У рослин два реакційні центри функціонують у тандемі

Порівняно з одноцентровими бактеріальними системами, фотосинтетичний апарат сучасних ціанобактерій, водоростей і вищих рослин набагато складніший. Існує думка, що він виник внаслідок комбінування двох простіших бактеріальних фотоцентрів. Тилакоїдні мембрани хлоропластів містять два типи фотосистем, кожна з яких має власний фотохімічний реакційний центр і групу антенних молекул. Ці дві системи виконують окремі, але взаємно доповнювальні функції (рис. 19-49). Фотосистема ІІ (ФСІІ)– це система феофітин-хіноновогого типу (як і єдина фотосистема пурпурових бактерій), що містить приблизно однакову кількість хлорофілів a та b. Збудження її реакційного центру P680 спричиняє рух електронів через комплекс цитохром b₆f з одночасним переміщенням протонів через мембрану тилакоїда. Фотосистема І (ФСІ) структурно і функціонально споріднена з реакційним центром типу І зелених сіркових бактерій. Вона містить реакційний центр, який позначають P700, і високе відношення хлорофілу a до хлорофілу b. Збуджена молекула P700 передає електрони на Fe-S‑протеїн фередоксин, а далі на NADP⁺ з утворенням NADPH. Тилакоїдні мембрани одного хлоропласта шпинату містять сотні фотосистем кожного типу.

Описані два типи реакційних центрів у рослин діють у тандемі і каталізують світлозалежне переміщення електронів від H₂O до NADP⁺ (рис. 19-49). Між двома фотосистемами електрони переносить розчинний протеїн пластоціанін, який належить до одноелектронних переносників і за своєю функцією подібний до мітохондріального цитохрома с. Для того, щоб відбулося заміщення електронів, які рухаються від ФСІІ через ФСІ до NADP⁺, ціанобактерії та рослини окиснюють H₂O (зелені сіркові бактерії – H₂S) і продукують О₂ (рис. 19-49, зліва внизу). Цей процес називають оксигенним фотосинтезом, щоб відрізнити його від неоксигенного фотосинтезу, який має місце у пурпурових та зелених сіркових бактерій. Усі фотосинтезуючі клітини рослин, водоростей і ціанобактерій, які виділяють О₂, містять обидві фотосистеми – ФСІ і ФСІІ; організми, що містять лише одну фотосистему, не здатні утворювати О₂. Діаграма на рис. 19-49, яку часто за її форму називають Z-схемою, ілюструє шлях потоку електронів між двома фотосистемами та енергетичні взаємовідносини упродовж світлових реакцій. Отже, Z-схема демонструє шлях, по якому рухаються електрони від Н₂О до NADP⁺, згідно з рівнянням

2Н₂О + 2NADP⁺ + 8 фотонів g О2 + 2NADPH + 2Н⁺

На транспорт кожного електрона від Н₂О до NADP⁺ використовується енергія двох поглинених фотонів (по одному на кожну фотосистему). Для утворення однієї молекули О₂ необхідне перенесення 4 електронів від 2 молекул Н₂О на 2 молекули NADP⁺, отже, загалом цей процес потребує поглинання 8 фотонів- по 4 на кожну фотосистему.

Деталі механізмів фотохімічних реакцій у ФСІІ і ФСІ дуже подібні до тих, за якими функціонують дві фотосистеми бактерій, за винятком декількох важливих доповнень. У ФСІІ два подібні протеїни – DI і DII - формують майже симетричний димер, з яким зв’язані всі електронно-транспортні кофактори (рис. 19-50). Збудження P680 у ФСІІ веде до утворення сильного донора електронів P680^à, який упродовж пікосекунд переносить електрон на феофітин, надаючи йому негативного заряду.(–Фео^-). Утративши свій електрон, P680^à перетворюється на катіонний радикал P680⁺. –Фео^- дуже швидко передає свій надлишковий електрон на зв’язаний з протеїном пластохінон, PQ_A (або Q_A), який, у свою чергу, передає електрон іншому, менш міцнозв’язаному пластохінону, PQ_B (або Q_B). Коли внаслідок двох таких перенесень PQ_B отримує два електрони від PQ_A і два протони від води, то він переходить у повністю відновлену форму хінолу, PQ_BН₂. Загалом реакція, викликана світлом у ФСІІ, має вигляд:

4Р680 + 4Н⁺ + 2PQ_B + 4 фотони g 4Р680⁺ + 2PQ_BН₂ (19-12)

Зрештою електрони від PQ_BН₂ передаються через комплекс цитохрома b₆f (рис. 19-49). Електрон, який на початку відщепився від Р689, заміщується на електрон, що утворюється внаслідок окиснення води, як описано нижче. Центр зв’язування пластохінону є мішенню для дії численних гербіцидів, які знищують рослини шляхом блокування транспорту електронів через комплекс цитохрома b₆f і запобігання фотосинтетичному утворенню ATP.

