Курсовая работа: Биофизика Фотосинтеза

108

Биофизика Фотосинтеза

1. Общая характеристика фотосинтеза

Фотосинтез - сложная многоступенчатая система фотофизических, фотохимических и темновых биохимических процессов, в которых энергия солнечного света трансформируется фотосинтезирующими организмами (бактериями и растениями) в доступные им формы энергии: химическую (NADPH, ATP) или электрохимическую (_H). Используя эту энергию клетка с помощью фотосинтетической системы синтезирует из простых неорганических веществ углекислого газа и воды глюкозу и другие сложные органические вещества. Продуктом этих реакций является также молекулярный кислород, выделяющийся из молекул воды.

Фотосинтез - один из важнейших механизмов жизни на Земле, поскольку, за его счет образуются как сложные высокоупорядоченные органические вещества, так и кислород, потребляемые другими организмами (бактериями, растениями и животными) в качестве источников строительного материала и энергии.

Основная суммарная реакция фотосинтеза:

6СО₂ + 6Н₂О + hн > С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 686 ккал/моль

Фотосинтез - сложный, но вместе с тем интересный и очень красивый процесс. Он появился на ранних этапах эволюции у различных бактерий - пурпурных, цианобактерий, зеленых серных бактерий и других, у одноклеточных эукариот (водорослей) и, наконец, у высших растений. Исследование фотосинтетического аппарата прокариот внесло большой вклад в выяснение основных принципов и механизмов фотосинтеза. Но здесь мы рассмотрим главным образом механизмы фотосинтеза высших растений.

Суть фотосинтеза заключается в получении высокоэнергетических электронов за счет энергии квантов света, поглощаемых хлорофиллом. Для того, чтобы предупредить возвращение электрона в исходное состояние и растрату полученной энергии на тепловые процессы, возбужденный электрон очень быстро переносится по электронтранспортной цепи на NADP⁺, который затем используется в биосинтетических реакциях. Исходным источником электронов является вода, которая при этом расщепляется и выделяет кислород. Этим кислородом, являющимся побочным продуктом фотосинтеза, дышат все аэробные организмы.

Основные функциональные звенья фотосинтетической машины изображены на Рис.1. Кратко ее работу можно описать следующим образом:

Рис.1. Общая схема фотосинтеза. ФС I и ФС II - фотосистемы I и II; ССАI и ССАII - светособирающие антенны этих фотосистем, соответственно; ВРС - водорасщепляющая система; ЦЭТ - цепь электронного транспорта

Светособирающие комплексы ССКI и ССКII, принадлежащие фотосистемам I и II. Они содержат пигменты, поглощающие кванты света с разной длиной волны. Энергия, поглощенная ими, мигрирует от пигмента к пигменту, слегка диссипируя на каждом шаге, пока не попадает в реакционный центр с минимальным энергетическим уровнем. Там она вызывает возбуждение фотосинтетических пигментов - молекул хлорофилла Р700 или P680 в одной из двух фотосистем - ФС I или ФС II, соответственно.

Возбужденная молекула хлорофилла Р700, входящая в состав фотосистемы I (ФС I), способна ионизироваться:

P₇₀₀ + e^-

Оторвавшийся от нее электрон переносится по цепи электронного транспорта на NADP⁺, восстанавливая его:

NADP⁺ + e^- + H⁺ > NADPH.

NADPH далее используется в цикле Кальвина для синтеза глюкозы.

Вакансия на , образовавшаяся после ухода электрона, заполняется либо собственным электроном, возвращающимся по ЦЭТ в результате циклического переноса, либо электроном, поступающим из ФС II.

1. В фотосистеме II за счет энергии возбуждения от молекулы хлорофилла P₆₈₀ отрывается электрон:

P₆₈₀ + e^-

и переносится по электрон-транспортной цепи на хлорофилл Р₇₀₀, заполняя образовавшуюся там вакансию.

2. Вакансия, образовавшаяся на хлорофилле заполняется электроном, который отщепляется от молекулы воды Н₂О с помощью так называемой водорасщепляющей системы, входящей в состав фотосистемы II. Кроме электрона, она отщепляет протоны от молекулы воды:

2H₂O > 4 H⁺ + 4 e^- + O₂

При этом от воды отщепляются и ионы водорода Н⁺, участвующие в создании протонного градиента, а также выделяется молекулярный кислород, являющийся побочным продуктом данного процесса.

