Светозависимые реакции — это определенные фотохимические реакции, участвующие в фотосинтезе , основном процессе, посредством которого растения получают энергию. Существует две светозависимые реакции: первая происходит в фотосистеме II (PSII) , а вторая — в фотосистеме I (PSI) .
PSII поглощает фотон, чтобы произвести так называемый высокоэнергетический электрон, который передается через электрон-транспортную цепь к цитохрому b 6 f, а затем к PSI. Затем восстановленный PSI поглощает другой фотон, производя более высоковосстанавливающий электрон, который преобразует NADP + в NADPH. В оксигенном фотосинтезе первым донором электронов является вода , создавая кислород (O 2 ) в качестве побочного продукта. В аноксигенном фотосинтезе используются различные доноры электронов. Цитохром b 6 f и АТФ-синтаза работают вместе, чтобы производить АТФ ( фотофосфорилирование ) двумя различными способами. При нециклическом фотофосфорилировании цитохром b 6 f использует электроны от PSII и энергию от PSI [ требуется ссылка ] для перекачки протонов из стромы в просвет . Результирующий протонный градиент через тилакоидную мембрану создает протондвижущую силу, используемую АТФ-синтазой для образования АТФ. При циклическом фотофосфорилировании цитохром b 6 f использует электроны и энергию из PSI для создания большего количества АТФ и прекращения производства НАДФН. Циклическое фосфорилирование важно для создания АТФ и поддержания НАДФН в правильной пропорции для светонезависимых реакций .
Суммарная реакция всех светозависимых реакций в оксигенном фотосинтезе:
PSI и PSII — это комплексы, собирающие свет . Если специальная молекула пигмента в фотосинтетическом реакционном центре поглощает фотон, электрон в этом пигменте достигает возбужденного состояния и затем передается другой молекуле в реакционном центре. Эта реакция, называемая фотоиндуцированным разделением зарядов , является началом потока электронов и преобразует световую энергию в химические формы.
В химии многие реакции зависят от поглощения фотонов для обеспечения энергии, необходимой для преодоления барьера энергии активации , и поэтому могут быть обозначены как светозависимые. Такие реакции варьируются от реакций галогенида серебра , используемых в фотопленке, до создания и разрушения озона в верхних слоях атмосферы . В этой статье обсуждается конкретная подгруппа из них, серия светозависимых реакций, связанных с фотосинтезом в живых организмах.
Реакционный центр находится в тилакоидной мембране. Он переносит поглощенную световую энергию в димер молекул пигмента хлорофилла вблизи периплазматической (или люменовой) стороны мембраны. Этот димер называется особой парой из-за его фундаментальной роли в фотосинтезе. Эта особая пара немного отличается в реакционных центрах ФСI и ФСII. В ФСII он поглощает фотоны с длиной волны 680 нм и поэтому называется P680 . В ФСI он поглощает фотоны с длиной 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, — длину волны поглощенного света.
Электроны в молекулах пигмента могут существовать на определенных энергетических уровнях. При нормальных обстоятельствах они находятся на самом низком возможном энергетическом уровне, в основном состоянии. Однако поглощение света с нужной энергией фотона может поднять их на более высокий энергетический уровень. Любой свет, который имеет слишком мало или слишком много энергии, не может быть поглощен и отражается. Электрон на более высоком энергетическом уровне нестабилен и быстро вернется на свой нормальный более низкий энергетический уровень. Для этого он должен высвободить поглощенную энергию. Это может произойти разными способами. Избыточная энергия может быть преобразована в молекулярное движение и потеряна в виде тепла или повторно испущена электроном в виде света ( флуоресценция ). Энергия, но не сам электрон, может быть передана другой молекуле; это называется резонансным переносом энергии . Если электрон особой пары в реакционном центре возбуждается, он не может передать эту энергию другому пигменту с помощью резонансного переноса энергии. При нормальных обстоятельствах электрон вернулся бы в основное состояние, но поскольку реакционный центр расположен таким образом, что поблизости находится подходящий акцептор электронов, возбужденный электрон захватывается акцептором. Потеря электрона придает специальной паре положительный заряд и, как процесс ионизации , еще больше увеличивает ее энергию. [ необходима цитата ] Образование положительного заряда на специальной паре и отрицательного заряда на акцепторе называется фотоиндуцированным разделением зарядов . Электрон может быть передан другой молекуле. Когда ионизированный пигмент возвращается в основное состояние, он принимает электрон и отдает энергию комплексу, выделяющему кислород, чтобы он мог расщепить воду на электроны, протоны и молекулярный кислород (после получения энергии от пигмента четыре раза). Растительные пигменты обычно используют последние две из этих реакций для преобразования энергии солнца в свою собственную.