Фотохімічні процеси, що відбуваються після збудження ФСІ у реакційному центрі Р700, формально подібні до таких же процесів у ФСІІ. Збуджений реакційний центр Р700^à віддає електрон акцептору А₀ (очевидно, це особлива форма хлорофіла, функціонально гомологічна феофітину у ФСІІ), внаслідок чого утворюються А₀^- і Р700⁺ (рис. 19-49, справа); отже, знову результатом збудження є розподіл зарядів у фотохімічному реакційному центрі. P700⁺ є сильним окиснювачем, який швидко відбирає електрон від розчинного мідьвмісного електронно-траспортного протеїну пластоціаніну. А₀^- є винятково сильним відновником, який передає свій електрон через ланцюг переносників на NADP⁺. Спершу електрон акцептує філохінон (А₁) і передає його на залізо-сірковий протеїн (через три Fe-S –центри у складі ФСІ). Далі електронпереноситься на інший залізо-сірковий протеїн фередоксин (Фд), не міцно зв’язаний з мембраною тилакоїда. Фередоксин шпинату (M_r 10700) містить 2Fe-S –центри (рис. 19-5), у яких здійснюються одноелектронні реакції окиснення і відновлення. Четвертим переносником у ланцюзі є флавопротеїн фередоксин: NADP⁺-оксидоредуктаза, який переносить електрони від відновленого фередоксину (Фд_від) на NADP⁺:

Фд_від + 2Н⁺ + NADP⁺ g 2Фд_ок + NADPH + H⁺

Цей ензим гомологічний до фередоксин: NAD-редуктази зелених сіркових бактерій (рис. 19-47б).

Хлорофіли антен міцно інтегровані з переносниками електронів

Електронно-транспортні кофактори ФСІ і світлозбиральні комплекси є частиною надмолекулярного комплексу (рис. 19-51а), структура якого з’ясована за допомогою методу кристалографії. Він складається із трьох ідентичних комплексів, до складу кожного із них входить 11 різних протеїнів (рис. 19-51б). Навколо реакційного центру цієї вражаючої структури у чіткому порядку розташовані численні молекули антенних хлорофілів та каротиноїдів (рис. 19-51в). У такий спосіб електронно-транспортні кофактори реакційного центра тісно контактують з хлорофілами антен, що забезпечує швидке і ефективне перенесення екситона від хлорофілів антен до реакційного центра. Вважають, що на відміну від єдиного шляху електронів у ФСІІ, ініційований поглинанням фотона потік електронів у ФСІ здійснюється по обох гілках переносників.

Просторове розділення фотосистем І і ІІ запобігає втраті екситона

Для збудження ФСІ (Р700) потрібна менша кількість енергії, ніж для збудження ФСІІ (Р680) (коротша довжина хвилі відповідає вищій енергію). Якби ФСІ і ФСІІ розташовувалися поруч, то екситони, зібрані антенною системою ФСІІ мігрували б до реакційного центру ФСІ, у той час як ФСІІ перебувала б у постійно недозбудженому стані, що заважало б діяльності двоцентрової системи. Такій «кражі екситона» запобігає розмежування ФІІ і ФСІІ у тилакоїдній мембрані (рис. 19-52). ФСІІ майже виключно локалізована у щільно упакованих мембранних стопках тилакоїдної грани (гранальні ламели); асоційований з нею світлозбиральний комплекс (СЗКІІ) опосередковує тісний зв’язок розташованих поруч мембран у грані. ФСІ і ATP-синтазний комплекс локалізовані майже виключно у тилакоїдних мембранах, які не упаковані у стопки (стромальні ламели) і мають доступ до складників строми, включно з ADP та NADP⁺. Комплекс цитохром b₆f розподілений впродовж всієї тилакоїдної мембрани.