3. Перенос электронов по ЦЭТ приводит к одновременному переносу протонов Н⁺ через мембраны тилакоидов хлоропластов в строму комплексом цитохромов b₆ f (см.ниже), подобным митохондриальному комплексу bc₁. Процессы выделения протонов при расщеплении воды и переноса их через мембрану создают электрохимический протонный градиент , который служит источником энергии для синтеза ATP.

4. Н⁺-ATP-синтаза (F₀F₁), такая же, как у митохондрий, и встроенная в ту же тилакоидную мембрану, что и фотосистемы ФС I и ФС II, синтезирует ATP, энергия которой используется для синтеза органических веществ.

5. За счет энергии, накопленной в NADPH и ATP, в цикле Кальвина - системе темновых биохимических реакций - синтезируются глюкоза и другие органические вещества из СО₂ и водорода, входящего в состав NADPH.

2. Хлоропласты

Фотосинтез осуществляется в хлоропластах - органеллах растительных клеток. Они обычно имеют двояковыпуклую форму наподобие сложенных вместе блюдец диаметром 3-10 мкм и толщиной 1,5-3 мкм (Рис.3.2). В растительной клетке бывает от 1 до 1000 хлоропластов.

Хлоропласты растений сходны с митохондриями: они также используют электронтранспортную цепь и хемиосмотический принцип для преобразования энергии. У них также есть двухмембранная оболочка, включающая высокопроницаемую наружную мембрану и внутреннюю низкопроницаемую мембрану со встроенными белками-переносчиками. Внутренняя область, аналогичная митохондриальному матриксу, называется стромой. Но у хлоропластов нету крист, а есть специальная система внутренних мембран - тилакоидов - образующих третий внутренний компартмент.

Тилакоиды - плоские мембранные мешочки диаметром порядка 0,5 мкм. Они упакованы в стопки - граны (3.2; 3.3,А). Внутри них - тилакоидное пространство. Отдельные граны соединяются между собой ламеллами - более протяженными слоями. Тилакоидные мембраны содержат помимо липидов и белков фотовоспринимающие пигменты - разные модификации хлорофилла и ряд других пигментов, образующих светособирающую антенну. В них встроены две фотосистемы ФС I и ФС II, осуществляющие фотосинтез и Н-ATP-синтетаза (F₀F₁), синтезирующая ATP, как в митохондриях. В строме находятся собственная ДНК хлоропластов, белок-синтезирующий аппарат, ферменты цикла Кальвина и других метаболических процессов, сахара, липиды, органические кислоты и другие соединения. Так же, как и в митохондриях, ДНК хлоропластов кодирует только часть необходимых белков, тогда как другие белки или их субъединицы кодируются в клеточном ядре. Предполагается, что хлоропласты, как и митохондрии, возникли на ранних стадиях эволюции растений в результате симбиоза растительных клеток и каких-то прокариотических клеток.

3. Фотосинтетические пигменты

Основной пигмент фотосинтеза - хлорофилл а (Chl a). Он состоит из порфириновой головки размером примерно 1,5х1,5 нм, обладающей гидрофильными свойствами, и длинного гидрофобного хвоста - фитола - длиной около 2,0 нм (Рис.2). В центре порфиринового кольца хлорофиллов находится ион Mg²⁺, связанный координационными связями с атомами азота (Рис.2). Другие формы хлорофилла - b,c,d, а также бактериохлорофилл - отличаются боковыми заместителями и распределением двойных связей в порфириновом кольце (Рис. 2).

Рис.2. Структура хлорофилла а. Отмечены модификации, характерные для хлорофилла b и бактериохлорофилла.

Спектры поглощения хлорофиллов имеют две интенсивные полосы: характерную для порфиринов полосу Сорэ в синей или ближней ультрафиолетовой части спектра и «красную» полосу поглощения света в области 650-700 нм (у бактериохлорофиллов она смещена в ближнюю инфракрасную область 800-890 нм). Поглощение света в красной области спектра обеспечивается взаимодействием иона магния с сопряженной p-электронной системой порфиринового кольца. (Для сравнения - гем, содержащий в порфириновом кольце не Mg²⁺, а Fe²⁺ поглощает свет не в красной, а зелено-желтой части спектра).

