektrona i dva protona: nakon napuštanja PS2, molekula QH 2 može se lako kretati unutar tilakoidne membrane, osiguravajući vezu PS2 s drugim transportnim kompleksima elektrona.

Oksidirani reakcijski centar PS2 R 680 ima iznimno visok afinitet prema elektronima, tj. je vrlo jak oksidans. Zbog toga PS2 razgrađuje vodu, kemijski stabilan spoj. Kompleks razdvajanja vode (WSC), koji je dio PS2, sadrži u svom aktivnom centru skupinu iona mangana (Mn 2+), koji služe kao donori elektrona za P680. Doniranjem elektrona oksidiranom reakcijskom centru, ioni mangana postaju "akumulatori" pozitivnih naboja, koji su izravno uključeni u reakciju oksidacije vode. Kao rezultat sekvencijalne četverostruke aktivacije reakcijskog centra P 680, četiri jaka oksidativna ekvivalenta (ili četiri "rupe") nakupljaju se u aktivnom centru VRC koji sadrži Mn u obliku oksidiranih iona mangana (Mn 4+), koji , u interakciji s dvije molekule vode, kataliziraju reakciju razgradnje vode:

2Mn 4+ + 2H 2 O → 2Mn 2+ + 4H + + O 2.

Dakle, nakon sekvencijalnog prijenosa četiri elektrona iz VRC-a u P 680, dolazi do sinkrone razgradnje dviju molekula vode odjednom, popraćene oslobađanjem jedne molekule kisika i četiri iona vodika, koji ulaze u intratilakoidni prostor kloroplasta.

Molekula plastokinola QH 2 nastala tijekom funkcioniranja PS2 difundira u lipidni dvosloj tilakoidne membrane do b/f kompleksa (sl. 4 i 5). Kada naiđe na b/f kompleks, molekula QH 2 se veže za njega i potom mu prenosi dva elektrona. U ovom slučaju, za svaku molekulu plastokinola oksidiranu b/f kompleksom, dva iona vodika oslobađaju se unutar tilakoida. S druge strane, b/f kompleks služi kao donor elektrona za plastocijanin (P c), relativno mali protein topljiv u vodi čije aktivno središte uključuje ion bakra (reakcije redukcije i oksidacije plastocijanina popraćene su promjenama valencije ion bakra Cu 2+ + e – ↔ Cu+). Plastocijanin djeluje kao veza između b/f kompleksa i PS1. Molekula plastocijanina brzo se kreće unutar tilakoida, osiguravajući prijenos elektrona od b/f kompleksa do PS1. Iz reduciranog plastocijanina, elektron odlazi izravno u oksidirane reakcijske centre PS1 – P 700 + (vidi sliku 4). Stoga, kao rezultat kombiniranog djelovanja PS1 i PS2, dva elektrona iz molekule vode razložene u PS2 se na kraju prenose kroz lanac transporta elektrona do NADP + molekule, osiguravajući stvaranje jakog redukcijskog agensa NADP H.

Zašto su kloroplastima potrebna dva fotosustava? Poznato je da fotosintetske bakterije, koje koriste različite organske i anorganske spojeve (primjerice, H 2 S) kao donor elektrona za obnovu oksidiranih reakcijskih centara, uspješno funkcioniraju s jednim fotosustavom. Pojava dvaju fotosustava najvjerojatnije je posljedica činjenice da energija jednog kvanta vidljive svjetlosti nije dovoljna da osigura razgradnju vode i učinkovit prolaz elektrona duž lanca molekula nositelja od vode do NADP +. Prije otprilike 3 milijarde godina na Zemlji su se pojavile modrozelene alge ili cijanobakterije koje su stekle sposobnost korištenja vode kao izvora elektrona za smanjenje ugljičnog dioksida. Trenutno se vjeruje da PS1 potječe od zelenih bakterija, a PS2 od ljubičastih bakterija. Nakon što je tijekom evolucijskog procesa PS2 "uključen" u jedan lanac prijenosa elektrona zajedno s PS1, postalo je moguće riješiti energetski problem - prevladati prilično veliku razliku u redoks potencijalima parova kisik/voda i NADP + / NADP H. Pojava fotosintetskih organizama, sposobnih za oksidaciju vode, postala je jedna od najvažnijih faza u razvoju žive prirode na Zemlji. Prvo, alge i zelene biljke, nakon što su "naučile" oksidirati vodu, ovladale su neiscrpnim izvorom elektrona za redukciju NADP +. Drugo, razgradnjom vode ispunili su Zemljinu atmosferu molekularnim kisikom i tako stvorili uvjete za brzi evolucijski razvoj organizama čija je energija povezana s aerobnim disanjem.