Это начальное разделение зарядов происходит менее чем за 10 пикосекунд (10 -11 секунд). В своих высокоэнергетических состояниях специальный пигмент и акцептор могут претерпевать рекомбинацию зарядов; то есть электрон на акцепторе может вернуться назад, чтобы нейтрализовать положительный заряд на специальной паре. Его возвращение в специальную пару приведет к потере ценного высокоэнергетического электрона и простому преобразованию поглощенной световой энергии в тепло. В случае ФСII этот обратный поток электронов может производить активные формы кислорода, приводящие к фотоингибированию . [1] [2] Три фактора в структуре реакционного центра работают вместе, чтобы почти полностью подавить рекомбинацию зарядов:
Таким образом, перенос электронов эффективно происходит от первого акцептора электронов к следующему, создавая цепь переноса электронов, которая заканчивается, когда она достигает НАДФН .
Процесс фотосинтеза в хлоропластах начинается, когда электрон P680 PSII достигает более высокого энергетического уровня. Эта энергия используется для восстановления цепи акцепторов электронов , которые впоследствии имеют более высокие окислительно-восстановительные потенциалы. Эта цепь акцепторов электронов известна как цепь переноса электронов . Когда эта цепь достигает PSI , электрон снова возбуждается, создавая высокий окислительно-восстановительный потенциал. Цепь переноса электронов фотосинтеза часто изображают на схеме, называемой Z-схемой , поскольку окислительно-восстановительная схема от P680 до P700 напоминает букву Z. [3]
Конечным продуктом PSII является пластохинол , мобильный переносчик электронов в мембране. Пластохинол переносит электрон от PSII к протонному насосу, цитохрому b6f . Конечным донором электронов PSII является вода. Цитохром b 6 f переносит электронную цепь к PSI через молекулы пластоцианина . PSI может продолжить перенос электронов двумя разными способами. Он может переносить электроны либо снова к пластохинолу, создавая циклический поток электронов, либо к ферменту, называемому FNR ( ферредоксин—НАДФ(+) редуктаза ), создавая нециклический поток электронов. PSI высвобождает FNR в строму , где он восстанавливает НАДФ+
к НАДФН .
Активность цепи переноса электронов, особенно цитохрома b 6 f , приводит к перекачке протонов из стромы в просвет. Образующийся трансмембранный протонный градиент используется для синтеза АТФ через АТФ-синтазу .
Общий процесс фотосинтетической цепи переноса электронов в хлоропластах выглядит следующим образом:
PSII — чрезвычайно сложная, высокоорганизованная трансмембранная структура, которая содержит комплекс расщепления воды , хлорофиллы и каротиноидные пигменты, реакционный центр (P680), феофитин (пигмент, похожий на хлорофилл) и два хинона. Она использует энергию солнечного света для переноса электронов из воды в подвижный переносчик электронов в мембране, называемый пластохиноном :
Пластохинол, в свою очередь, переносит электроны на цитохром b 6 f , который подает их в PSI.
Шаг H
2O → P680 осуществляется не до конца изученной структурой, встроенной в PSII, называемой комплексом расщепления воды или комплексом выделения кислорода ( OEC ). Он катализирует реакцию, которая расщепляет воду на электроны, протоны и кислород,
с использованием энергии от P680 + . Фактические этапы вышеуказанной реакции, возможно, происходят следующим образом (диаграмма S-состояний Кока): (I) 2 H
2O (монооксид) (II) OH. H
2O (гидроксид) (III) H
2О
2(перекись) (IV) HO
2(супероксид)(V) O
2(дикислород). [ нужна ссылка ] (механизм Долаи)
Электроны переносятся в специальные молекулы хлорофилла (встроенные в ФСII), которые переводятся в более высокое энергетическое состояние под действием энергии фотонов .
Здесь происходит возбуждение P680 → P680 * пигмента реакционного центра P680. Эти особые молекулы хлорофилла, встроенные в ФСII, поглощают энергию фотонов с максимальным поглощением при 680 нм. Электроны внутри этих молекул переходят в состояние с более высокой энергией. Это один из двух основных процессов фотосинтеза, и он происходит с поразительной эффективностью (более 90%), поскольку, в дополнение к прямому возбуждению светом при 680 нм, энергия света, впервые собранная белками антенны на других длинах волн в системе сбора света, также передается этим особым молекулам хлорофилла.
