Порушення електронів хлорофілу. Дивовижна енергія збудженого хлорофілу

Структура хлорофілу дуже добре пристосована для того, щоб бути посередником у фотохімічних процесах в ході фотосинтезу. Хлорофіл є гарним сенсибілізатором- легко збуджується при поглинанні світла і має здатність передавати енергію (служити донором енергії) іншим молекулам (акцепторам енергії).

У порфіриновому ядрі молекули хлорофілу має місце чергування. Ця система з 18 сполучених подвійних зв'язків виконує функції основного хромофора та відповідає за вибіркове поглинання енергії світла.

Час життя збудженого стану молекул хлорофілу може становити 10 -8 с. Найбільш стійкі стани атомів, в яких валентні електрони займають найнижчі енергетичні рівні і розподілені за ними згідно з принципом Паулі, тобто сумарний спин всіх електронів атома дорівнює 0. Цей стан називають основним синглетним(S= 0).

Якщо число електронів в атомі парне, але спини двох електронів паралельні, то повний спин дорівнює 1 ( S= 1), такий стан називається триплетним.У світлових реакціях фотосинтезу головну роль відіграє синглетний збуджений стан.

Якщо при поглинанні кванта світла спини електронів залишаються антипаралельними, молекула хлорофілу перетворюється на синглетное збуджений стан( S 1 або S 2). Синглетний збуджений стан S 2 дуже нестабільно, електрон швидко (за 10 -12 с) втрачає частину енергії у вигляді тепла та переходить на нижній рівень ( S 1), де може перебувати протягом 10 -9 - 10 -8 с. Повернення у вихідний стан молекули хлорофілу може відбуватися кількома шляхами.

По перше, Віддавши частину енергії у вигляді тепла і випромінювши квант світла, молекула може перейти в основний стан ( S 0). Таке явище називається флуоресценцією. Довжина хвилі флуоресценції більша за відповідні довжини хвиль поглинання.

По-друге, у синглетному збудженому стані S 1 може відбутися зміна знака спина електрона, при цьому молекула хлорофілу переходить у метастабільне триплетний стан(Т), що має набагато більший час життя - близько 10 -5 - 10 -3 с. Відповідно до принципу Паулі однією енергетичному рівні може бути двох електронів з однаковими спинами. Це не дозволяє збудженому електрону в триплетному стані зайняти електронну "дірку" на основному енергетичному рівні ( S 0) доти, доки не відбудеться зміна знака спина.

З триплетного стану молекула може повернутися в основний енергетичний стан, випромінюючи квант світла більш довгохвильовий, ніж при флуоресценції. Таке світіння називають фосфоресценцією.

По-третє,енергія синглетного збудженого стану молекули хлорофілу може бути використана в ході фотосинтезу у фотохімічних реакціях та трансформуватися в енергію хімічних зв'язків органічних сполук.

- синтез органічних речовин з вуглекислого газу та води з обов'язковим використанням енергії світла:

6СО 2 + 6Н 2 О + Q світла → З 6 Н 12 О 6 + 6О 2 .

У вищих рослин органом фотосинтезу є лист, органоїдами фотосинтезу – хлоропласти (будова хлоропластів – лекція №7). У мембрани тилакоїдів хлоропластів вбудовані фотосинтетичні пігменти: хлорофіли та каротиноїди. Існує кілька різних типів хлорофілу ( a, b, c, d), головним є хлорофіл a. У молекулі хлорофілу можна виділити порфіринову "головку" з атомом магнію в центрі та фітольний "хвіст". Порфириновая «головка» являє собою плоску структуру, є гідрофільною і тому лежить на поверхні мембрани, яка звернена до водного середовища строми. Фітольний "хвіст" - гідрофобний і за рахунок цього утримує молекулу хлорофілу в мембрані.

Хлорофіли поглинають червоне і синьо-фіолетове світло, відбивають зелене і тому надають рослинам характерного зеленого забарвлення. Молекули хлорофілу в мембранах тилакоїдів організовані в фотосистеми. У рослин і синьо-зелених водоростей є фотосистема-1 і фотосистема-2, у бактерій, що фотосинтезують, - фотосистема-1. Тільки фотосистема-2 може розкладати воду з кисню і відбирати електрони у водню води.

Фотосинтез – складний багатоступінчастий процес; реакції фотосинтезу поділяють на дві групи: реакції світловий фазита реакції темнової фази.

Світлова фаза

Ця фаза відбувається лише у присутності світла в мембранах тилакоїдів за участю хлорофілу, білків-переносників електронів та ферменту – АТФ-синтетази. Під впливом кванта світла електрони хлорофілу збуджуються, залишають молекулу і потрапляють на зовнішній бік мембрани тилакоїда, що у результаті заряджається негативно. Окислені молекули хлорофілу відновлюються, відбираючи електрони у води, що знаходиться у внутрішньотілакоїдному просторі. Це призводить до розпаду або фотолізу води:

Н 2 О + Q світла → Н + + ВІН -.

Іони гідроксилу віддають свої електрони, перетворюючись на реакційноздатні радикали.

ВІН - →. ВІН + е -.

Радикали.ОН об'єднуються, утворюючи воду і вільний кисень:

4НО. → 2Н2О+О2.

Кисень при цьому видаляється у зовнішнє середовище, а протони накопичуються всередині тилакоїда в «протонному резервуарі». Через війну мембрана тилакоїда з одного боку з допомогою Н + заряджається позитивно, з іншого з допомогою електронів — негативно. Коли різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторонами мембрани тилакоїду досягає 200 мВ, протони проштовхуються через канали АТФ-синтетази та відбувається фосфорилювання АДФ до АТФ; атомарний водень йде на відновлення специфічного переносника НАДФ + (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат) до НАДФ·Н 2:

2Н + + 2е - + НАДФ → НАДФ · Н 2 .

