При фотосинтезе на тилакоидных мембранах происходят светозависимые реакции . Внутренняя часть тилакоидной мембраны называется просветом , а снаружи тилакоидной мембраны - стромой, где происходят светонезависимые реакции. Тилакоидная мембрана содержит некоторые интегральные мембранные белковые комплексы, которые катализируют световые реакции. В тилакоидной мембране есть четыре основных белковых комплекса: фотосистема II (ФСII), комплекс цитохрома b6f , фотосистема I (ФСI) и АТФ-синтаза . Эти четыре комплекса работают вместе, чтобы в конечном итоге создать продукты АТФ и НАДФН.
Четыре фотосистемы поглощают световую энергию через пигменты - в первую очередь хлорофиллы , которые отвечают за зеленый цвет листьев. Светозависимые реакции начинаются в фотосистеме II. Когда хлорофилл молекула в пределах реакционного центра из PSII поглощает фотон , в электрон в этой молекуле достигает возбужденный уровень энергии . Поскольку это состояние электрона очень нестабильно, электрон переносится от одной молекулы к другой, создавая цепь окислительно-восстановительных реакций , называемую цепью переноса электронов (ETC). Электронный поток идет от ФСII к цитохрому b.6 f в PSI. В PSI электрон получает энергию от другого фотона. Конечный акцептор электронов - НАДФ. При кислородном фотосинтезе первым донором электронов является вода , выделяющая кислород в качестве побочного продукта. В аноксигенном фотосинтезе используются различные доноры электронов.
Цитохром b 6 f и АТФ-синтаза работают вместе, чтобы создать АТФ . Этот процесс называется фотофосфорилированием , и он происходит двумя разными способами. При нециклическом фотофосфорилировании цитохром b 6 f использует энергию электронов ФС II для перекачки протонов из стромы в просвет . Градиент протонов через тилакоидную мембрану создает протонодвижущую силу, используемую АТФ-синтазой для образования АТФ. При циклическом фотофосфорилировании цитохром b 6 fиспользует энергию электронов не только из PSII, но и из PSI для создания большего количества АТФ и остановки производства NADPH. Циклическое фосфорилирование важно для создания АТФ и поддержания НАДФН в правильной пропорции для светонезависимых реакций .
Итоговая реакция всех светозависимых реакций кислородного фотосинтеза:
- 2 ч
2O + 2 НАДФ+
+ 3ADP + 3P я → O
2 + 2НАДФН + 3АТФ
Две фотосистемы представляют собой белковые комплексы, которые поглощают фотоны и могут использовать эту энергию для создания фотосинтетической цепи переноса электронов . Фотосистемы I и II очень похожи по структуре и функциям. Они используют специальные белки, называемые светособирающими комплексами , для очень эффективного поглощения фотонов. Если особая молекула пигмента в реакционном центре фотосинтеза поглощает фотон, электрон в этом пигменте переходит в возбужденное состояние и затем передается другой молекуле в реакционном центре. Эта реакция, называемая фотоиндуцированным разделением зарядов., является началом потока электронов и уникален тем, что преобразует световую энергию в химические формы.
Светозависимые реакции [ править ]
В химии многие реакции зависят от поглощения фотонов для обеспечения энергии, необходимой для преодоления энергетического барьера активации, и, следовательно, их можно назвать светозависимыми. Такие реакции варьируются от реакций галогенида серебра, используемых в фотопленке, до образования и разрушения озона в верхних слоях атмосферы . В этой статье обсуждается конкретная подгруппа из них, серия светозависимых реакций, связанных с фотосинтезом в живых организмах.
Центр реакции [ править ]
Реакционный центр находится в тилакоидной мембране. Она передает световую энергию в димер из хлорофилла молекул пигмента вблизи периплазматической (или тилакоиды) стороны мембраны. Этот димер называют особой парой из-за его фундаментальной роли в фотосинтезе. Эта особая пара немного отличается в реакционном центре PSI и PSII. В PSII он поглощает фотоны с длиной волны 680 нм, поэтому его называют P680 . В PSI он поглощает фотоны на длине волны 700 нм и называется P700 . У бактерий особая пара называется P760, P840, P870 или P960. «P» здесь означает пигмент, а число, следующее за ним, - это длина волны поглощенного света.