Зв’язок СЗКІІ з ФСІІ регулюється інтенсивністю і довжиною хвилі світла. В умовах яскравого сонячного освітлення (значну частину якого складає синє світло) ФСІІ поглинає більше світла порівняно з ФСІ, і продукує відновлений пластохінон (пластохінол, PQH₂) швидше, ніж ФСІ здатна його окиснювати. Унаслідок накопичення PQH₂ активується протеїнкіназа, яка фосфорилює залишок Tyr у складі СЗКІІ (рис. 19-53). Фосфорилювання послаблює зв’язок СЗКІІ з ФСІІ і певна частина комплексу дисоціює та переміщається до стромальних ламел; там він збирає фотони для ФСІ, що прискорює окиснення PQH₂ і виправляє дисбаланс потоку електронів у ФСІ і ФСІІ. За умови менш інтенсивного освітлення (у тіні, більше червоного світла) ФСІ окиснює PQH₂ швидше, ніж ФСІІ продукує його, це веде до збільшення концентрації PQ та дефосфорилювання ЗСКІІ і, врешті, знімає вплив фосфорилювання.

Комплекс цитохром b₆f з’єднує фотосистеми ІІ і І

Електрони, які після збудження Р680 у реакційному центрі ФСІІ мігрували до пластохінолу, переносяться на Р700 через комплекс цитохром b₆f і розчинний протеїн пластоціанін (рис. 19-49, у центрі). Подібно до комплексу ІІІ у мітохондріях, комплекс цитохром b₆f (рис. 19-54) містить цитохром b -типу з двома гемовими групами (позначені як b_H і b_L), залізо-сірковий протеїн Ріске (Mr 20000) і цитохром f (від лат. frons – листок). Електрони рухаються через комплекс цитохром b₆f від PQ_BH₂ до цитохрому f, далі до пластоціаніну і врешті до Р700, який і зазнає відновлення.

Подібно до мітохондріального комплексу ІІІ, цитохром b₆f передає електрони від відновленого хінона – мобільного ліпідорозчинного переносника двох електронів (Q в мітохондріях, PQ_B у хлоропластах) – на водорозчинний протеїн, який переносить один електрон (цитохром с у мітохондріях, пластоціанін у хлоропластах). Як і в мітохондріях, функція цього комплексу включає Q-цикл (рис. 19-12), упродовж якого електрони по одному переносяться від PQ_BH₂ на цитохром b₆. Наслідком цього циклу є перекачування протонів через мембрану; у хлоропластах протони закачуються зі строми у порожнину тилакоїда з розрахунку чотири протони на кожну пару електронів. Це зумовлює утворення протонного градієнта на тилакоїдній мембрані по мірі руху електронів від ФСІІ до ФСІ. Оскільки об’єм сплющеної порожнини тилакоїда невеликий, то надходження навіть незначної кількості протонів сильно впливає на величину рН у порожнині. Вимірювання різниця у величині рН між стромою (рН 8) і порожниною тилакоїда (рН 5) вказує на 1000-кратну різницю у концентрації протонів, що створює потужну рушійну силу для синтезу ATP.

Ціанобактерії використовують комплекс цитохром b₆f і цитохром с₆ і у процесі окисного фосфорилювання, і у процесі фотофосфорилювання

Хоча ціанобактерії не містять ні мітохондрій, ні хлоропластів, однак вони здатні синтезувати ATP і шляхом окисного фосфорилювання, і шляхом фотофосфорилювання. Ензиматичний апарат для обох цих процесів розташований у дуже звивистій плазматичній мембрані (див. рис. 1-6). Участь в обох процесах беруть два протеїнові компоненти (рис. 19-55). У процесі фотосинтезу комплекс цитохром b₆f, який закачує протони, переносить електрони від пластохінону на цитохром с₆, а у процесі окисного фосфорилювання – від убіхінону на цитохром с₆; у мітохондріях цю роль виконує цитохром bc₁. У ціанобактерій цитохром с₆, гомологічний до мітохондріального цитохрома с, переносить електрони від комплексу ІІІ до комплексу ІУ; він здатний також переносити електрони від комплексу цитохром b₆f до ФСІ, цю роль у рослин виконує пластоціанін. Отже, існує функціональна гомологія між комплексом цитохром b₆f у ціанобактерій та мітохондріальним комплексом цитохром bc₁, а також між цитохромом с₆ у ціанобактерій та пластоціаніном у рослин.