Таким чином, у світлову фазу відбувається фотоліз води, що супроводжується трьома найважливішими процесами: 1) синтезом АТФ; 2) освітою НАДФ · Н 2; 3) освітою кисню. Кисень дифундує в атмосферу, АТФ і НАДФ Н 2 транспортуються в строму хлоропласту і беруть участь у процесах темнової фази.

1 - строма хлоропласту; 2 - тилакоїд грани.

Темнова фаза

Ця фаза протікає у стромі хлоропласту. Для її реакцій не потрібна енергія світла, тому вони відбуваються не тільки на світлі, а й у темряві. Реакції темнової фази є ланцюжок послідовних перетворень вуглекислого газу (надходить з повітря), що призводить до утворення глюкози та інших органічних речовин.

Перша реакція у цьому ланцюжку - фіксація вуглекислого газу; акцептором вуглекислого газу є п'ятивуглецевий цукор рибулозобіфосфат(РіБФ); каталізує реакцію фермент рибулозобіфосфат-карбоксилаза(РіБФ-карбоксилаза). В результаті карбоксилювання рибулозобісфосфату утворюється нестійка шестивуглецева сполука, яка відразу ж розпадається на дві молекули. фосфогліцеринової кислоти(ФГК). Потім відбувається цикл реакцій, у яких через ряд проміжних продуктів фосфогліцеринова кислота перетворюється на глюкозу. У цих реакціях використовуються енергії АТФ і НАДФ·Н 2 утворених у світлову фазу; цикл цих реакцій отримав назву «цикл Кальвіна»:

6СО 2 + 24Н + + АТФ → З 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О.

Крім глюкози, у процесі фотосинтезу утворюються інші мономери складних органічних сполук – амінокислоти, гліцерин та жирні кислоти, нуклеотиди. В даний час розрізняють два типи фотосинтезу: 3 - і 4 -фотосинтез.

З 3-фотосинтез

Це тип фотосинтезу, при якому першим продуктом є тривуглецеві (3) сполуки. З 3-фотосинтез був відкритий раніше З 4-фотосинтезу (М. Кальвін). Саме З 3 -фотосинтез описаний вище, у рубриці "Темнова фаза". Характерні особливості С 3 -фотосинтезу: 1) акцептором вуглекислого газу є РиБФ, 2) реакцію карбоксилювання РиБФ каталізує РиБФ-карбоксилаза, 3) в результаті карбоксилювання РіБФ утворюється шестивуглецеве з'єднання, яке розпадається на дві ФГК. ФГК відновлюється до тріозофосфатів(ТФ). Частина ТФ йде на регенерацію РіБФ, частина перетворюється на глюкозу.

1 - хлоропласт; 2 - пероксисома; 3 - мітохондрія.

Це світлозалежне поглинання кисню та виділення вуглекислого газу. Ще на початку минулого століття було встановлено, що кисень пригнічує фотосинтез. Як виявилося, для РиБФ-карбоксилази субстратом може бути не лише вуглекислий газ, а й кисень:

Про 2+РіБФ → фосфогліколат (2С) + ФГК (3С).

Фермент у своїй називається РиБФ-оксигеназой. Кисень є конкурентним інгібітором фіксації вуглекислого газу. Фосфатна група відщеплюється, і фосфогліколат стає гліколатом, який рослина має утилізувати. Він надходить у пероксисоми, де окислюється до гліцину. Гліцин надходить у мітохондрії, де окислюється до серину, при цьому відбувається втрата вже фіксованого вуглецю у вигляді 2 . У результаті дві молекули гліколату (2С + 2С) перетворюються на одну ФГК (3С) та СО 2 . Фотодихання призводить до зниження врожайності З 3-рослин на 30-40% ( З 3-рослини- Рослини, для яких характерний С 3 -фотосинтез).

4 -фотосинтез - фотосинтез, при якому першим продуктом є чотиривуглецеві (З 4) сполуки. У 1965 році було встановлено, що у деяких рослин (цукрова тростина, кукурудза, сорго, просо) першими продуктами фотосинтезу є чотиривуглецеві кислоти. Такі рослини назвали З 4-рослинами. У 1966 році австралійські вчені Хетч і Слек показали, що у С 4-рослин практично відсутній фотодих і вони набагато ефективніше поглинають вуглекислий газ. Шлях перетворень вуглецю в 4 -рослинах стали називати шляхом Хетча-Слека.

Для З 4 -рослин характерна особлива анатомічна будова листа. Усі провідні пучки оточені подвійним шаром клітин: зовнішній – клітини мезофілу, внутрішній – клітини обкладки. Вуглекислий газ фіксується в цитоплазмі клітин мезофілу, акцептор - фосфоенолпіруват(ФЕП, 3С), в результаті карбоксилювання ФЕП утворюється оксалоацетат (4С). Процес каталізується ФЕП-карбоксилазою. На відміну від РиБФ-карбоксилази ФЕП-карбоксилаза має велику спорідненість до СО 2 і, найголовніше, не взаємодіє з О 2 . У хлоропластах мезофілу багато гран, де активно йдуть реакції світлової фази. У хлоропластах клітин обкладки йдуть реакції темнової фази.

Оксалоацетат (4С) перетворюється на малат, який через плазмодесми транспортується на клітини обкладки. Тут він декарбоксилюється і дегідрується з утворенням пірувату, 2 і НАДФ·Н 2 .

Піруват повертається в клітини мезофілу та регенерує за рахунок енергії АТФ у ФЕП. 2 знову фіксується РиБФ-карбоксилазою з утворенням ФГК. Регенерація ФЕП вимагає енергії АТФ, тому потрібно майже вдвічі більше енергії, ніж при 3 -фотосинтезі.