В клетке "красные полосы" поглощения хлорофиллов сдвинуты в длиноволновую область по сравнению со спектрами, полученными в органических растворителях (Табл.3.1), что указывает на значительную роль пигмент-пигментных, пигмент-белковых и пигмент-липидных взаимодействий вследствие плотной упаковки хлорофилльных молекул в фотосинтетической мембране.

Рис.3. Различные фотосинтетические пигменты. Сверху для сравнения приведена структура железо-протопорфинина IX.

Методами низкотемпературной и дифференциальной спектрофотометрии выявлено до 10 модификаций хлорофилла a, различающихся по спектрам поглощения и флуоресценции (т.е. по расположению энергетических уровней), по экстрагируемости из мембраны (т.е. по гидрофильности/гидрофобности) и т.д. Они называются "нативными формами" хлорофилла а. Так, выделены Р₆₇₀ (поглощающий свет 670-673 нм), Р₆₈₀, Р₇₀₀ и т.д. Основным фактором, обуславливающим свойства этих нативных форм, являются пигмент-пигментные взаимодействия, т.е. образование димеров и более крупных агрегатов. В пигментных агрегатах за счет взаимодействия p-электронных систем происходит "размазывание" электронного облака по двум или нескольким порфириновым кольцам. Соответственно, снижается верхний энергетический уровень и повышается способность поглощать более длинноволновый красный свет.

Таблица 1. Полосы поглощения некоторых хлорофиллов в растворах органических растворителей и в клетках

Кроме хлорофилла в фотосинтезирующих клетках встречаются и другие пигменты: феофитины, каротиноиды, фикоэритрины фикобилины и др. Все они содержат длинные цепочки сопряженных связей, в которых р-электронное облако «размазывается» по всей длине, что также приводит к снижению возбужденных энергетических уровней и позволяет поглощать кванты видимого света. У каротиноидов длина цепочек составляет примерно 40 углеродных атомов. Они поглощают свет в области 400-500 нм и имеют желтый или оранжевый цвет. Фикобилины поглощают свет в области 500-650 нм. Все они дополняют спектр поглощения хлорофилла, поглощая не только красный свет, но и свет других участков спектра, позволяя растениям эффективно улавливать солнечную радиацию.

4. Светособирающие комплексы

Для повышения эффективности использования света фотоны улавливаются не только молекулами хлорофилла в реакционных центрах, но и вспомогательными пигментами, передающими энергию электронного возбуждения в реакционный центр. Действительно, сечение поглощения молекулы хлорофилла 10^-15 -10^-16 см², поэтому при интенсивности дневного солнечного света 10¹⁵ -10¹⁶ квант/(см² сек) интенсивность поглощения квантов одной молекулой не более 1-10 квантов в секунду. Но длительность цикла использования энергии фотона от его поглощения до выделения молекулы О₂ составляет порядка 0,01-0,02 сек. Следовательно, большую часть времени между поглощением отдельных квантов хлорофилл должен "простаивать". Поэтому объединение десятков молекул пигментов, снабжающих энергией один реакционный центр, повышает эффективность фотосинтеза.

Рис. 4. Пигменты - компоненты светособирающих антенн.

Кроме заполнения временных интервалов, эффективность светосбора повышается путем «спектрального заполнения», т.е. поглощения квантов в сине-зелено-желтой области, в которой хлорофиллы практически не поглощают свет. Эту роль выполняют разнообразные пигменты - хлорофиллы, каротиноиды, фикоэритрины, фикобилины и др., имеющие полосы поглощения света в этой спектральной области (Рис.3.6). Десятки молекул пигментов-светосборщиков окружают фотосистемы I и II. Энергия поглощенных фотонов преобразуется в энергию электронного возбуждения молекул пигментов. Она с некоторой диссипацией передается от молекулы к молекуле и после нескольких случайных блужданий попадает на реакционные центры фотосистем I и II - Р₆₈₀ или Р₇₀₀, являющиеся «энергетическими ловушками», так как в них процесс миграции энергии прерывается.