Воду розщеплює комплекс, який продукує кисень

Основним джерелом електронів, які мігрують до NADPH у процесі фотосинтезу у рослин (під час якого виділяється кисень), є вода. Віддавши електрон феофітину, Р680⁺ (у ФСІІ) повинен отримати електрон для того, щоб повернутися у свій основний стан і бути готовим до сприйняття нового фотона. У принципі, необхідний електрон міг би надійти від будь-яких органічних чи неорганічних сполук. Фотосинтезуючі бактерії з цією метою використовують різноманітні донори електронів – ацетат, сукцинат, малат чи сульфід – залежно від того, який із них доступний у певній екологічній ніші. Приблизно 3 мільярди років тому еволюція первісних фотосинтезуючих бактерій (предків сучасних ціанобактерій) привела до виникнення фотосистеми, здатної відбирати електрони від завжди доступного донора – води. Дві молекули води розщеплюються з утворенням чотирьох електронів, чотирьох протонів і молекулярного кисню:

2H₂O g 4H⁺ + 4 e ^- + O₂

Для того, щоб розірвати зв’язки у молекулі води, замало енергії одного фотона видимого світла; для такої реакції фотолітичного розщеплення необхідні чотири фотони.

Чотири відібраних від води електрони не переносяться прямо на Р680⁺, оскільки пігмент може акцептувати електрони лише по одному. Функцію почергового перенесення електронів на Р680⁺ виконує комплекс, що виділяє кисень (інша назва – водорозщеплювальний комплекс) (рис.19-56). Безпосереднім донором електронів для Р680⁺ слугує залишок Tyr (часто його позначають як Z або Tyr_z) протеїнової субодиниці D1, що входить до складу реакційного центра ФСІІ. Цей залишок віддає і протон, і електрон, перетворюючись на електрично нейтральний вільний радикал ^– Tyr:

4Р680⁺ + 4Tyr g 4Р680 + 4^– Tyr (19-13)

Радикал Tyr повертає собі втрачені електрон і протон внаслідок окиснення кластера із чотирьох іонів марганцю, який входить до складу водорозщеплювального комплексу. Після кожного перенесення електрона кластер стає більш окисненим; внаслідок чотирьох почергових перенесень електрона, на кожне із яких припадає поглинання одного фотона, марганцевий комплекс набуває заряду +4 (рис. 19-56):

4^– Tyr + [Mn-комплекс]⁰ g 4Tyr + [Mn-комплекс]⁴⁺ (19-14)

У такому стані комплекс здатний відбирати чотири електрони від двох молекул води, вивільняючи 4Н⁺ і О₂:

[Mn-комплекс]⁴⁺+ 2Н₂О g [Mn-комплекс]⁰ + 4Н⁺ + О₂ (19-15)

Чотири електрони, які утворюються у цій реакції, вивільняються у порожнину тилакоїда, отже, водорозщеплювальний комплекс діє як протонна помпа, залежна від транспорту електронів. Підсумовуючи рівняння від 19-12 до 19-15, виходить:

2Н₂О + 2PQ_B + 4 фотони g О₂ + 2PQ_BН₂ (19-16)

Встановлено, що водорозщеплювальну активність, асоційовану з реакційним центром ФСІІ, надзвичайно складно виділити. Вважають, що стабілізує марганцевий комплекс периферійний мембранний протеїн (Mr 33000), локалізований на порожнинній стороні тилакоїдної мембрани. У кристалічній структурі (PDB ID 1FE1; див. рис. 19-50) чотири іони Mn згруповані з точною геометрією поблизу залишка Tyr на субодиниці D1, яка, мабуть і бере участь в окисненні води. Марганець може існувати у стабільних окисних станах від +2 до +7, так що кластер із чотирьох іонів, безумовно, здатний віддати чи прийняти чотири електрони. Наведений на рис. 19-56 механізм роботи комплексу узгоджується з експериментальними даними, однак деталі його залишаються нез’ясованими, допоки невідома точна структура всіх проміжних станів марганцевого кластера.

Підсумок 19.8. Центральна фотохімічна реакція: індукція світлом потоку електронів

-Бактеріям властивий один реакційний центр; у пурпурових бактерій він феофітин-хінонового типу, у зелених сіркових бактерій – Fe-S – типу.

- Дослідження структури реакційного центра пурпурових бактерій надали інформацію про наявність світлозалежного потоку електронів від збудженої пари молекул хлорофіла через феофітин до хінонів. Далі від хінонів електрони переносяться через комплекс цитохром b₆f назад до фотореакційного центру.

- У зелених сіркових бактерій функціонує альтернативний шлях, по якому електрони від відновлених хінонів переносяться на NAD⁺.

- Ціанобактерії і рослини містять два різних фотореакційні центри, об’єднані у тандем.

-Рослинна фотосистема І передає електрони від свого збудженого реакційного центра Р700 через низку переносників на фередоксин, який після цього відновлює NADP⁺ до NADPH.

- Реакційний центр рослинної фотосистеми ІІ Р680 передає свої електрони на пластохінон, а їх втрату заміщає електронами від молекули води (в інших організмів донорами електронів слугують інші сполуки).

