Световая фаза фотосинтеза. Фотофосфорилирование

Фотосинтез начинается с возбуждения хлорофилла, обусловленное поглощением им кванта света. Возбуждённый электрон переходит энергетически более высокую орбиту, но вскоре через 10^-9 с вновь возвращается к исходному положению. Возникающий при этом избыток энергии возбуждения частично переходит в тепловую, но большая её часть передаётся другим молекулам хлорофилла.

В ходе этого этапа происходит фотолиз воды, осуществляется фотосинтетическое фосфорилирование. Фотосинтетическое фосфорилирование – процесс преобразования энергии света в энергию АТФ. Американский ученый Аррон обнаружил два типа фосфорилирования: циклическое и нециклическое.

При циклическом происходит процесс превращения световой энергии в химическую. Синтез АТФ сопряжён с образованием воды, а не с выделением кислорода.

Нециклическое фосфорилирование происходит у аэробных организмов при превращении световой энергии в потенциальную химическую. Помимо АТФ образуется никотинамидадениндинуклеотидфосфат НАДФ·Н₂, который необходим для восстановления углекислого газа и выделения кислорода.

Совокупность светособирающего комплекса фотохимического реакционного центра и связанных с ним молекул – переносчиков электронов составляет фотосистему. Хлорофилл а имеется у растений в двух формах с разлиными спектрами поглощения и различными фотохимическими функциями. Фотосистема – важнейшее структурно-функциональное звено фотосинтетического аппарата. Фотосистемы различаются по составу белков, пигментов и оптическим свойствам.

Фотосистема I включает светособирающий комплекс и фотохимический реакционный центр I, в состав которого входит димер хлорофилла, поглощающий свет с длинной волны 700 нм.

Фотосистема II включает светособирающий комплекс и фотохимический реакционный центр II, в состав которого входит димер хлорофилла, поглощающий свет с длинной волны 680 нм.

Свет поглощается этими фотосистемами раздельно, нормальное осуществление фотосинтеза требует участие их обеих. Две пигментные системы участвуют в переносе водородом электронов, образующиеся в результате фотосинтеза воды на промежуточные продукты, возникающие при превращении СО₂ в углерод. Перенос по цепи переноса включает ряд окислительно-восстановительных реакций. Водородные атомы от промежуточного донора ZH, который образуется в процессе фотолиза воды, благодаря энергии, усвоенной в фотосистеме II, передаются к связанному с ним цитохрому В-6 (железопарферин протеид). Фотосистема II включает хлорофилл 680 и дополнительные пигменты. Затем электроны передаются цитохрому f и при этом происходит синтез АДФ и АТФ. Благодаря энергии света, которая аккумулируется системой I, электроны передаются акцептору Х и посредством ферредоксина (железо, содержащее белок) один из восстановленных кофакторов, локализированных в хлоропластах, восстанавливают НАДФ. В результате образуется НАДФ ·Н₂ , который используется для восстановления фосфоглицериновой кислоты (ФГК).

Таким образом, отличительными особенностями нециклического фотосинтетического фосфорилирования являются: 1) окисление двух молекул воды, происходящие в результате воздействия света, который улавливается двумя фотосистемами; 2) передача электронов от молекул воды через электронно-транспортную цепь на НАДФ. Продуктами процесса нециклического фотофосфорилирования являются восстановленный никотамидадениндинуклеотидфосфат и АТФ. Эти соединения в дальнейшем используются в темновой фазе фотосинтеза.

 

Темновая фаза фотосинтеза

C₃-путь фотосинтеза. Ферментативные реакции

Сущность темновых реакций процесса фотосинтеза была раскрыта американским учёным М. Кальвином в 1961 г., за что удостоился Нобелевской премии.

Цикл Кальвина можно разделить на определённые фазы:

1. Карбокслирование. Эта реакция катализируется ферментом рибулозобисфосфаткарбоксилазой/оксигеназой (РБФ-карбоксилазой). При взаимодействии РБФ с СО₂ образуется нестойкое шестиуглеродное соединение, которое затем распадается на две молекулы ФГК.

ФГК – это органическая кислота и её энергетический уровень ниже уровня сахара. Поэтому это соединение не может непосредственно превращаться в углеводы. Необходимо превращение его в в трёхуглеродный сахар – фосоглицериновый альдегид (ФГА).

2. Восстановление. Дальнейшее превращение ФГК требует участия продуктов световой фазы фотосинтеза: АТФ и НАДФ ·Н₂, +Н⁺. Эта реакция идёт в 2 этапа. Прежде всего происходит реакция фосфорилирования 3-ФГК. Донором фосфатной группы является АТФ. АТФ требуется здесь в качестве дополнительного источника энергии. Образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота. Эта реакция катализируется ферментом фосфоглицерокиназой.

Образовавшаяся в этой реакции соединение – дифосфоглицериновая кислота – обладает более высокой реакционной способностью, содержит макроэргическую связь, полученную от АТФ. Затем карбоксильная группировка этого соединения восстанавливается до альдегидной с помощью триозофосфатдегидрогеназы, коферментом которой служит НАДФ.