Значення фотосинтезу

Завдяки фотосинтезу щорічно з атмосфери поглинаються мільярди тонн вуглекислого газу, виділяються мільярди тонн кисню; Фотосинтез є основним джерелом утворення органічних речовин. З кисню утворюється озоновий шар, що захищає живі організми від короткохвильової ультрафіолетової радіації.

При фотосинтезі зелений лист використовує лише близько 1% сонячної енергії, що падає на нього, продуктивність становить близько 1 г органічної речовини на 1 м 2 поверхні на годину.

Хемосинтез

Синтез органічних сполук з вуглекислого газу та води, що здійснюється не за рахунок енергії світла, а за рахунок енергії окислення неорганічних речовин, називається хемосинтезом. До хемосинтезуючих організмів належать деякі види бактерій.

Нітрифікуючі бактеріїокислюють аміак до азотистої, а потім до азотної кислоти (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Залізобактеріїперетворюють закисне залізо на окисне (Fe 2+ → Fe 3+).

Серобактеріїокислюють сірководень до сірки або сірчаної кислоти (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Внаслідок реакцій окислення неорганічних речовин виділяється енергія, яка запасається бактеріями у формі макроергічних зв'язків АТФ. АТФ використовується для синтезу органічних речовин, який проходить аналогічно до реакцій темнової фази фотосинтезу.

Хемосинтезуючі бактерії сприяють накопиченню в ґрунті мінеральних речовин, покращують родючість ґрунту, сприяють очищенню стічних вод та ін.

Перейти до лекції №11«Поняття обміну речовин. Біосинтез білків»

Перейти до лекції №13"Способи поділу еукаріотичних клітин: мітоз, мейоз, амітоз"

Надзвичайно цікавий і ще не з'ясований до кінця процес виробництва енергії зеленими рослинами сьогодні є таким чином. Квант світла, поглинаючись молекулою хлорофілу, повідомляє енергію її електронів, які переходять на збуджені рівні. Звідти вони здійснюють подорож іншими молекулами, пов'язаними з хлорофілом в єдиний ланцюжок генерації енергії. Якби не було такої «співдружності», то електрони, підняті на високі енергетичні рівні, просто опустилися б на колишні місця, а поглинена енергія розвіялася б. Інакше кажучи, молекула випустила квант енергії, не зробивши жодної хімічної роботи. Сталося б приблизно те саме, що відбувається, коли підскакує сталева кулька. Він падає, не здійснивши майже ніякої роботи, хіба що на подолання тертя повітря та удару об землю. Інша річ, якби кулька, підстрибнувши, наприклад, замкнула б собою електричний ланцюг, тим самим змусивши запалитись лампочку. Тут теж загубилася б якась частка енергії, але була б виконана корисна робота, хоча кулька і повернулася б зрештою у вихідний стан.

Щось подібне відбувається і зі збудженими електронами молекули хлорофілу. Витративши надлишок енергії, повідомленої ним квантом світла, вони повертаються на попередні рівні. Кому ж передають свою енергію збуджені електрони? Нашим добрим знайомим - цитохромам, які виробляють основну енергетичну валюту організму - АТФ. Зауважимо, що фотосинтетична естафета передачі енергії світлового кванта відбувається з дуже високим ккд, приблизно 97%, а весь процес фотосинтезу робить корисну роботу трохи менше 30%.

Ми не дарма навели ці цифри. Вироблення АТФ клітиною напрочуд досконала. на одиницю маси; жива істота виробляє енергії набагато більше, ніж Сонце. Цікаво, що людина, яка важить 70 кг, виробляє АТФ до 75 кг на день, тобто більше власної ваги! Така ж кількість АТФ, що випускається промисловістю для технічних потреб, коштує 150 тис. доларів.

Виробництво енергії - це, так би мовити, одна із сторін діяльності хлорофілу, яка не виходить за межі організму. Більш вражаюча інша сторона, характерна початковими та кінцевими продуктами фотосинтезу. В результаті цього процесу з вуглекислого газу та води під дією світла утворюються органічні сполуки та кисень. Завдяки хлорофілу щорічно Землі відбувається засвоєння 200 млрд. т вуглекислоти, що дає 100 млрд. т органічних речовин і близько 145 млрд. т вільного кисню.

Сьогодні вже загальновизнано, що завдяки фотосинтезу перших зелених організмів, що з'явилися приблизно три мільярди років тому, сформувалася сучасна атмосфера та з'явилися умови для утворення біосфери (вище ми вже про це говорили). Ось такі дива творить магній у порфіриновому кільці

Вивчаючи такий процес, як фотосинтез, що активується світлом, важливо визначити спектри дії даного процесу для ідентифікації залучених до нього пігментів. Спектр дії є графіком, що показує залежність ефективності досліджуваного процесу від впливу світла з різними довжинами хвиль.

Спектр поглинанняє графік залежності відносної кількості поглиненого пігментом світла від різної довжини хвилі. На малюнку показано спектр дії фотосинтезуі спектр поглинаннядля комбінованих фотосинтетичних пігментів

Зверніть увагу на велику подібність представлених графіків, а це означає, що за поглинання світла при фотосинтезівідповідальні пігменти, і особливо хлорофіл.

Порушення хлорофілу світлом

Коли молекула хлорофілуабо іншого фотосинтетичного пігменту поглинає світло, кажуть, що вона перейшла у збуджений стан. Енергія світла використовується для перекладу електронів більш високий енергетичний рівень. Енергія світла уловлюється хлорофілом і перетворюється на хімічну енергію. Збуджений стан хлорофілу нестійкий, і його молекули прагнуть повернутися до звичайного (стійкого) стану. Наприклад, якщо через розчин хлорофілу пропустити світло, а потім поспостерігати за ним у темряві, то ми побачимо, що розчин флуоресціює. Це відбувається тому, що надмірна енергія збудження перетворюється на світло з більшою довжиною хвилі (і меншою енергією), при цьому залишок енергії втрачається у вигляді тепла.