- Унаслідок світлозалежного розщеплення води, яке каталізує протеїновий комплекс, що містить Mn, утворюється молекулярний кисень. Відновлений пластохінон переносить електрони на комплекс цитохром b₆f; звідси вони потрапляють на пластоціанін і далі на Р700, заміщуючи електрони, втрачені останнім під час фотозбудження.

- Потік електронів через комплекс цитохром b₆f викликає переміщення протонів черезплазматичну мембрану, створюючи протонорушійну силу, яка постачає енергію для синтезу ATP ензимом ATP-синтазою.

19.9 Синтез ATP шляхом фотофосфорилювання

Поєднання активностей двох рослинних фотосистем забезпечує переміщення електронів від води до NADP⁺, запасаючи певну частину енергії поглиненого світла у вигляді NADPH (рис. 19-49). Одночасно через тилакоїдну мембрану перекачуються протони і енергія запасається у вигляді електрохімічного потенціалу. Тепер ми розглянемо, як цей протонний градієнт забезпечує синтез ATP - ще одного енергозбагаченого продукта світлозалежних реакцій.

1954 р. Деніел Арнон та його колеги виявили, що під час фотосинтетичного транспорту електронів в освітлених хлоропластах шпинату з ADP та P_i утворюється ATP. Цей факт було підтверджено в роботі Альберта Френкеля, який виявив світлозалежне утворення ATP у пігментовмісних мембранних структурах хроматофорах, виділених із фотосинтезуючих бактерій. Вчені дійшли висновку, що певна частина світлової енергії, поглиненої фотосинтетичними системами цих організмів, перетворюється на енергію фосфатного зв’язку ATP. Цей процес називають фотофосфорилюванням, щоб відрізнити його від окисного фосфорилювання, яке має місце у мітохондріях під час дихання.

Протонний градієнт поєднує процеси перенесення електронів і фосфорилювання

Деякі особливості процесів фотосинтетичного транспорту електронів і фотофосфорилювання у хлоропластах вказують на те, що протонний градієнт тут відіграє таку ж роль, як і у мітохондріальному окисному фосфорилюванні. (1) Реакційні центри, переносники електронів і ензими синтезу ATP локалізовані у непроникних для протонів мембранах, якими є тилакоїдні мембрани; для здійснення фотофосфорилювання ці мембрани повинні бути інтактними. (2) Процес фотофосфорилювання і потік електронів можна роз’єднати за допомогою реагентів, які сприяють проникненню протонів через тилакоїдну мембрану. (3) Фотофосфорилювання можна заблокувати за допомогою вентуріцидину та подібних сполук, які інгібують утворення ATP з ADP та P_i мітохондріальною ATP-синтазою (табл.. 19-4). (4) Синтез ATP каталізує локалізований на зовнішній поверхні тилакоїдних мембран комплекс F₀F₁, який за своєю структурою і функцією дуже подібний до комплексу F₀F₁ у мітохондріях.

Електроно-транспортні молекули у ланцюзі переносників, що зв’язує ФСІІ і ФСІ, орієнтовані у тилакоїдній мембрані асиметрично, тому наслідком фотоіндукованого потоку електронів є переміщення протонів через мембрану, із строми у порожнину тилакоїда (рис. 19-57). 1966 р Андре Яґендорф показав, що градієнт рН між двома сторонами тилакоїдної мембрани (лужної ззовні) спрямовує рушійну силу на синтез ATP. Його спостереження були одними із найважливіших експериментальних підтверджень хеміосмотичної гіпотези Мітчелла.

Спочатку А.Яґендорф інкубував хлоропласти у буфері з рН 4 і у темряві; за цих умов буфер поволі проникав всередину тилакоїдів і знижував їх внутрішнє рН. Вчений додав до суспензії хлоропластів ADP та P_i, після чого раптово підвищив рН на зовнішній мембрані до 8, що моментально привело до виникнення великого градієнта рН на мембрані. По мірі переміщення протонів із тилакоїдів у середовище відбувався синтез ATP з ADP та P_i. Оскільки утворення ATP відбувалося у темряві (без надходження світлової енергії), то цей експеримент засвідчив, що градієнт рН між сторонами мембрани має великий запас енергії, який, як і у випадку мітохондріального окисного фосфорилювання, здатний опосередковувати перетворення енергії транспорту електронів у хімічну енергію ATP.

