Механизм световой фазы

В 50-х гг. XX столетия Р. Эмерсон предположил, что зависимая от света фаза фотосинтеза содержит две отдельные фотосистемы, причем обе они должны активироваться для достижения максимальной эффективности световых реакций. Фотосистема I (ФС I) содержит в основном хлорофилл а, поглощающий при 700 нм, а фотосистема II (ФС II) — при 680—683 нм. Многие детали световых реакций неизвестны. Установлено, что обе фотосистемы выполняют отдельные, но взаимодополняющие функции. Поглощение кванта света ФС I переводит хлорофилл-700 в электронно-возбужденное состояние, в нем происходит разделение зарядов за счет присутствия рядом с возбужденным хлорофиллом вспомогательных пар: окислитель—восстановитель. Поскольку их природа неизвестна, восстановленный акцептор на рис. 16.2 обозначен А^. При этом возбужденный хлорофилл превращается в катион-радикал, т. с. в его молекуле образуется «электронная дырка» по схеме:

где Chi, Chi*, Chl⁺ — молекулы хлорофилла в основном, электрон но-возбужденном и катион-радикальном состояниях. Высокоэнергетические электроны из A_red, образованного в ФС1, восстанавливают железосерный негемовый белок ферредоксин, который принимает участие в восстановлении НАДФ* таким образом, что НАДФ Н сразу поступает в строму. В реакции восстановления НАДФ' ферредоксином (FD) принимает участие ФАД-зависимая дегидрогеназа — ферредоксин: НАДФ‘-оксидоредуктаза:

В фотосистеме II за возбуждением молекулы хлорофилла следует передача возбужденного электрона на пару окислитель—восстановитель реакционного центра ФСП. При этом образуется катион-радикал хлорофилла и сильный.

Рис. 16.2. Z-Схема потока электронов в модели двух фотосистем (ФС 1 и ФС II):

FD — феррелоксин; PQ — пластохинон: PC — пластостоииании; 6₅₅₉(6₆) — и с₅₅₂(/) — цитохромы; Chi* — электронно-возбужденный хлорофилл; A_red — восстановленный акцептор электронов; пунктиром показан механизм циклического фосфорилирования окислитель, который принимает участие в окислении молекулы Н₂0 до 0₂, а электроны воды восстанавливают А_ох до A_red и далее поступают в цепь переносчиков электронов от ФС II до ФС I. Важную роль в окислении Н₂0 в реакционном центре ФС II играют ионы марганца, выполняя, по-видимому, роль пары окислитель/восстановитель.

Ближайшим акцептором электронов, генерированных ФСН, является пластохинон (PQ) — структурный аналог убихинона (KoQ):

Затем в цепи переноса электронов принимают участие два цитохрома Ь₅₅₉(Ь_в) и с₅₅₂(/); следующим переносчиком электронов является пластоцианин (PC) — медьсодержащий белок, передающий электрон в реакционный центр ФС I и заполняющий в нем «электронную дырку». Часть энергии возбужденных электронов, проходящих через комплекс, образованный PQ, цитохромами />₅₅₉, с₅₅₂ и PC, трансформируется в химическую энергию АТФ, т. е. идет процесс фотофосфорилирования.

Механизм фотосинтстического фосфорилирования сходен с синтезом АТФ в процессе окислительного фосфорилирования в митохондриях. Система переносчиков электронов интегрирована в мембрану тилакоида таким образом, что перенос пары электронов создает поток протонов с наружной поверхности тилакоида внутрь, pH на внутренней поверхности тилакоида может достигать 4 и ниже. Таким образом, на мембране создается электрохимический протонный потенциал ДрН*, который используется интегрированной в мембрану Независимой синтетазой для синтеза АТФ (рис. 16.3). Структура этого фермента аналогична митохондриальной АТФ-синтетазе (гл. 15) и обычно обозначается как CF₀—CF,. Символ С означает, что этот ферментный комплекс локализован в хлоропластах (chloroplast) и, подобно митохондриальной Н⁺-зависимой-АТФ-синтетазе, включает гидрофобный, интегрированный в мембрану тилакоида компонент (CF₀) и гидрофильный комплекс (CF,), катализирующий синтез АТФ.

Как видно из рис. 16.3, электроны движутся к внешней стороне мембраны, а протоны концентрируются на внутренней поверхности тилакоидов, т. е. направление протонного градиента ДрЬГ противоположно направлению его в митохондриях. Таким образом, тилакоиды представляют собой как бы вывернутые наизнанку митохондрии, поэтому АТФ образуется с их наружной стороны и беспрепятственно поступает в строму для участия в темновых стадиях фотосинтеза.

Синтез АТФ, сопряженный с функционированием обеих фотосистем, получил название нециклического фосфорилирования. Следует помнить, что восполнение дефицита электронов в ФС I происходит за счет переноса к ней электронов воды, поступающих от ФС II. Процесс нециклического фосфорилирования сопряжен с фотовосстановлением НАДФ⁺.

Рис. 16.3. Схема процессов, происходящих в тилакоидах: а — суммарная реакция в Мп²⁺-содержащем центре; 6 — судьба протонов и электронов.

(по В. Эллиот, Д. Эллиот) Однако функционирует дополнительный механизм, обеспечивающий синтез АТФ без сопутствующего восстановления НАДФ⁺, в котором участвует только ФС I (см. рис. 16.2). Поток электронов, поступивших из реакционного центра ФС I и восстановивших А^, возвращается в ФС I, проходя через цитохром ы b_SS9 и/, пластоцианин, и, создавая протонный градиент на тилакоидной мембране, используется для синтеза АТФ. Поскольку в данной системе наблюдается циклический поток электронов, то этот путь синтеза АТФ получил название циюшческого фотосинтетического фосфорилирования. Следовательно, этот путь синтеза АТФ не сопряжен с восстановлением НАДФ выделением 0₂ и происходит в том случае, когда клетка обеспечена НАДФН, но испытывает потребность в АТФ.