Збуджені електрониповертаються у свій звичайний низькоенергетичний стан. У живій рослині енергія, що вивільняється, може переходити до іншої молекули хлорофілу (див. нижче). При цьому збуджений електрон може переходити від молекули хлорофілу до іншої молекули, яка називається акцептором електронів. Оскільки електрон негативно заряджений, то після його «догляду» у молекулі хлорофілу залишається позитивно заряджена «дірка».

Процес віддачі електронів називається окисленням, а процес їх придбання – відновленням. Отже, хлорофіл окислюється, а акцептор електронів відновлюється. Хлорофіл заміняє втрачені електрони за рахунок низькоенергетичних електронів інших молекул, званих донорами електронів.

Перші стадії процесу фотосинтезувключають переміщення і енергії, і збуджених електронів між молекулами в рамках фотосистем, що описуються нижче.

Історія вивчення фотосинтезу веде свій початок від серпня 1771, коли англійський теолог, філософ і натураліст-аматор Джозеф Прістлі (1733-1804) виявив, що рослини можуть «виправляти» властивості повітря, що змінює свій склад в результаті горіння або життєдіяльності тварин. Прістлі показав, що у присутності рослин «зіпсоване» повітря знову стає придатним для горіння та підтримки життя тварин.

У ході подальших досліджень Інгенгауза, Сенеб'є, Соссюра, Буссенго та інших вчених було встановлено, що рослини при освітленні виділяють кисень та поглинають із повітря вуглекислий газ. З вуглекислого газу та води рослини синтезують органічні речовини. Цей процес було названо фотосинтезом.

Роберт Майєр, який відкрив закон збереження енергії, у 1845 р. висловив припущення, що рослини перетворюють енергію сонячного світла на енергію хімічних сполук, що утворюються при фотосинтезі. За його словами, «промені, що розповсюджуються в просторі, «захоплюються» і зберігаються для використання надалі в міру потреби». Згодом російським ученим К.А. Тиміразєвим було переконливо доведено, що найважливішу роль у використанні рослинами енергії сонячного світла відіграють молекули хлорофілу, присутні в зеленому листі.

Вуглеводи (цукору), що утворюються при фотосинтезі, використовуються як джерело енергії і будівельний матеріал для синтезу різних органічних сполук у рослин і тварин. У вищих рослин процеси фотосинтезу протікають у хлоропластах – спеціалізованих енергоперетворюючих органелах рослинної клітини.

Схематичне зображення хлоропласту показано на рис. 1.

Під подвійною оболонкою хлоропласту, що складається із зовнішньої та внутрішньої мембран, знаходяться протяжні мембранні структури, які утворюють замкнуті бульбашки, які називаються тилакоїдами. Мембрани тилакоїдів складаються з двох шарів молекул ліпідів, які включені макромолекулярні фотосинтетичні білкові комплекси. У хлоропластах вищих рослин тилакоїди групуються в грани, які є стопками сплюснутих і тісно притиснутих один до одного тилакоїдів, що мають форму дисків. Продовженням окремих тилакоїдів гран є міжгранні тилакоїди, що виступають з них. Простір між оболонкою хлоропласту та тилакоїдами називається стромою. У стромі містяться хлоропластові молекули РНК, ДНК, рибосоми, крохмальні зерна, а також численні ферменти, включаючи ті, що забезпечують засвоєння CO2 рослинами.

Публікацію здійснено за підтримки компанії «Суші E'xpress». Компанія «Суші E’xpress» надає послуги доставки суші в Новосибірську. Замовивши суші від компанії «Суші E’xpress», Ви в швидкі терміни отримаєте смачну та корисну страву, виготовлену професійними кухарями, з використанням найсвіжіших продуктів найвищої якості. Завітавши на сайт компанії «Суші E’xpress», Ви зможете ознайомитися з цінами та складом пропонованих ролів, що допоможе визначитися з вибором страви. Щоб зробити замовлення на доставку суші, дзвоніть за телефоном 239-55-87

Світлові та темнові стадії фотосинтезу

Згідно з сучасними уявленнями, фотосинтез є рядом фотофізичних і біохімічних процесів, в результаті яких рослини за рахунок енергії сонячного світла синтезують вуглеводи (цукри). Численні стадії фотосинтезу прийнято розділяти на великі групи процесів – світлову і темнову фази.

Світловими стадіями фотосинтезу прийнято називати сукупність процесів, внаслідок яких за рахунок енергії світла синтезуються молекули аденозинтрифосфату (АТФ) та відбувається утворення відновленого нікотинамідаденіндінуклеотид фосфату (НАДФ Н) – сполуки, що має високий відновлювальний потенціал. Молекули АТФ виконують роль універсального джерела енергії у клітині. Енергія макроергічних (тобто багатих на енергію) фосфатних зв'язків молекули АТФ, як відомо, використовується в більшості біохімічних процесів, що споживають енергію.

Світлові процеси фотосинтезу протікають у тилакоїдах, мембрани яких містять основні компоненти фотосинтетичного апарату рослин – світлозбираючі пігмент-білкові та електронтранспортні комплекси, а також АТФ-синтазний комплекс, який каталізує утворення АТФ з аденозиндифосфату (АДФ) та неорганічного фосфату. Ф i → АТФ + H2O). Таким чином, в результаті світлових стадій фотосинтезу енергія світла, що поглинається рослинами, запасається у формі макроергічних хімічних зв'язків молекул АТФ та сильного відновника НАДФ Н, які використовуються для синтезу вуглеводів у так званих стадіях темнових фотосинтезу.