Затем следует перенос электронов P680 * → феофитин , а затем на пластохинол , который происходит в реакционном центре ФСII. Электроны переносятся на пластохинон и два протона, образуя пластохинол, который высвобождается в мембрану в качестве мобильного переносчика электронов. Это второй основной процесс фотосинтеза. Начальные стадии происходят в течение пикосекунд с эффективностью 100%. Кажущаяся невозможной эффективность обусловлена точным позиционированием молекул в реакционном центре. Это твердотельный процесс, а не типичная химическая реакция. Он происходит в по существу кристаллической среде, созданной макромолекулярной структурой ФСII. Обычные правила химии (которые включают случайные столкновения и случайное распределение энергии) не применяются в твердотельных средах.
Когда возбужденный хлорофилл P 680 * передает электрон феофитину, он преобразуется в высокоэнергетический P 680 + , который может окислять молекулу тирозина Z (или Y Z ), отрывая один из ее атомов водорода. Высокоэнергетический окисленный тирозин отдает свою энергию и возвращается в основное состояние, принимая протон и удаляя электрон из комплекса, выделяющего кислород, и в конечном итоге из воды. [4] Диаграмма S-состояния Кока показывает реакции расщепления воды в комплексе, выделяющем кислород.
PSII — это трансмембранная структура, обнаруженная во всех хлоропластах. Она расщепляет воду на электроны, протоны и молекулярный кислород. Электроны переносятся на пластохинол, который переносит их в протонный насос. Кислород высвобождается в атмосферу.
Появление такой невероятно сложной структуры, макромолекулы, преобразующей энергию солнечного света в химическую энергию и, таким образом, потенциально полезную работу с эффективностью, которая невозможна в обычном опыте, на первый взгляд кажется почти магическим. Таким образом, весьма интересно, что, по сути, та же самая структура обнаружена у пурпурных бактерий .
PSII и PSI соединены трансмембранным протонным насосом, комплексом цитохрома b 6 f (пластохинол—пластоцианинредуктаза; EC 1.10.99.1). Электроны из PSII переносятся пластохинолом в cyt b 6 f , где они удаляются поэтапно (повторное образование пластохинона) и переносятся на водорастворимый переносчик электронов, называемый пластоцианином . Этот окислительно-восстановительный процесс сопряжен с перекачкой четырех протонов через мембрану. Полученный протонный градиент (вместе с протонным градиентом, создаваемым водорасщепляющим комплексом в PSI) используется для производства АТФ через АТФ-синтазу.
Структура и функция цитохрома b 6 f (в хлоропластах) очень похожи на цитохром bc 1 ( комплекс III в митохондриях). Оба являются трансмембранными структурами, которые удаляют электроны из подвижного, растворимого в липидах переносчика электронов (пластохинон в хлоропластах; убихинон в митохондриях) и переносят их на подвижный, растворимый в воде переносчик электронов (пластоцианин в хлоропластах; цитохром c в митохондриях). Оба являются протонными насосами, которые создают трансмембранный протонный градиент. Фактически, цитохром b 6 и субъединица IV гомологичны митохондриальному цитохрому b [5] , а железо-серные белки Риске двух комплексов гомологичны. [6] Однако цитохром f и цитохром c 1 не гомологичны. [7]
PSI принимает электроны от пластоцианина и переносит их либо на НАДФН ( нециклический транспорт электронов ), либо обратно на цитохром b 6 f ( циклический транспорт электронов ):
пластоцианин → P700 → P700 * → FNR → НАДФН ↑ ↓ б 6 ф ← филлохинон
ФСI, как и ФСII, представляет собой сложную, высокоорганизованную трансмембранную структуру, содержащую антенные хлорофиллы, реакционный центр (P700), филлохинон и ряд железо-серных белков , которые служат промежуточными окислительно-восстановительными переносчиками.
Система сбора света PSI использует множественные копии тех же трансмембранных белков, которые использует PSII. Энергия поглощенного света (в форме делокализованных, высокоэнергетических электронов) направляется в реакционный центр, где она возбуждает особые молекулы хлорофилла (P700, с максимальным поглощением света при 700 нм) до более высокого энергетического уровня. Процесс происходит с поразительно высокой эффективностью.
Электроны удаляются из возбужденных молекул хлорофилла и переносятся через ряд промежуточных переносчиков в ферредоксин , водорастворимый переносчик электронов. Как и в ФСII, это твердотельный процесс, который работает со 100% эффективностью.
В PSI есть два различных пути электронного транспорта. При нециклическом электронном транспорте ферредоксин переносит электрон к ферменту ферредоксин НАДФ+
редуктаза (FNR), которая восстанавливает НАДФ+
в НАДФН. В циклическом электронном транспорте электроны от ферредоксина переносятся (через пластохинол) к протонному насосу, цитохрому b 6 f . Затем они возвращаются (через пластоцианин) к P700. НАДФН и АТФ используются для синтеза органических молекул из CO
2. Соотношение продукции НАДФН и АТФ можно регулировать, регулируя баланс между циклическим и нециклическим переносом электронов.