Образовавшийся ФГА является по уровню восстановленности углеводом. Это соединение вступает в две последние фазы. 5 молекул ФГА используются на регенерацию акцептора РДБ (рибулозобисфосфаткарбоксилаза) чтобы фиксация СО₂ могла осуществляться. Оставшаяся шестая молекула вступает в фазу «синтеза продуктов», где превращается в более сложные соединения (углеводы, аминокислоты и др.)

3. Регенерация. В процессе регенерации акцептора используется пять молекул ФГА, в результате чего образуются три молекулы рибулёзо-5-фосфата. Этот процесс идёт через образование 4-, 5-, 6-, 7-углеродных соединения. Прежде всего, первая молекула ФГА изомеризуется до фосфодиоксиацетона (ФДА). Процесс катализируется ферментом триозофосфатизомеразой.

Фосфодиоксиацетон взаимодействует со второй молекулой ФГА и образованием фруктозодифосфата (ФДФ).

От ФДФ отщепляется фосфат, и ФДФ превращается во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф). Далее от отщепляется 2-углеродный фрагмент (-СО-СН₂ОН), который переносится на следующую (третью) триозу. Это транскетолазная реакция идёт при участии фермента транскетолазы. В результате образуется первая пентоза-(С₅)-рибулёзофосфат. От Ф-6-Ф остается 4-углеродный сахар эритрозофосфат, который конденсируется с четвёртой триозой с образованием седогиптулёзодифосфата (С₇). После отщепления фосфата седогептулезодифосфат превращается в седогептулезофосфат. Далее снова происходит транскетолазная реакция, в результате которой от седогептулезофосфата отщепляется 2-углеродный фрагмент, который переносится на пятую триозу Образуются еще две молекулы рибулезофосфата. Таким образом, в результате рассмотренных реакций получаются 3 молекулы рибулезофосфата. Для образования из них акцептора (РДФ) необходимо их фосфорилирование. Для этого используются три молекулы АТФ (образовавшиеся в результате световых реакций).

Образовавшийся триозофосфат (ФГА) вступает в четвёртую стадию темновых реакций – стадию образования продуктов фотосинтеза.

Процесс образования углерода имеет циклический характер с образованием учтойчивых продуктов.

С₄-путь фотосинтеза (цикл Хетча – Слэка)

У некоторых растений, преимущественно тропических и субтропических (кукуруза, сахарный тростник, сорго, просо) фотосинтез идёт по другому пути. В этом случае первым продуктом карбоксилирования является соединение, содержащее 4 атома углерода. Поэтому этот путь получил название С4-пути, в отличие от цикла Кальвина, в котором образуется ФГК, содержащая 3 атома углерода (С3-путь).

У этих растений два типа клеток и хлоропластов: 1) мелкие гранальные пластиды в клетках мезофилла листа; 2) крупные пластиды, часто лишенные гран, в клетках обкладки, окружающих сосудистые пучки. Клетки обкладки имеют утолщенные клеточные стенки, содержат большое количество хлоропластов и митохондрий, расположены вокруг сосудистых пучков в 1 или 2 слоя. Совокупность указанных особенностей анатомического строения получила название корончатой анатомии или корончатого синдрома.

Хлоропласты разных типов клеток характеризуются не только особенностями строения, но и разным типам фосфорилирования. В клетках мезофилла по преимуществу происходит нециклическое фосфорилирование и образуется НАДФН, необходимый для цикла Кальвина, идущего в клетках обкладки. В хлоропластах клеток обкладки идет только циклическое фосфорилирование.

На первом этапе С4-пути углекислый газ, диффундирующий в лист через устьица, попадает в цитоплазму клеток мезофилла с мелкими хлоропластами, в которых и происходит реакция карбоксилирования фосфоенолпировиноградной кислоты (ФЕП). Реакция катализируется ферментом фосфоенолпируваткарбоксилазой (фепкарбоксилазой) с образованием щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетат). ЩУК преобразуется в яблочную кислоту (малат) или аспарагиновую (аспартат). Восстановление до маната происходит в присутствии НАДФ*Н, а для образования аспартата необходимо наличие NH⁴⁺. Затем яблочная (или аспарагиновая) кислота, по-видимому, по плазмодесмам передвигается в клетки обкладки. В клетках обкладки яблочная кислота декарбоксилируется ферментом малатдегидрогеназой до пировиноградной кислоты (пируват) и С0₂. С0₂ поступает в хлоропласты клеток обкладки и включается в цикл Кальвина—присоединяется к РБФ. Пируват возвращается в клетки мезофилла и превращается в первичный акцептор С0₂ — ФЕП или фосфоенолпировиноградную кислоту. Таким образом, при С4-пути реакция карбоксилирования происходит дважды. Это позволяет растению создавать запасы углерода в клетках.