Деніел Арнон Андре Яґендорф

Приблизна стехіометрія процесу фотофосфорилювання встановлена

На кожні 4 електрони, які переносяться від води на NADP⁺ у хлоропластах рослин (отже, на кожну утворену молекулу О₂), із строми у порожнину тилакоїда переміщаються близько 12 H⁺. 4 із цих протонів передає киснеутворювальний комплекс, а близько 8 – комплекс цитохром b₆f. Унаслідок цього на тилакоїдній мембрані виникає 1000-кратна різниця у концентрації протонів (DpH =3). Нагадаємо, що енергія, яка запасається у протонному градієнті (електрохімічний потенціал), складається з двох компонентів: різниці у концентрації протонів (DpH) і електричного потенціалу (Δψ), зумовленого розподілом зарядів. У хлоропластах DpH є головним компонентом; рух протиіона, очевидно, розсіює більшу частину електричного потенціалу. У хлоропластах на світлі кількість енергії, що запасається на моль протонів у протонному градієнті, становить

2G = 2,3 RT DpH + ZFΔψ = -17 кДж/моль

Якщо ж через тилакоїдну мембрану переміщається 12 молів протонів, то запасається близько 200 кДж енергії, якої достатньо для синтезу декількох молів ATP (DG¢⁰ = 30,5 кДж/моль). Експериментальне визначення дає значення близько 3 молекул ATP на кожну молекулу утвореного О₂.

Для перенесення 4 електронів від H₂O на NADPН необхідно, щоб відбулося поглинання не менше 8 фотонів (один фотон на кожний електрон у кожному реакційному центрі). Енергії цих 8 фотонів видимого світла більш ніж достатньо для синтезу 3 молекул ATP.

Під час фотосинтезу у рослин запасання енергії відбувається не лише у реакції синтезу ATP; збагаченим на енергію є і NADPH, що утворюється на кінцевому етапі транспорту електронів (як і його близький аналог NADН). Загальне рівняння нециклічного фотофосфорилювання (значення терміну пояснено далі) буде таким:

2H₂O + 8 фотонів + 2NADP⁺ + ~3ADP + ~ 3P_i g O₂ + ~3ATP + 2NADPH (19-17)

Циклічний потік електронів продукує ATP, але не NADPH чи O₂

Завдяки існуванню альтернативного шляху індукованого світлом потоку електронів, у рослинах може змінюватися відношення NADPH/ATP, які синтезуються на світлі; такий шлях назвали циклічним потоком електронів, щоб відрізнити його від нормального однонаправленого, або нециклічного потоку електронів від H₂O до NADP⁺. Циклічний потік електронів (рис. 19- 49) включає лише ФСІ. Електрони, які надійшли від Р700 на фередоксин, не переносяться далі на NADP⁺, а повертаються назад через комплекс цитохром b₆f до пластоціаніну. Такий шлях аналогічний перенесенню електронів у зелених сіркових бактеріях (рис. 19-47б). Пластоціанін віддає електрони Р700, який у разі освітлення рослини передає їх фередоксину. Отже, на світлі у ФСІ може відбуватися тривалий циклічний рух електронів з її реакційного центру і назад до цього ж реакційного центру. Переміщення кожного електрона по циклу здійснюється за рахунок енергії, що утворюється внаслідок поглинання одного фотона. Циклічний потік електронів не супроводжується утворенням NADPH чи виділенням О₂. Натомість, він супроводжується перекачуванням протонів комплексом цитохром b₆f і фосфорилюванням ADP до ATP; назвали такий процес циклічним фотофосфорилюванням. Сумарне рівняння циклічного потоку електронів і фотофосфорилювання виглядає просто:

світло

ADP + P_i g ATP + H₂O

Шляхом регулювання розподілу електронів на відновлення NADP⁺ і циклічне фотофосфорилювання у клітинах рослин встановлюється таке співвідношення синтезованих на світлі ATP і NADPH, яке необхідне для задоволення потреб у цих продуктах реакцій асиміляції вуглецю та інших біосинтетичних процесів. Як буде показано у розділі 20, реакції асиміляції вуглецю потребують ATP і NADPH у співвідношенні 3:2.

ATP-синтаза хлоропластів подібна до ATP-синтази мітохондрій

Ензим, відповідальний за синтез ATP у хлоропластах, - це великий комплекс, що містить два функціональні компоненти - CF₀ та CF₁ (С – від англ. c hloroplast, що вказує на локалізацію). Компонент CF₀ є трансмембранною протонною порою, що складається із декількох інтегральних мембранних протеїнів, і гомологічний до F₀ мітохондрій. Компонент CF₁ – це периферійний мембранний протеїновий комплекс, який за своїм субодиничним складом, структурою і функцією дуже подібний до мітохондріального компонента F₁.