Темновими стадіями фотосинтезу зазвичай називають сукупність біохімічних реакцій, у яких відбувається засвоєння рослинами атмосферної вуглекислоти (CO 2 ) і утворення вуглеводів. Цикл темнових біохімічних перетворень, що призводять до синтезу органічних сполук CO 2 і води, на ім'я авторів, які внесли вирішальний внесок у дослідження цих процесів, називається циклом Кальвіна-Бенсона. На відміну від електронтранспортних та АТФ-синтазних комплексів, що знаходяться в тилакоїдній мембрані, ферменти, що каталізують «темнові» реакції фотосинтезу, розчинені в стромі. При руйнуванні оболонки хлоропласту ці ферменти вимиваються з строми, у результаті хлоропласти втрачають здатність засвоювати вуглекислий газ.

В результаті перетворень ряду органічних сполук у циклі Кальвіна-Бенсона з трьох молекул CO 2 і води в хлоропластах утворюється молекула гліцеральдегід-3-фосфату, що має хімічну формулу CHO-CHOH-CH 2 O-PO 3 2- . При цьому з розрахунку на одну молекулу CO 2 , що включається в гліцеральдегід-3-фосфат, витрачаються три молекули АТФ і дві молекули НАДФ Н.

Для синтезу органічних сполук у циклі Кальвіна-Бенсона використовується енергія, що виділяється в ході реакції гідролізу макроергічних фосфатних зв'язків молекул АТФ (реакція АТФ + H 2 O → АДФ + Фі), і сильний відновлювальний потенціал молекул НАДФ Н. Основна частина молекул, що утворилися в хлоропла гліцеральдегід-3-фосфату надходить у цитозоль рослинної клітини, де перетворюється на фруктозо-6-фосфат та глюкозо-6-фосфат, які в ході подальших перетворень утворюють сахарофосфат – попередник сахарози. З молекул, що залишилися в хлоропласті, гліцеральдегід-3-фосфату синтезується крохмаль.

Перетворення енергії у фотосинтетичних реакційних центрах

Фотосинтетичні енергоперетворюючі комплекси рослин, водоростей та фотосинтезуючих бактерій добре вивчені. Встановлено хімічний склад та просторову будову енергоперетворювальних білкових комплексів, з'ясовано послідовність процесів трансформації енергії. Незважаючи на відмінності у складі та молекулярній будові фотосинтетичного апарату, існують загальні закономірності процесів перетворення енергії у фотореакційних центрах усіх фотосинтезуючих організмів. У фотосинтетичних системах як рослинного, так і бактеріального походження єдиною структурно-функціональною ланкою фотосинтетичного апарату є фотосистема, яка включає світлозбираючу антену, фотохімічний реакційний центр і пов'язані з ним молекули – переносники електрона.

Розглянемо спочатку загальні принципи перетворення енергії сонячного світла, характерні для всіх фотосинтетичних систем, а потім детальніше зупинимося на прикладі функціонування фотореакційних центрів та ланцюга електронного транспорту хлоропластів у вищих рослин.

Світлозбиральна антена (поглинання світла, міграція енергії до реакційного центру)

Найпершим елементарним актом фотосинтезу є поглинання світла молекулами хлорофілу або допоміжних пігментів, що входять до складу спеціального пігмент-білкового комплексу, що називається світлозбираючою антеною. Світлозбиральна антена є макромолекулярним комплексом, призначеним для ефективного уловлювання світла. У хлоропластах антенний комплекс містить велику кількість (до кількох сотень) молекул хлорофілу і кілька допоміжних пігментів (каротиноїдів), міцно пов'язаних з білком.

На яскравому сонячному світлі окрема молекула хлорофілу поглинає кванти світла порівняно рідко, в середньому не частіше ніж 10 разів на секунду. Однак, оскільки на один фотореакційний центр припадає велика кількість молекул хлорофілу (200–400), то навіть при відносно слабкій інтенсивності світла, що падає на лист в умовах затінення рослини, відбувається досить часто спрацьовування реакційного центру. Ансамбль пігментів, що поглинають світло, по суті справи, виконує роль антени, яка за рахунок своїх досить великих розмірів ефективно вловлює сонячне світло та спрямовує його енергію до реакційного центру. Тенелюбні рослини мають, як правило, більший розмір світлозбираючої антени в порівнянні з рослинами, що ростуть в умовах високого освітлення.

У рослин основними світлозбираючими пігментами служать молекули хлорофілу aта хлорофілу b, що поглинають видиме світло з довжиною хвилі λ ≤ 700-730 нм. Ізольовані молекули хлорофілу поглинають світло лише у двох порівняно вузьких смугах сонячного спектру: при довжинах хвиль 660-680 нм (червоне світло) та 430-450 нм (синьо-фіолетове світло), що, зрозуміло, обмежує ефективність використання всього спектра сонячного світла, що падає на зелений лист.

Однак спектральний склад світла, що поглинається світлозбираючою антеною, насправді значно ширший. Пояснюється це тим, що спектр поглинання агрегованих форм хлорофілу, що входять до складу світлозбираючої антени, зсувається у бік великих довжин хвиль. Поряд із хлорофілом у світлозбираючу антену входять допоміжні пігменти, які збільшують ефективність її роботи за рахунок того, що вони поглинають світло в тих областях спектру, в яких порівняно слабо поглинають світло молекули хлорофілу – основного пігменту світлозбираючої антени.

У рослин допоміжними пігментами є каротиноїди, що поглинають світло в області довжин хвиль λ ≈ 450-480 нм; у клітинах фотосинтезуючих водоростей це червоні та сині пігменти: фікоеритрини у червоних водоростей (λ ≈ 495–565 нм) та фікоціаніни у синьо-зелених водоростей (λ ≈ 550–615 нм).

