Механизм переноса электронов в фотосинтетических цепях электронного транспорта, как и в митохондриях, двоякий - туннелирование в пигмент-белковых надмолекулярных комплексах и перенос между комплексами пулом подвижных переносчиков.
9. Фотосистема II
Фотосистема II устроена сложнее фотосистемы I, так как в ее состав входит водоокисляющая система, поставляющая электроны в реакционный центр. Кор-комплекс ФС II представляет собой димер из двух субъединиц, которые включают по два почти одинаковых белка D1 и D2, являющихся структурной основой для организации реакционных центров, цитохром b559, а также антенные белки CP43 и CP47. В состав реакционного центра фотосистемы II кроме 6 молекул хлорофилла, а входят две молекулы феофитина, две молекулы в-каротина и одна молекула цитохрома b559. Они удерживаются и размещаются в фотосинтетической мембране парой почти одинаковых интегральных белков D1 и D2 и несколькими меньшими белками.
В фотосистеме II первичным донором электронов служит хлорофилл, а - P680. Предполагается, что роль реакционного центра P680 в ФСII играет димер хлорофилла. Но спектральные свойства указывают на то, что в состав P680 могут входить еще шесть молекул хлорофилла, расположенных на некотором расстоянии (Рубин, 2000). Изучение P680+ затруднено тем, что он очень сильный окислитель и может окислять соседние молекулы. Ведь для окисления молекулы воды его редокс-потенциал должен превышать +810 мВ.
Разделение зарядов и перенос электронов в реакционном центре фотосистемы II происходят примерно так же, как и в фотосистеме I. Методами лазерной спектроскопии показано, что после поглощения кванта света электрон за 3 пс с эффективностью 95-98 % переносится от возбужденного хлорофилла Р680* на первичный акцептор феофитин (ФФ) - пигмент порфиринового ряда, не содержащий координированного атома металла, - с образованием радикальной пары (?Р+680 ?ФФ-). За следующие 150 пс электрон переносится на прочно связанный с белками пластохинон PQA (или просто QA), а от него - на слабо связанный пластохинон PQВ (или QВ), находящийся за пределами реакционного центра. Последний, получив два электрона и присоединив два протона из воды, превращается в полностью восстановленную форму PQBH2, которая после диффузии внутри мембраны переносит электроны на комплекс цитохромов b6f.
Комплекс цитохромов b6f похож на митохондриальный комплекс цитохромов bc1. Он участвует в переносе электрона от фотосистемы I (от ферредоксина) или от фотосистемы II (от пластохинона PQBH2) через пластоцианин на фотосистему I. Этот комплекс представляет собой димер из двух одинаковых мономеров. Он содержит два цитохрома b6 с высоко- и низкопотенциальными гемами (обозначаемыми как bH и bL, соответственно), цитохром f с гемом f, еще один гем х с неизвестной функцией и в-каротин, функции которого также неизвестны. В его состав также входит железо-серный белок Риске с центром (Fe2-S2). Пластохинон PQB, вероятно, осуществляет транспорт протонов через фотосинтетическую мембрану по механизму, похожему на Q-цикл в митохондриальном комплексе цитохромов bc1. Во всяком случае, предполагается, что в области контакта каждого мономера с другим мономером есть центр связывания пластохинона, так что между ними может помещаться пара пластохинонов PQ и PQH2, которые могут осуществлять Q-цикл. Но в отличие от митохондрий, где ионы водорода переносится из матрикса в межмембранное пространство, в хлоропластах протоны переносятся внутрь тилакоидов. Это приводит к созданию электрохимического градиента протонов DmH+, используемого Н+-ATP-синтазой (F0F1 ) для производства ATP.
Совместная работа комплекса цитохромов b6f, NADP+-оксидоредуктазы и водоокисляющей системы создает 1000-кратный градиент концентрации протонов. В результате внутритилакоидный объем приобретает рН 5, тогда как рН стромы порядка 8. Это создает на тилакоидной мембране протондвижущую силу около 200 мВ (одна единица рН примерно равна 60 мВ), почти целиком обусловленную разностью концентраций Н+, а не мембранным потенциалом (мембрана тилакоида проницаема для ионов Mg2+ и Cl-, и они нивелируют разность потенциалов). Эта протон-движущая сила используется Н+-ATP-синтетазой, такой же, как и в митохондриях, для синтеза ATP.
10. Водоокисляющая система
Исходным источником электронов для электронно-транспортных систем фотосинтеза является вода. Она также поставляет ионы водорода для создания протонного градиента. Но для их получения необходимо расщепить молекулу воды:
2H2O 4 H+ + 4 e- + O2.