Sprezanje procesa prijenosa elektrona s prijenosom protona i sintezom ATP-a u kloroplastima

Prijenos elektrona kroz ETC obično je popraćen smanjenjem energije. Taj se proces može usporediti sa spontanim kretanjem tijela duž nagnute ravnine. Smanjenje razine energije elektrona tijekom njegovog kretanja duž ETC-a uopće ne znači da je prijenos elektrona uvijek energetski beskoristan proces. U normalnim uvjetima funkcioniranja kloroplasta, većina energije koja se oslobađa tijekom prijenosa elektrona ne troši se beskorisno, već se koristi za rad posebnog kompleksa za pretvorbu energije koji se naziva ATP sintaza. Ovaj kompleks katalizira energetski nepovoljan proces stvaranja ATP-a iz ADP-a i anorganskog fosfata P i (reakcija ADP + P i → ATP + H 2 O). U tom smislu, uobičajeno je reći da su procesi doniranja energije prijenosa elektrona povezani s energetskim akceptorskim procesima sinteze ATP-a.

Najvažniju ulogu u osiguravanju povezivanja energije u tilakoidnim membranama, kao iu svim drugim organelama koje pretvaraju energiju (mitohondrijima, kromatoforima fotosintetskih bakterija), igraju procesi transporta protona. Sinteza ATP-a usko je povezana s prijenosom tri protona iz tilakoida (3H in +) u stromu (3H out +) preko ATP sintaze:

ADP + F i + 3H in + → ATP + H 2 O + 3H out + .

Ovaj proces postaje moguć jer, zbog asimetričnog rasporeda nosača u membrani, funkcioniranje ETC-a kloroplasta dovodi do nakupljanja viška protona unutar tilakoida: vodikovi ioni apsorbiraju se izvana u fazama NADP-a. + redukcija i stvaranje plastokinola i oslobađaju se unutar tilakoida u fazama razgradnje vode i oksidacije plastokinola (slika 4). Osvjetljavanje kloroplasta dovodi do značajnog (100-1000 puta) povećanja koncentracije vodikovih iona unutar tilakoida.

Dakle, pogledali smo lanac događaja tijekom kojih se energija sunčeve svjetlosti pohranjuje u obliku energije visokoenergetskih kemijskih spojeva - ATP i NADP H. Ovi proizvodi svjetlosnog stadija fotosinteze koriste se u tamnim stadijima da iz ugljičnog dioksida i vode stvaraju organske spojeve (ugljikohidrate). Glavne faze pretvorbe energije koje dovode do stvaranja ATP-a i NADP-H uključuju sljedeće procese: 1) apsorpciju svjetlosne energije pigmentima antene za sakupljanje svjetla; 2) prijenos energije pobude u fotoreakcijski centar; 3) oksidacija fotoreakcijskog centra i stabilizacija odvojenih naboja; 4) prijenos elektrona duž transportnog lanca elektrona, stvaranje NADP H; 5) transmembranski prijenos vodikovih iona; 6) Sinteza ATP-a.

1. Alberts B., Bray D., Lewis J., Roberts K., Watson J. Molekularna biologija stanica. T. 1. – M.: Mir, 1994. 2. izd.
2. Kukuškin A.K., Tihonov A.N. Predavanja iz biofizike fotosinteze biljaka. – M.: Izdavačka kuća Moskovskog državnog sveučilišta, 1988.
3. Nichols D.D. Bioenergija. Uvod u kemiosmotsku teoriju. – M.: Mir, 1985.
4. Skulachev V.P. Energija bioloških membrana. – M.: Nauka, 1989.