Если электрон специальной пары в реакционном центре становится возбужденным, он не может передать эту энергию другому пигменту, используя резонансную передачу энергии . В нормальных условиях электрон должен вернуться в основное состояние, но, поскольку реакционный центр расположен так, что поблизости находится подходящий акцептор электронов, возбужденный электрон может перемещаться от исходной молекулы к акцептору. Этот процесс приводит к образованию положительного заряда на специальной паре (из-за потери электрона) и отрицательного заряда на акцепторе и, следовательно, называется фотоиндуцированным разделением зарядов.. Другими словами, электроны в молекулах пигмента могут существовать на определенных уровнях энергии. В нормальных условиях они существуют на самом низком уровне энергии, на котором они могут. Однако, если энергии достаточно, чтобы переместить их на следующий энергетический уровень, они могут поглотить эту энергию и занять этот более высокий энергетический уровень. Поглощаемый ими свет содержит необходимое количество энергии, чтобы подтолкнуть их к следующему уровню. Любой свет, которому не хватает или слишком много энергии, не может быть поглощен и отражается. Однако электрон на более высоком энергетическом уровне не хочет там находиться; электрон нестабилен и должен вернуться на свой нормальный более низкий энергетический уровень. Для этого он должен высвободить энергию, которая с самого начала перевела его в более высокое энергетическое состояние. Это может происходить разными способами.Дополнительная энергия может быть преобразована в движение молекул и потеряна в виде тепла. Часть дополнительной энергии может быть потеряна в виде тепловой энергии, а остальная часть - в виде света. (Это переизлучение световой энергии называется флуоресценцией.) Энергия, но не сама электронная энергия, может передаваться другой молекуле. (Это называется резонансом.) Энергия и электронная энергия могут передаваться другой молекуле. Растительные пигменты обычно используют последние две из этих реакций для преобразования солнечной энергии в свою собственную.Растительные пигменты обычно используют последние две из этих реакций для преобразования солнечной энергии в свою собственную.Растительные пигменты обычно используют последние две из этих реакций для преобразования солнечной энергии в свою собственную.
Это начальное разделение заряда происходит менее чем за 10 пикосекунд (10 -11 секунд). В своих высокоэнергетических состояниях специальный пигмент и акцептор могут подвергаться рекомбинации заряда; то есть электрон на акцепторе может вернуться, чтобы нейтрализовать положительный заряд специальной пары. Его возвращение к специальной паре приведет к потере ценного высокоэнергетического электрона и просто преобразованию поглощенной световой энергии в тепло. В случае PSII этот обратный поток электронов может производить активные формы кислорода, что приводит к фотоингибированию . [1] [2] Три фактора в структуре реакционного центра работают вместе, чтобы почти полностью подавить рекомбинацию зарядов.
- Другой акцептор электронов находится на расстоянии менее 10 Å от первого акцептора, поэтому электрон быстро перемещается дальше от специальной пары.
- Донор электронов находится на расстоянии менее 10 Å от специальной пары, поэтому положительный заряд нейтрализуется переносом другого электрона.
- Передача электрона обратно от акцептора электронов к положительно заряженной специальной паре происходит особенно медленно. Скорость реакции переноса электрона увеличивается до определенного значения с ее термодинамической благоприятностью, а затем снижается. Обратный перенос настолько благоприятен, что имеет место в инвертированной области, где скорость переноса электронов становится медленнее. [1]
Таким образом, перенос электронов эффективно осуществляется от первого акцептора электронов к следующему, создавая цепь переноса электронов, которая заканчивается, если он достигает НАДФН .