Поглинання кванта світла молекулою хлорофілу (Сhl) або допоміжного пігменту призводить до її збудження (електрон переходить на вищий енергетичний рівень):

Chl + hν → Chl*.

Енергія збудженої молекули хлорофілу Chl* передається молекулам сусідніх пігментів, які, у свою чергу, можуть передати її іншим молекулам світлозбираючої антени:

Chl + Chl → Chl + Chl *.

Енергія збудження може таким чином мігрувати по пігментній матриці до тих пір, поки збудження в кінцевому підсумку не потрапить на фотореакційний центр P (схематичне зображення цього процесу показано на рис. 2):

Chl + P → Chl + P *.

Зауважимо, що тривалість існування молекул хлорофілу та інших пігментів у збудженому стані дуже мала, τ ≈ 10 –10 –10 –9 с. Тому існує певна ймовірність того, що на шляху до реакційного центру P енергія таких короткоживучих збуджених станів пігментів може даремно загубитися – розсіятися у тепло або виділитися у вигляді кванта світла (явище флуоресценції). Насправді, ефективність міграції енергії до фотосинтетичного реакційного центру дуже велика. У разі коли реакційний центр перебуває у активному стані, ймовірність втрати енергії становить, зазвичай, трохи більше 10–15%. Така висока ефективність використання енергії сонячного світла обумовлена ​​тим, що світлозбиральна антена є високоупорядкованою структурою, що забезпечує дуже хорошу взаємодію пігментів один з одним. Завдяки цьому досягається висока швидкість перенесення енергії збудження від поглинаючих світло молекул до фотореакційного центру. Середній час «перескоку» енергії збудження від одного пігменту до іншого, як правило, становить ? 10 -12 -10 -11 с. Загальний час міграції збудження до реакційного центру зазвичай не перевищує 10-10-10-9 с.

Фотохімічний реакційний центр (перенесення електрона, стабілізація розділених зарядів)

Сучасним уявленням про будову реакційного центру та механізми первинних стадій фотосинтезу передували роботи А.А. Красновського, який відкрив, що у присутності донорів і акцепторів електрона збуджені світлом молекули хлорофілу здатні оборотно відновлюватися (приймати електрон) і окислюватися (віддавати електрон). Згодом Коком, Віттом і Дюйзенсом у рослин, водоростей і бактерій, що фотосинтезують, були виявлені особливі пігменти хлорофілової природи, названі реакційними центрами, які окислюються при дії світла і є, по суті, первинними донорами електрона при фотосинтезі.

Фотохімічний реакційний центр P являє собою особливу пару (димер) молекул хлорофілу, які виконують роль пастки енергії збудження, що блукає пігментною матрицею світлозбираючої антени (рис. 2). Подібно до того, як рідина стікає зі стінок широкої лійки до її вузького шийки, до реакційного центру спрямовується енергія світла, що поглинається всіма пігментами світлозбираючої антени. Порушення реакційного центру ініціює ланцюг подальших перетворень енергії світла за фотосинтезу.

Послідовність процесів, що відбуваються після збудження реакційного центру P, та діаграма відповідних змін енергії фотосистеми схематично зображені на рис. 3.

Поряд з димером хлорофілу Р до фотосинтетичного комплексу входять молекули первинного та вторинного акцепторів електрона, які ми умовно позначимо символами A і B, а також первинний донор електрона – молекула D. Збуджений реакційний центр P* має низьку спорідненість до електрона і тому він з легкістю віддає його первинному акцептору електрона A, що знаходиться поруч з ним:

D(P*A)B → D(P + A –)B.

Отже, внаслідок дуже швидкого (т ≈10 –12 з) перенесення електрона від P* до A реалізується другий принципово важливий етап перетворення сонячної енергії при фотосинтезі – поділ зарядів у реакційному центрі. У цьому утворюються сильний відновник А – (донор електрона) і сильний окислювач P + (акцептор електрона).

Молекули P+ та А – розташовані в мембрані асиметрично: у хлоропластах реакційний центр P+ знаходиться ближче до поверхні мембрани, зверненої всередину тилакоїда, а акцептор А – розташований ближче до зовнішньої сторони. Тому внаслідок фотоіндукованого поділу зарядів на мембрані виникає різниця електричних потенціалів. Індуковане світлом поділ зарядів у реакційному центрі подібно до генерації різниці електричних потенціалів у звичайному фотоелементі. Слід, проте, наголосити, що, на відміну всіх відомих і широко використовуваних у техніці фотоперетворювачів енергії, ефективність роботи фотосинтетичних реакційних центрів дуже висока. ККД поділу зарядів в активних фотосинтетичних реакційних центрах зазвичай перевищує 90–95% (у кращих зразків фотоелементів ККД не більше 30%).

За рахунок яких механізмів забезпечується така висока ефективність перетворення енергії в реакційних центрах? Чому електрон, перенесений на акцептор A, не повертається назад до позитивно зарядженого окисленого центру P+? Стабілізація розділених зарядів забезпечується головним чином з допомогою вторинних процесів електронного транспорту, наступних за перенесенням електрона від P* до A. Від відновленого первинного акцептора А – електрон дуже швидко (за 10 –10 –10 –9 з) йде вторинний акцептор електрона B:

D(P + A –)B → D(P + A)B – .