Електронномікроскопічне дослідження зрізів хлоропластів виявило випуклі виступи на зовнішній (стромальній, або N) поверхні тилакоїдних мембран, що відповідають ATP-синтазним комплексам, проекції яких видно на внутрішній (матриксній, або N) поверхні внутрішньої мітохондріальної мембрани. Отже, взаємозв’язок між орієнтацією ATP-синтази і напрямком перекачування протонів у хлоропластах та мітохондріях однаковий. В обох випадках F₁-частина ATP-синтази локалізована на більш лужній (N) стороні мембрани, через яку протони рухаються за своїм концентраційним градієнтом; напрямок руху протонів відносно F₁ є однаковим в обох випадках: з P-сторони мембрани на N-сторону (рис. 19-58).

Вважають, що хлоропластна ATP-синтаза та її мітохондріальний аналог функціонують по суті за ідентичним механізмом; ADP та P_i легко конденсуються на поверхні ензима до ATP, а для вивільнення зв’язаного з ензимом ATP необхідна протонорушійна сила. У процесі ротаційного каталізу кожна із трьох b -субодиниць ATP-синтази послідовно залучається до синтезу ATP, його вивільнення і зв’язування ADP + P_i (рис. 19-24, 19-25).

Предками хлоропластів є ендосимбіотичні бактерії

Хлоропласти, як і мітохондрії, містять власну ДНК і апарат синтезу протеїнів. Певні поліпептиди хлоропластних протеїнів кодуються генами хлоропластів і синтезуються у хлоропластах, інші ж кодуються генами ядра, синтезуються поза хлоропластами, після чого імпортуються у ці органели (розділ 27). У процесі росту та поділу рослинних клітин відбувається і поділ хлоропластів, під час якого їхня ДНК реплікується і розподіляється між дочірніми хлоропластами. Структури, що забезпечують поглинання світла, механізм цього процесу, потік електронів і синтез ATP у фотосинтезуючих бактеріях та хлоропластах рослин у багатьох відношеннях досить подібні. Ці факти привели до загальноприйнятої у наш час гіпотези про те, що еволюційними предками сучасних рослинних клітин є первісні еукаріоти, які колись були поглинені фотосинтезуючими бактеріями і налагодили з ними стійкі ендосимбіотичні взаємовідносини (див. рис. 1-36).

Різноманітні фотосинтезуючі організми у якості донорів водню використовують не воду, а інші сполуки

Принаймні половину наявної на Землі фотосинтетичної активності забезпечують мікроорганізми, а саме водорості, інші фотосинтезуючі еукаріоти і фотосинтезуючі бактерії. Ціанобактерії містять ФСІІ і ФСІ, які функціонують у тандемі, окрім того, з ФСІІ пов’язана водорозщеплювальна активність, яка нагадує таку ж у рослин. Інші групи фотосинтезуючих бактерій містять один реакційний центр і не здатні розщеплювати воду та виділяти О₂. Багато із них є облігатними анаеробами і не переносять наявності кисню, а тому змушені у якості донора електронів використовувати не воду, а інші сполуки. Деякі фотосинтезуючі бактерії як донорів електронів (і водню) використовують неорганічні сполуки. Наприклад, зелені сіркові бактерії використовують сірководень:

світло

2H₂S + CO₂ g (CH₂O) + H₂O + 2S

Унаслідок окиснення H₂S цими бактеріями, утворюється не О₂, а елементарна сірка (яку вони далі окиснюють до SO₄²-). Інші фотосинтезуючі бактерії як донорів електронів використовують органічні сполуки, наприклад, лактат:

світло

2 Лактат + СО₂ g (СН₂О) + Н₂О + 2 піруват

Фундаментальна подібність процесу фотосинтезу у рослин та бактерій, незважаючи на наявність різниці у донорах електронів, стає очевиднішою, якщо записати рівняння фотосинтезу у більш загальному вигляді

світло

2H₂D + CO₂ g (CH₂O) + H₂O + 2D

де H₂D означає донор електронів (і водню), а D – його окиснена форма. Залежно від виду рослин, H₂D може бути водою, сірководнем, лактатом чи будь-якою іншою органічною сполукою. Наймовірніше, що первісні фотосинтезуючі бактерії у якості джерела електронів використовували H₂S, і лише після того, як виник оксигенний фотосинтез (приблизно 2,3 мільярди років тому), вміст кисню в атмосфері Землі став значним. У ході подальшої еволюції стало можливим виникнення електронно-ранспортних систем, здатних у якості основного акцептора електронів використовувати О₂, що врешті призвело до появи високоефективного процесу добування енергії шляхом окисного фосфорилювання.