В хлоропластах [ править ]
Фотосинтез процесс в хлоропластах начинается , когда электрон из P680 в PSII достигает более высокого энергетического уровня. Эта энергия используется для восстановления цепочки акцепторов электронов , которые впоследствии понизили окислительно-восстановительный потенциал. Эта цепь акцепторов электронов известна как цепь переноса электронов . Когда эта цепочка достигает PS I , электрон снова возбуждается, создавая высокий окислительно-восстановительный потенциал. Электронно-транспортную цепь фотосинтеза часто изображают на диаграмме, называемой z-схемой , потому что окислительно-восстановительный потенциалдиаграмма от P680 до P700 напоминает букву Z. [3]
Конечным продуктом ФСII является пластохинол , переносчик мобильных электронов в мембране. Пластохинол передает электрон от ФСII к протонному насосу, цитохрому b6f . Конечным донором электронов ФСII является вода. Цитохром b 6 f передает электронную цепь к PSI через молекулы пластоцианина . PSI может продолжать перенос электронов двумя разными способами. Он может передавать электроны либо пластохинолу снова, создавая циклический поток электронов, либо ферменту под названием FNR ( ферредоксин-НАДФ (+) редуктаза ), создавая нециклический поток электронов. PSI высвобождает FNR в строму , где снижает NADP.+
в НАДФН .
Активность цепи переноса электронов, особенно от цитохрома b 6 f , приводит к перекачиванию протонов из стромы в просвет. Полученный трансмембранный протонный градиент используется для производства АТФ через АТФ-синтазу .
Общий процесс фотосинтетической цепи переноса электронов в хлоропластах:
2О → ФС II → пластохинон → cyt b 6 f → пластоцианин → ФС I → НАДФН
Фотосистема II [ править ]
ФС II - чрезвычайно сложная, высокоорганизованная трансмембранная структура, которая содержит водоразлагающий комплекс , хлорофиллы и каротиноидные пигменты, реакционный центр (P680), феофитин (пигмент, подобный хлорофиллу) и два хинона. Он использует энергию солнечного света для передачи электронов от воды мобильному электронному переносчику в мембране, называемому пластохиноном :
2O → P680 → P680 * → пластохинон
Пластохинон, в свою очередь, переносит электроны на cyt b 6 f , который подает их в ФС I.
Водоразделительный комплекс [ править ]
Шаг H
2O → P680 осуществляется плохо изученной структурой, встроенной в ФС II, которая называется комплексом расщепления воды или комплексом с выделением кислорода . Он катализирует реакцию, которая расщепляет воду на электроны, протоны и кислород:
2О → 4Н + + 4е - + О
2
Фактические шаги вышеуказанной реакции протекают следующим образом (диаграмма S-состояний Долая): (I) 2 H
2О (монооксид) (II) ОН. ЧАС
2O (гидроксид) (III) H
2О
2(пероксид) (IV) HO
2(супероксид) (V) O
2(ди-кислород). [ необходима цитата ] (механизм Долая)
Электроны передаются специальным молекулам хлорофилла (встроенным в ФС II), которые переводятся в более высокоэнергетическое состояние за счет энергии фотонов .
Центр реакции [ править ]
Здесь происходит возбуждение P680 → P680 * пигмента реакционного центра P680. Эти особые молекулы хлорофилла, встроенные в ФС II, поглощают энергию фотонов с максимальным поглощением при 680 нм. Электроны в этих молекулах переходят в состояние с более высокой энергией. Это один из двух основных процессов фотосинтеза, и он происходит с поразительной эффективностью (более 90%), потому что, помимо прямого возбуждения светом с длиной волны 680 нм, энергия света сначала собирается антенными белками на других длинах волн света. На эти особые молекулы хлорофилла также передается система сбора урожая.
Затем следует этап P680 * → феофитин , а затем - пластохинон , который происходит в реакционном центре ФС II. Электроны высоких энергий передаются пластохинону до того, как он впоследствии улавливает два протона и превращается в пластохинол. Затем пластохинол высвобождается в мембрану в качестве переносчика мобильных электронов.
Это второй основной процесс фотосинтеза. Начальные стадии происходят в течение пикосекунд с эффективностью 100%. Кажущаяся невозможной эффективность объясняется точным расположением молекул внутри реакционного центра. Это твердотельный процесс, а не химическая реакция. Это происходит в по существу кристаллической среде, созданной макромолекулярной структурой ФС II. Обычные правила химии (которые включают случайные столкновения и случайные распределения энергии) неприменимы в твердотельных средах.
Связь водоразделительного комплекса и возбуждения хлорофилла [ править ]
Когда хлорофилл передает электрон феофитину, он получает электрон от P 680 * . В свою очередь, P 680 * может окислять молекулу Z (или Y Z ). После окисления молекула Z может получать электроны из комплекса с выделением кислорода (OEC). [4] Диаграммы S-состояния Долая показывают реакции расщепления воды в комплексе с выделением кислорода.