При цьому відбувається не тільки віддалення електрона від позитивно зарядженого реакційного центру P+, а й помітно знижується енергія всієї системи (рис. 3). Це означає, що для перенесення електрона у зворотному напрямку (перехід B – → A) йому потрібно подолати досить високий енергетичний бар'єр ΔE ≈ 0,3–0,4 еВ, де ΔE – різницю енергетичних рівнів для двох станів системи, за яких електрон знаходиться відповідно на переноснику A або B. Тому для повернення електрона назад, від відновленої молекули В – до окисленої молекули A, йому знадобилося б набагато більше часу, ніж для прямого переходу A – → B. Іншими словами, у прямому напрямку електрон переноситься набагато швидше, ніж у протилежному. Тому після перенесення електрона на вторинний акцептор B істотно зменшується ймовірність його повернення назад та рекомбінації з позитивно зарядженою «діркою» P+.

Другим фактором, що сприяє стабілізації розділених зарядів, є швидка нейтралізація окисленого фотореакційного центру P+ за рахунок електрона, що надходить до P+ від донора електрона D:

D(P+A)B – → D+(PA)B – .

Отримавши електрон від молекули донора D і повернувшись у свій вихідний відновлений стан P, реакційний центр вже не зможе прийняти електрон від відновлених акцепторів, проте тепер він готовий до повторного спрацьовування – віддати електрон окисленому первинному акцептору A, що знаходиться поряд з ним. Така послідовність подій, що відбуваються у фотореакційних центрах усіх фотосинтезуючих систем.

Ланцюг електронного транспорту хлоропластів

У хлоропластах вищих рослин є дві фотосистеми: фотосистема 1 (ФС1) та фотосистема 2 (ФС2), що відрізняються за складом білків, пігментів та оптичними властивостями. Світлозбиральна антена ФС1 поглинає світло з довжиною хвилі λ ≤ 700-730 нм, а ФС2 - світло з λ ≤ 680-700 нм. Індуковане світлом окислення реакційних центрів ФС1 і ФС2 супроводжується їх знебарвленням, яке характеризується змінами їх спектрів поглинання при 700 і 680 нм. Відповідно до їх оптичних характеристик реакційні центри ФС1 і ФС2 отримали назву P 700 і P 680 .

Дві фотосистеми пов'язані між собою у вигляді ланцюга електронних переносників (рис. 4). ФС2 є джерелом електронів ФС1. Поділ зарядів, що ініціює світло, у фотореакційних центрах P 700 і P 680 забезпечує перенесення електрона від води, що розкладається у ФС2, до кінцевого акцептора електрона – молекули НАДФ + . Ланцюг електронного транспорту (ЦЕТ), що з'єднує дві фотосистеми, як переносники електрона включає молекули пластохінону, окремий електронтранспортний білковий комплекс (так званий b/f-комплекс) і водорозчинний білок пластоціанін (P c). Схема, що ілюструє взаємне розташування електронтранспортних комплексів у тилакоїдній мембрані та шлях перенесення електрона від води до НАДФ + показана на рис. 4.

У ФС2 від збудженого центру Р* 680 електрон переноситься спочатку на первинний акцептор феофетин (Phe), а потім молекулу пластохінону Q A , міцно пов'язану з одним з білків ФС2,

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

Потім електрон переноситься на другу молекулу пластохінону Q B а Р 680 отримує електрон від первинного донора електрона Y:

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

Молекула пластохінону, хімічна формула якої та її розташування у бислойной ліпідної мембрані показані на рис. 5, здатна прийняти два електрони. Після дворазового спрацювання реакційного центру ФС2 молекула пластохінону Q B отримає два електрони:

Q B + 2е – → Q B 2– .

Негативно заряджена молекула Q B 2- має високу спорідненість до іонів водню, які вона захоплює із стромального простору. Після протонування відновленого пластохінону Q B 2– (Q B 2– + 2H + → QH 2) утворюється електрично нейтральна форма цієї молекули QH 2 , яка називається пластохінолом (рис. 5). Пластохінол виконує роль рухомого переносника двох електронів та двох протонів: залишивши ФС2, молекула QH 2 може легко переміщатися всередині тилакоїдної мембрани, забезпечуючи зв'язок ФС2 з іншими електронтранспортними комплексами.

Окислений реакційний центр ФС2 Р 680 має високу спорідненість до електрону, тобто. є дуже сильним окислювачем. Завдяки цьому у ФС2 відбувається розкладання води – хімічно стійкої сполуки. Водорозщеплюючий комплекс (ВРК), що входить до складу ФС2, містить у своєму активному центрі групу іонів марганцю (Mn 2+), які служать донорами електрона для P 680 . Віддаючи електрони окисленому реакційному центру, іони марганцю стають «накопичувачами» позитивних зарядів, які беруть участь у реакції окислення води. В результаті послідовного чотириразового спрацювання реакційного центру P 680 в Mn-активному центрі ВРК, що містить, накопичуються чотири сильні окислювальні еквіваленти (або чотири «дірки») у формі окислених іонів марганцю (Mn 4+), які, взаємодіючи з двома молекулами води, каталізують реакцію розкладання води:

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

Таким чином, після послідовної передачі чотирьох електронів від ВРК до Р 680 відбувається синхронне розкладання одразу двох молекул води, що супроводжується виділенням однієї молекули кисню та чотирьох іонів водню, які потрапляють у внутрішньотилакоїдний простір хлоропласту.