Примечательно, что ФСI очень похож на фотосинтетические структуры, обнаруженные у зеленых серных бактерий , так же как ФСII похож на структуры, обнаруженные у пурпурных бактерий.
PSII, PSI 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 обнаружены и у цианобактерий .
В отличие от растений и водорослей, цианобактерии являются прокариотами. Они не содержат хлоропластов; скорее, они сами поразительно похожи на хлоропласты. Это говорит о том, что организмы, напоминающие цианобактерии, были эволюционными предшественниками хлоропластов. Можно представить себе примитивные эукариотические клетки, принимающие цианобактерии в качестве внутриклеточных симбионтов в процессе, известном как эндосимбиоз .
Цианобактерии содержат как PSI, так и PSII. Их система сбора света отличается от той, что есть у растений (они используют фикобилины , а не хлорофиллы, в качестве пигментов антенны), но их цепь переноса электронов
ЧАС
2O → PSII → пластохинол → b 6 f → цитохром c 6 → PSI → ферредоксин → НАДФН ↑ ↓ б 6 ж ← пластохинолпо сути, то же самое, что и цепь переноса электронов в хлоропластах. Мобильный водорастворимый переносчик электронов — цитохром c 6 у цианобактерий, который у растений был заменен пластоцианином. [8]
Цианобактерии также могут синтезировать АТФ путем окислительного фосфорилирования, как и другие бактерии. Электронно-транспортная цепь
НАДН-дегидрогеназа → пластохинол → b 6 f → цит c 6 → цит aa 3 → O
2
где подвижными переносчиками электронов являются пластохинол и цитохром c 6 , а протонными насосами — НАДН-дегидрогеназа, цит b 6 f и цитохром aa 3 (член семейства COX3 ).
Цианобактерии — единственные бактерии, которые вырабатывают кислород во время фотосинтеза. Первичная атмосфера Земли была бескислородной. Организмы, подобные цианобактериям, создали нашу современную атмосферу, содержащую кислород.
Две другие основные группы фотосинтезирующих бактерий — пурпурные бактерии и зеленые серные бактерии — содержат только одну фотосистему и не вырабатывают кислород.
Пурпурные бактерии содержат единственную фотосистему, которая структурно связана с ФСII в цианобактериях и хлоропластах:
Это циклический процесс, в котором электроны удаляются из возбужденной молекулы хлорофилла ( бактериохлорофилл ; P870), проходят через цепь переноса электронов в протонный насос (цитохромный bc 1 комплекс; аналогичный хлоропластному), а затем возвращаются в молекулу хлорофилла. Результатом является протонный градиент, который используется для производства АТФ через АТФ-синтазу. Как и в цианобактериях и хлоропластах, 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 , серу, сульфит или органические молекулы, такие как сукцинат и лактат) для подачи электронов в обратную цепь переноса электронов.
Зелёные серные бактерии содержат фотосистему, аналогичную ФСI в хлоропластах:
P840 → P840 * → ферредоксин → НАДН ↑ ↓ цит c 553 ← bc 1 ← менахинол
Существует 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 к хлорофиллу. Подвижными переносчиками электронов, как обычно, являются липидорастворимый хинон и водорастворимый цитохром. Образующийся 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, должны быть заменены. Это достигается путем удаления электронов из H
2S , который окисляется до серы (отсюда и название «зеленые серные бактерии»).
Пурпурные бактерии и зеленые серные бактерии занимают относительно небольшие экологические ниши в современной биосфере. Они представляют интерес из-за своей важности в докембрийской экологии, а также потому, что их методы фотосинтеза были вероятными эволюционными предшественниками методов современных растений.
Первые идеи об использовании света в фотосинтезе были высказаны Яном Ингенхаузом в 1779 году [9], который признал, что необходим солнечный свет, падающий на растения, хотя Джозеф Пристли заметил производство кислорода без связи со светом в 1772 году [10]. Корнелис Ван Нил в 1931 году предположил, что фотосинтез является случаем общего механизма, в котором фотон света используется для фоторазложения донора водорода, а водород используется для восстановления CO
2[11] Затем
в 1939 году Робин Хилл продемонстрировал, что изолированные хлоропласты могут производить кислород, но не могут фиксировать CO
2, показывая, что световые и темновые реакции происходят в разных местах. Хотя их называют световыми и темновыми реакциями, обе они происходят только в присутствии света. [12] Это привело позднее к открытию фотосистем I и II.