Резюме [ править ]
PS II - это трансмембранная структура, обнаруженная во всех хлоропластах. Он расщепляет воду на электроны, протоны и молекулярный кислород. Электроны передаются пластохинону, который переносит их к протонному насосу. Молекулярный кислород выбрасывается в атмосферу.
Появление такой невероятно сложной структуры, макромолекулы, которая преобразует энергию солнечного света в потенциально полезную работу с эффективностью, невозможной в обычном опыте, на первый взгляд кажется почти волшебным. Таким образом, представляет значительный интерес, что, по сути, такая же структура обнаружена у пурпурных бактерий .
Цитохром b 6 f [ править ]
PS II и PS Я соединены трансмембранного протонного насоса, цитохрома Ь 6 F комплекса (plastoquinol-пластоцианина редуктазы; EC 1.10.99.1 ). Электроны из ФС II переносятся пластохинолом в cyt b 6 f , где они поэтапно удаляются (преобразование пластохинона) и переносятся на водорастворимый переносчик электронов, называемый пластоцианином . Этот окислительно-восстановительный процесс связан с перекачкой четырех протонов через мембрану. Результирующий протонный градиент (вместе с протонным градиентом, продуцируемым комплексом расщепления воды в ФС II) используется для производства АТФ через АТФ-синтазу.
Структура и функция цитохрома b 6 f (в хлоропластах) очень похожа на цитохром bc 1 ( комплекс III в митохондриях). Обе являются трансмембранными структурами, которые удаляют электроны из подвижного липидорастворимого переносчика электронов (пластохинон в хлоропластах; убихинон в митохондриях) и переносят их на мобильный водорастворимый переносчик электронов (пластоцианин в хлоропластах; цитохром с в митохондриях). Оба являются протонными насосами, которые создают трансмембранный протонный градиент. Фактически, цитохром b 6 и субъединица IV гомологичны митохондриальному цитохрому b [5]и железо-серные белки Риске двух комплексов гомологичны. [6] Однако цитохром f и цитохром c 1 не гомологичны. [7]
Фотосистема I [ править ]
PS I принимает электроны от пластоцианина и передает их либо НАДФН ( нециклический перенос электронов ), либо обратно к цитохрому b 6 f ( циклический перенос электронов ):
пластоцианин → P700 → P700 * → FNR → NADPH ↑ ↓ b 6 f ← филлохинон
ФС I, как и ФС II, представляет собой сложную высокоорганизованную трансмембранную структуру, которая содержит антенные хлорофиллы, реакционный центр (P700), филлохинон и ряд железо-серных белков, которые служат промежуточными окислительно-восстановительными переносчиками.
Система сбора света PS I использует несколько копий одних и тех же трансмембранных белков, используемых PS II. Энергия поглощенного света (в виде делокализованных электронов высокой энергии) направляется в реакционный центр, где она возбуждает специальные молекулы хлорофилла (P700, максимальное поглощение света на 700 нм) на более высокий энергетический уровень. Процесс происходит с удивительно высокой эффективностью.
Электроны удаляются из возбужденных молекул хлорофилла и передаются через ряд промежуточных переносчиков ферредоксину , водорастворимому переносчику электронов. Как и в PS II, это твердотельный процесс, работающий со 100% эффективностью.
Существует два разных пути переноса электронов в ФС I. При нециклическом переносе электронов ферредоксин переносит электрон к ферменту ферредоксину НАДФ.+
редуктаза (FNR), снижающая НАДФ+
в НАДФН. При циклическом переносе электронов электроны от ферредоксина передаются (через пластохинон) протонному насосу, цитохрому b 6 f . Затем они возвращаются (через пластоцианин) в P700.
НАДФН и АТФ используются для синтеза органических молекул из CO.
2. Отношение продукции НАДФН к АТФ можно регулировать, регулируя баланс между циклическим и нециклическим переносом электронов.
Примечательно, что ФС I очень похож на фотосинтетические структуры, обнаруженные у зеленых серных бактерий , так же как ФС II похож на структуры, обнаруженные у пурпурных бактерий .