молекула пластохінолу QH 2 , що утворилася при функціонуванні ФС2, дифундує всередину ліпідного бислоя тилакоїдної мембрани до b/f-комплексу (рис. 4 і 5). При зіткненні з b/f-комплексом молекула QH 2 зв'язується з ним, а потім передає йому два електрони. При цьому на кожну молекулу пластохінолу, що окислюється b/f-комплексом, всередину тилакоїду виділяються два іони водню. У свою чергу b/f-комплекс служить донором електрона для пластоціаніну (P c) – порівняно невеликого водорозчинного білка, у якого до складу активного центру входить іон міді (реакції відновлення та окислення пластоціаніну супроводжуються змінами валентності іону міді Cu 2+ + e – ↔ Cu +). Пластоціанін виконує роль сполучної ланки між b/f-комплексом та ФС1. Молекула пластоціаніну швидко переміщається всередині тилакоїда, забезпечуючи перенесення електрона від b/f-комплексу до ФС1. Від відновленого пластоціаніну електрон надходить безпосередньо до окислених реакційних центрів ФС1 – Р700+ (див. рис. 4). Таким чином, в результаті спільної дії ФС1 і ФС2 два електрони від молекули води, що розкладається у ФС2, через ланцюг електронного транспорту переносяться в кінцевому підсумку на молекулу НАДФ + забезпечуючи утворення сильного відновника НАДФ Н.

Навіщо хлоропластам потрібні дві фотосистеми? Відомо, що фотосинтезують бактерії, які використовують як донора електрона для відновлення окислених реакційних центрів різні органічні та неорганічні сполуки (наприклад, Н 2 S), успішно функціонують з однією фотосистемою. Поява двох фотосистем, найімовірніше, пов'язана з тим, що енергії одного кванта видимого світла недостатньо для того, щоб забезпечити розкладання води та ефективне проходження електроном всього шляху ланцюгом молекул-переносників від води до НАДФ + . Приблизно 3 млрд років тому на Землі з'явилися синьо-зелені водорості або ціанобактерії, які набули здатності використовувати воду як джерело електронів для відновлення вуглекислоти. В даний час вважається, що ФС1 веде своє походження від зелених бактерій, а ФС2 від пурпурових бактерій. Після того як у ході еволюційного процесу ФС2 «включилася» в єдиний ланцюг переносу електрона разом з ФС1, стало можливим вирішити енергетичну проблему – подолати досить велику різницю в окисно-відновлювальних потенціалах пар кисень/вода та НАДФ+/НАДФ Н. Виникнення фотосинтезуючих організмів, здатних окислювати воду, стала однією з найважливіших етапів розвитку живої природи Землі. По-перше, водорості та зелені рослини, «навчившись» окислювати воду, оволоділи невичерпним джерелом електронів для відновлення НАДФ+. По-друге, розкладаючи воду, вони наповнили атмосферу Землі молекулярним киснем, створивши таким чином умови для бурхливого еволюційного розвитку організмів, енергетика яких пов'язана з аеробним диханням.

Поєднання процесів електронного транспорту з перенесенням протонів та синтезом АТФ у хлоропластах

Перенесення електрона по ЦЕТ, зазвичай, супроводжується зниженням енергії. Цей процес можна уподібнити до мимовільного руху тіла по похилій площині. Зниження рівня енергії електрона під час його руху вздовж ЦЕТ зовсім отже, що перенесення електрона завжди є енергетично марним процесом. У нормальних умовах функціонування хлоропластів більшість енергії, що виділяється в ході електронного транспорту, не пропадає марно, а використовується для роботи спеціального енергоперетворюючого комплексу, званого АТФ-синтазою. Цей комплекс каталізує енергетично невигідний процес утворення АТФ з АДФ та неорганічного фосфату Ф i (реакція АДФ + Ф i → АТФ + H 2 O). У зв'язку з цим прийнято говорити, що енергодонорні процеси електронного транспорту пов'язані з енергоакцепторними процесами синтезу АТФ.

Найважливішу роль забезпеченні енергетичного сполучення в мембранах тилакоидов, як й у всіх інших энергопреобразующих органелах (мітохондрії, хроматофоры фотосинтезирующих бактерій), грають процеси протонного транспорту. Синтез АТФ тісно пов'язаний з перенесенням через АТФ-синтазу трьох протонів з тилакоїдів (3H in +) у строму (3Н out +):

АДФ + Ф i + 3H in + → АТФ + Н 2 О + 3Н out +.

Цей процес стає можливим тому, що внаслідок асиметричного розташування переносників у мембрані функціонування ЦЕТ хлоропластів призводить до накопичення надлишкової кількості протонів усередині тилакоїду: іони водню поглинаються зовні на стадіях відновлення НАДФ+ та утворення пластохінолу та виділяються всередині тилакоїдів на стадіях. 4). Висвітлення хлоропластів призводить до суттєвого (в 100-1000 разів) збільшення концентрації іонів водню всередині тилакоїдів.

Отже, ми розглянули ланцюг подій, у ході яких енергія сонячного світла запасається у вигляді енергії високоенергетичних хімічних сполук – АТФ і НАДФ Н. Ці продукти світлової стадії фотосинтезу використовують у темнових стадіях освіти органічних сполук (вуглеводів) з вуглекислого газу та води. Основні етапи перетворення енергії, що призводять до утворення АТФ і НАДФ Н, включають такі процеси: 1) поглинання енергії світла пігментами світлозбираючої антени; 2) перенесення енергії збудження до фотореакційного центру; 3) окислення фотореакційного центру та стабілізація розділених зарядів; 4) перенесення електрона з ланцюга електронного транспорту, освіту НАДФ Н; 5) трансмембранне перенесення іонів водню; 6) синтез АТФ.

1. Албертс Би., Брей Д., Льюїс Дж., Робертс До., Вотсон Дж.Молекулярна біологія клітки. Т. 1. - М.: Світ, 1994. 2-ге вид.
2. Кукушкін А.К., Тихонов О.М.Лекції з біофізики фотосинтезу рослин. - М.: Вид-во МДУ, 1988.
3. Ніколс Д.Д.Біоенергетика. Введення в хеміосмотіческую теорію. - М.: Світ, 1985.
4. Скулачов В.П.Енергетика біологічних мембран. - М.: Наука, 1989.