Это требует большой энергии, ведь обратная реакция: Н2 + О2 ® Н2 О идет со взрывом. Энергии одного кванта для этого недостаточно. Для расщепления двух молекул воды необходимо не менее четырех фотонов. Но фотосинтетический механизм может одновременно манипулировать только одним электроном. Для решения этой проблемы в фотосинтезирующих клетках есть специальная водоокисляющая (или водорасщепляющая) система, тесно, структурно и функционально, связанная с фотосистемой II. Она передает отнятый у воды электрон на Р680+ для компенсации потери электрона в процессе разделения зарядов. То есть, она является непосредственным донором электронов для Р680+. Молекулярная природа этого донора электронов (его обозначали как Z) долго оставалась неизвестной, но потом было обнаружено, что ее роль играет один из тирозинов полипептида D1 (YZ). Но, поскольку Р680+ может принимать только по одному е-, а при расщеплении воды их должно выделиться четыре, то должен существовать каталитический центр, способный связывать две молекулы воды, накапливать отщепляющиеся электроны и направлять их по одному на Р680+.
Было высказано предположение, что водоокисляющая система работает как 4-тактный циклический механизм. И действительно, в опытах с освещением ФСII короткими вспышками относительный выход кислорода был максимален после 1-й и 5-й вспышек. Предполагается, что комплекс, производящий О2, существует в пяти промежуточных состояниях окисления: S0, S1, S2, S3 и S4, переход между которыми происходит при освещении последовательными вспышками света (Рис.3.20). Эта последовательность называется S-циклом.
Но какое вещество может накапливать 4 электрона, меняя свою валентность на 4 единицы? Им оказались ионы марганца. Марганец давно был обнаружен в составе ФСII и было известно, что если его меньше, чем 4 атома на одну молекулу Р680, то выделение О2 не происходит. Марганец может находиться в нескольких стабильных состояниях от Mn+2 до Mn+7. Для связанного с белком иона это обозначается как Mn(II), Mn(III) и т.д. Показано, что при переходе S0 ®S1 ®S2 меняется степень окисления марганца:
Mn(II) > Mn(III) > Mn(IV).
Однако, переход S2 ®S3 сопровождается переносом положительного заряда не на атом марганца Mn(V), а на какой-то другой элемент системы, предположительно, His, а потом на YZ белка D1 и далее на P680+. Это связано с тем, что, если Mn(II) и Mn(III) стабильны, то Mn(IV) - нестабильный, короткоживущий продукт. С помощью рентгеновской спектроскопии в фотосинтетической мембране обнаружены четырехмарганцевые кластеры и была изучена их структура. Они состоят из двух димеров, в которых атомы марганца соединены кислородными мостиками. Предполагается, что после удаления четырех электронов окисленный марганцевый кластер в состоянии S4 оказывается способным окислить две молекулы воды. Это происходит на заключительном этапе цикла S4 > S0.
Конечно, тут остается много вопросов. Например, не ясно, почему в модели, изображенной на рис.3.22, только два атома марганца (правые на этом рисунке) из четырех, входящих в состав кластера, меняют свое зарядовое состояние от Mn+2 до Mn+4. При этом кластер расщепляет воду не в наиболее окисленном состоянии S3: (Mn+4, Mn+4), а в менее окисленном состоянии S4: (Mn+3, Mn+4), когда, казалось бы, его сродство к электронам должно быть ниже. Пока также неясны функции ионов Cl- и Ca2+, без которых не расщепляется вода и фотосинтез не осуществляется. Есть еще много нерешенных проблем, но учитывая внимание исследователей к этой важнейшей сфере и замечательные достижения последних лет, можно надеяться на значительный прогресс в познании механизмов фотосинтеза в ближайшие годы.
фотосинтез растение фотон хлоропласт
11. Цикл Кальвина
Цикл Кальвина - система темновых биохимических реакций, в которых из углекислого газа и водорода, поставляемого NADH, синтезируется глюкоза:
CO2 + 2NADPH + 3ATP + 3Н20 > 4 СН2О + 2NADP+ + 3ADP + 3Pi
На первой стадии цикла Кальвина осуществляется фиксация (усвоение) углерода из углекислого газа, т.е. присоединение молекулы СО2 к пятиуглеродной молекуле рибулозо-1,5-бисфосфата с расщеплением его на две трехуглеродные молекулы 3-фосфоглицерата. Затем с участием NADPH и ATP происходит восстановление его до глицеральдегид-3-фоссфата, который используется для синтеза сахаров и крахмала, а также для производства АТР в гликолитическом процессе. И наконец, с участием АТР может происходить регенерация акцептора углерода - рибулозо-1,5-бисфосфата, замыкая таким образом цикл.
Цикл Кальвина имеет побочные ответвления, ведущие к синтезу аминокислот, липидов и т.д. Подробно биохимия этого важнейшего процесса рассматривается в курсах по биохимии растений.
Литература
1. Волькенштейн М.В. Общая биофизика, М. Наука, Физматлит, 1978.
2. Рубин А.Б. Биофизика, т. 2. М., Изд. МГУ, 2000, 2004.
3. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. Санк-Петербург, Спецлит, 2004
4. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М. Наука, 1989.
5. Alberts B. et al. Molecular Cell Biology. 4-th edition. Garland Science. New York, 2002.
6. Nelson D.L., Cox M.M. Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition, W.H. Freeman & Company; 2005.