В бактериях [ править ]
ФС II, ФС I и цитохром b 6 f обнаружены в хлоропластах. Все растения и все фотосинтезирующие водоросли содержат хлоропласты, которые производят НАДФН и АТФ с помощью механизмов, описанных выше. По сути, те же самые трансмембранные структуры встречаются и у цианобактерий .
В отличие от растений и водорослей, цианобактерии - прокариоты. Они не содержат хлоропластов. Скорее они поразительно похожи на сами хлоропласты. Это говорит о том, что организмы, похожие на цианобактерии, были эволюционными предшественниками хлоропластов. Можно представить себе примитивные эукариотические клетки, принимающие цианобактерии в качестве внутриклеточных симбионтов в процессе, известном как эндосимбиоз .
Цианобактерии [ править ]
Цианобактерии содержат как ФС I, так и ФС II. Их светособирающая система отличается от таковой у растений (они используют фикобилины , а не хлорофиллы в качестве антенных пигментов), но их электронно-транспортная цепь
ЧАС
2O → PS II → пластохинон → b 6 f → цитохром c 6 → PS I → ферредоксин → NADPH ↑ ↓ b 6 f ← пластохинон
по сути, такая же, как цепь переноса электронов в хлоропластах. Мобильный водорастворимый переносчик электронов - цитохром с 6 у цианобактерий, пластоцианин у растений.
Цианобактерии также могут синтезировать АТФ путем окислительного фосфорилирования, как и другие бактерии. Цепь переноса электронов
НАДН-дегидрогеназа → пластохинон → b 6 f → cyt c 6 → cyt aa 3 → O
2
где переносчиками мобильных электронов являются пластохинон и цитохром c 6 , а протонными насосами - NADH-дегидрогеназа, cyt b 6 f и цитохром aa 3 (член семейства COX3 ).
Цианобактерии - единственные бактерии, которые производят кислород во время фотосинтеза. Первоначальная атмосфера Земли была бескислородной. Такие организмы, как цианобактерии, создали нашу сегодняшнюю кислородсодержащую атмосферу.
Две другие основные группы фотосинтезирующих бактерий, пурпурные бактерии и зеленые серные бактерии , содержат только одну фотосистему и не производят кислород.
Пурпурные бактерии [ править ]
Пурпурные бактерии содержат единственную фотосистему, которая структурно связана с ФС II в цианобактериях и хлоропластах:
- P870 → P870 * → убихинон → cyt bc 1 → cyt c 2 → P870
Это циклический процесс, в котором электроны удаляются из возбужденной молекулы хлорофилла ( бактериохлорофилл ; P870), проходят через цепь переноса электронов к протонному насосу (комплекс цитохрома bc 1 ; подобен хлоропластному комплексу ), а затем возвращаются в хлорофилл. молекула. Результатом является протонный градиент, который используется для производства АТФ через АТФ-синтазу. Как и в случае цианобактерий и хлоропластов, это твердотельный процесс, который зависит от точной ориентации различных функциональных групп в сложной трансмембранной макромолекулярной структуре.
Для производства НАДФН пурпурные бактерии используют внешний донор электронов (водород, сероводород, сера, сульфит или органические молекулы, такие как сукцинат и лактат), чтобы подавать электроны в обратную цепь переноса электронов.
Зеленые серные бактерии [ править ]
Зеленые серные бактерии содержат фотосистему, аналогичную ФС I в хлоропластах:
P840 → P840 * → ферредоксин → NADH ↑ ↓ cyt c 553 ← bc 1 ← менахинон
Есть два пути переноса электронов. При циклическом переносе электронов электроны удаляются из возбужденной молекулы хлорофилла, проходят через цепь переноса электронов к протонному насосу, а затем возвращаются в хлорофилл. Мобильные переносчики электронов, как правило, представляют собой жирорастворимый хинон и водорастворимый цитохром. Полученный протонный градиент используется для производства АТФ.
При нециклическом переносе электронов электроны удаляются из возбужденной молекулы хлорофилла и используются для восстановления NAD + до NADH. Электроны, удаленные из P840, необходимо заменить. Это достигается за счет удаления электронов из H
2S , которая окисляется до серы (отсюда и название «зеленые серные бактерии»).