У галофільних бактерій функцію поглинання світла і перекачування протонів для синтезу ATP виконує один протеїн

Спосіб запасання енергії сонячного світла галофільними («солелюбивими») бактеріями Halobacterium salinarum, що належать до архебактерій і походять від дуже давніх еволюційних предків, істотно відрізняється від описаних вище фотосинтетичних механізмів. Ці бактерії живуть лише у морській воді чи у солоних озерах (як, наприклад, Велике Солоне озеро і Мертве море), де внаслідок випаровування води виникає висока концентрація солі, яка може перевищувати 4 М; вони взагалі не здатні існувати у середовищі з концентрацією NaCl, нижчою за 3 М. Галобактерії належать до аеробів і використовують О₂ для окиснення органічних поживних речовин. Проте розчинність О₂ у морській воді настільки низька, що іноді окисний метаболізм необхідно доповнити альтернативним джерелом енергії у вигляді сонячного світла.

Плазматична мембрана H. salinarum містить скупчення світлопоглинального пігмента бактеріородопсину, до складу якого у вигляді простетичної групи входить ретиналь (альдегідне похідне вітаміну А, див. рис. 10-21). Під час освітлення клітин зв’язаний з родопсином повністю- транс -ретиналь поглинає фотон і зазнає фотоізомеризації до 13- цис -ретиналю. Повернення до форми повністю- транс -ретиналю супроводжується викачуванням протонів назовні через плазматичну мембрану. Бактеріородопсин, що містить лише 247 амінокислотних залишків, є найпростішою протонною помпою, здатною перекачувати протони за рахунок енергії світла. На підставі відмінності у тривимірній структурі бактеріородопсину до і після освітлення (рис. 19-59а) можна передбачити шлях, по якому узгоджена низка протонних «стрибків» могла б ефективно рухати протон через мембрану. Хромофор ретиналь зв’язаний за допомогою з’єднання основи Шиффа з e -аміногрупою залишку Lys. У темряві атом N у складі основи Шиффа перебуває у протонованому стані; на світлі фотоізомеризація ретиналю знижує p K_a цієї групи, внаслідок чого її протон переноситься на найближчий залишок Asp. Це запускає серію протонних «стрибків», що врешті решт приводить до вивільнення протона на зовнішній поверхні мембрани (рис. 19-59б).

Електрохімічний потенціал на мембрані зумовлює рух протонів назад у клітину через мембранний ATP-синтазний комплекс, дуже подібний до таких же комплексів у мітохондріях та хлоропластах. Отже, за умов обмеженого вмісту О₂ галобактерії здатні використовувати світло для того, щоб доповнити кількість ATP, синтезовану шляхом окисного фосфорилювання. Галобактерії не виділяють О₂ і не здатні до фотовідновлення NADP⁺, а тому апарат фототрансдукції у них має набагато простішу будову, ніж у ціанобактерій та рослин. Тим не менше, механізм перекачування протонів, який використовується цим простим протеїном бактеріородопсином, може бути прототипом інших, набагато складніших іонних помп. Бактеріородопсин

Підсумок 19.9. Синтез ATP шляхом фотофосфорилювання

-Як реакція розщеплення води, так і потік електронів через комплекс цитохром b₆f у рослин супроводжуються закачуванням протонів через тилакоїдну мембрану. Унаслідок цього виникає протонорушійна сила, яка забезпечує синтез ATP комплексом CF₀CF₁, подібним до комплекса F₀F₁ у мітохондріях.

- Потік електронів через фотосистеми продукує NADPH та ATP у відношенні приблизно 2:3. Інший тип потоку електронів (циклічний потік) продукує лише ATP і забезпечує варіабельність співвідношення між синтезованими NADPH і ATP.

- Локалізація ФСІ та ФСІІ у гранальних та стромальних ламелах може змінюватися і непрямо контролюється інтенсивністю світла, забезпечуючи оптимальний розподіл екситонів між ФСІ і ФСІІ для ефективного запасання енергії.

-Еволюційними предками і хлоропластів, і мітохондрій є бактерії, які жили ендосимбіотично всередині давніх еукаріотичних клітин. ATP-синтази еубактерій, ціанобактерій, мітохондрій і хлоропластів мають спільного еволюційного попередника і функціонують за однаковим ензиматичним механізмом.

-Багато здатних до фотосинтезу мікроорганізмів отримують електрони не від води, а від інших донорів, наприклад, H₂S.

Основні терміни

Дата добавления: 2015-08-18