Пурпурные бактерии и зеленые серные бактерии занимают относительно второстепенные экологические ниши в современной биосфере. Они представляют интерес из-за их важности для докембрийской экологии и потому, что их методы фотосинтеза были вероятными эволюционными предшественниками тех, что используются в современных растениях.
История [ править ]
Первые идеи об использовании света в фотосинтезе были предложены Колином Фланнери в 1779 году [8], который признал, что необходим солнечный свет, падающий на растения, хотя Джозеф Пристли отметил производство кислорода без связи со светом в 1772 году [9]. ] Корнелис Ван Ниль предположил в 1931 году, что фотосинтез - это случай общего механизма, в котором фотон света используется для фоторазложения донора водорода, а водород используется для восстановления CO.
2. [10]
Затем в 1939 году Робин Хилл показал, что изолированные хлоропласты производят кислород, но не фиксируют CO.
2показывая, что светлые и темные реакции произошли в разных местах. Хотя их называют световой и темной реакциями, обе они происходят только в присутствии света. [11] Позже это привело к открытию фотосистем I и II.
См. Также [ править ]
- Светонезависимая реакция
- Фотосинтетический реакционный центр
- Фотосистема II
- Пункт компенсации
Ссылки [ править ]
- ^ a b Vass I, Cser K (апрель 2009 г.). "Янусовые рекомбинации зарядов в фотоингибировании фотосистемы II" . Тенденции в растениеводстве . 14 (4): 200–5. DOI : 10.1016 / j.tplants.2009.01.009 . PMID 19303349 .
- Перейти ↑ Keren N, Berg A, Levanon H, Ohad I (февраль 1997 г.). «Механизм фотоинактивации фотосистемы II и деградации белка D1 при слабом освещении: роль обратного электронного потока» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 94 (4): 1579–84. Bibcode : 1997PNAS ... 94.1579K . DOI : 10.1073 / pnas.94.4.1579 . PMC 19834 . PMID 11038602 .
- ^ Rajni Govindjee. «Z-схема фотосинтеза» . Проверено 2 марта 2006 года .
- ^ «Фотосинтез». Энциклопедия науки и техники Макгроу Хилла . 2007. с. 472.
- ^ Widger WR, Cramer WA, Herrmann RG, Trebst A (февраль 1984). «Гомология последовательности и структурное сходство между цитохромом b митохондриального комплекса III и хлоропластным b6-f комплексом: положение гемов цитохрома b в мембране» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 81 (3): 674–8. DOI : 10.1073 / pnas.81.3.674 . PMC 344897 . PMID 6322162 .
- ^ Carrell CJ, Zhang H, Cramer WA, Смит JL (декабрь 1997). «Биологическая идентичность и разнообразие в фотосинтезе и дыхании: структура домена со стороны просвета хлоропластного белка Риске» . Структура . 5 (12): 1613–25. DOI : 10.1016 / s0969-2126 (97) 00309-2 . PMID 9438861 .
- Перейти ↑ Martinez SE, Huang D, Szczepaniak A, Cramer WA, Smith JL (февраль 1994). «Кристаллическая структура цитохрома f хлоропласта обнаруживает новую складку цитохрома и неожиданное лигирование гема» . Структура . 2 (2): 95–105. DOI : 10.1016 / s0969-2126 (00) 00012-5 . PMID 8081747 .
- ^ Ingenhousz, J (1779). Эксперименты с овощами . Лондон: Элмсли и Пэйн.
- ^ Пристли, J (1772). «Наблюдения за разными видами воздуха». Философские труды Лондонского королевского общества . 62 : 147–264. DOI : 10,1098 / rstl.1772.0021 .
- ^ ван Ниль, CB (1931). «О морфологии и физиологии пурпурных и зеленых серных бактерий». Arch. Microbiol . 3 : 1–114. DOI : 10.1007 / BF00454965 .
- ^ Хилл, Р. (май 1939 г.). «Кислород, продуцируемый изолированными хлоропластами» . Труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки . 127 (847): 192–210. Bibcode : 1939RSPSB.127..192H . DOI : 10,1098 / rspb.1939.0017 .