Светозависимые реакции — это определенные фотохимические реакции , участвующие в фотосинтезе — основном процессе, посредством которого растения приобретают энергию. Существуют две светозависимые реакции: первая происходит в фотосистеме II (PSII) , а вторая происходит в фотосистеме I (PSI) .
PSII поглощает фотон с образованием так называемого высокоэнергетического электрона, который передается по цепи переноса электронов к цитохрому b 6 f , а затем к PSI. Восстановленный затем PSI поглощает другой фотон, производя более сильно восстанавливающий электрон, который превращает НАДФ + в НАДФН. При оксигенном фотосинтезе первым донором электронов является вода , образующая кислород (O 2 ) в качестве побочного продукта. При аноксигенном фотосинтезе используются различные доноры электронов. Цитохром b 6 f и АТФ-синтаза работают вместе, производя АТФ ( фотофосфорилирование ) двумя разными способами. При нециклическом фотофосфорилировании цитохром b 6 f использует электроны от PSII и энергию от PSI для перекачки протонов из стромы в просвет . Возникающий в результате градиент протонов на тилакоидной мембране создает протондвижущую силу, используемую АТФ-синтазой для образования АТФ. При циклическом фотофосфорилировании цитохром b 6 f использует электроны и энергию 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 кислородного фотосинтеза:
PSI и PSII — светособирающие комплексы . Если особая молекула пигмента в реакционном центре фотосинтеза 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, обеспечивающих энергию, необходимую для преодоления энергетического барьера активации , и, следовательно, их можно назвать светозависимыми. Такие реакции варьируются от реакций галогенида серебра , используемых в фотопленке, до создания и разрушения озона в верхних слоях атмосферы . В этой статье обсуждается конкретная их часть — серия светозависимых реакций, связанных с фотосинтезом в живых организмах.
Реакционный центр находится в мембране тилакоида. Он передает поглощенную световую энергию димеру молекул пигмента хлорофилла вблизи периплазматической (или тилакоидной) стороны мембраны. Этот димер называется специальной парой из-за его фундаментальной роли в фотосинтезе. Эта специальная пара немного отличается в реакционных центрах PSI и PSII. В PSII он поглощает фотоны с длиной волны 680 нм, поэтому называется P680 . В PSI 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, — это длина волны поглощаемого света.
Электроны в молекулах пигментов могут существовать на определенных энергетических уровнях. В нормальных условиях они находятся на самом низком энергетическом уровне, в основном состоянии. Однако поглощение света фотонов правильной энергии 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 по-разному. Дополнительная энергия может быть преобразована в молекулярное движение и потеряна в виде тепла или повторно излучена электроном в виде света ( флуоресценция ). Энергия, но не сам электрон, может быть передана другой молекуле; это называется резонансной передачей энергии . Если электрон специальной пары в реакционном центре возбуждается, он не может передать эту энергию другому пигменту с помощью резонансной передачи энергии. При нормальных обстоятельствах электрон вернулся бы в основное состояние, но поскольку реакционный центр устроен так, что подходящий акцептор электрона находится поблизости, возбужденный электрон захватывается акцептором. Потеря электрона придает специальной паре положительный заряд и, как процесс ионизации , еще больше увеличивает ее энергию. [ нужна цитата ] Образование положительного заряда на специальной паре и отрицательного заряда на акцепторе называется фотоиндуцированным разделением заряда . Электрон может быть передан другой молекуле. Когда ионизированный пигмент возвращается в основное состояние, он захватывает электрон и отдает энергию кислородно-выделяющему комплексу, чтобы он мог расщеплять воду на электроны, протоны и молекулярный кислород (после четырехкратного получения энергии от пигмента). Растительные пигменты обычно используют две последние из этих реакций для преобразования солнечной энергии в свою собственную.
Это первоначальное разделение зарядов происходит менее чем за 10 пикосекунд (10–11 секунд ). В своих высокоэнергетических состояниях специальный пигмент и акцептор могут подвергаться рекомбинации зарядов; то есть электрон на акцепторе может вернуться назад, чтобы нейтрализовать положительный заряд специальной пары. Его возвращение к специальной паре привело бы к потере ценного высокоэнергетического электрона и просто превратило бы поглощенную световую энергию 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 практически полностью подавить рекомбинацию заряда:
Таким образом, перенос электронов эффективно происходит от первого акцептора электронов к следующему, создавая цепь переноса электронов, которая заканчивается, когда он достигает НАДФН .
Процесс фотосинтеза в хлоропластах начинается, когда электрон Р680 ФСII достигает более высокого энергетического уровня . Эта энергия используется для восстановления цепочки акцепторов электронов , которые впоследствии имеют более высокий окислительно-восстановительный потенциал. Эта цепь акцепторов электронов известна как цепь переноса электронов . Когда эта цепочка достигает PSI , электрон снова возбуждается, создавая высокий окислительно-восстановительный потенциал. Цепь переноса электронов при фотосинтезе часто изображают на диаграмме, называемой Z-схемой , поскольку окислительно-восстановительная диаграмма от P680 до P700 напоминает букву Z. [3]
Конечным продуктом PSII является пластохинол , подвижный переносчик электронов в мембране. Пластохинол переносит электрон от ФСII к протонному насосу, цитохрому b6f . Конечным донором электронов PSII является вода. Цитохром b 6 f переносит электронную цепь на PSI через молекулы пластоцианина . PSI может продолжить перенос электрона двумя разными способами. Он может переносить электроны либо снова на пластохинол, создавая циклический поток электронов, либо на фермент под названием FNR ( ферредоксин-НАДФ(+) редуктаза ), создавая нециклический поток электронов. PSI высвобождает FNR в строму , где снижает НАДФ.+
к НАДФН .
Активность цепи переноса электронов, особенно цитохрома b 6 f , приводит к перекачке протонов из стромы в просвет. Полученный трансмембранный протонный градиент используется для производства АТФ посредством АТФ-синтазы .
Общий процесс фотосинтетической цепи переноса электронов в хлоропластах:
PSII представляет собой чрезвычайно сложную, высокоорганизованную трансмембранную структуру, содержащую водорасщепляющий комплекс , хлорофиллы и каротиноидные пигменты, реакционный центр (Р680), феофитин (пигмент, аналогичный хлорофиллу) и два хинона. Он использует энергию солнечного света для переноса электронов из воды на подвижный переносчик электронов в мембране, называемый пластохиноном :
Пластохинол, в свою очередь, передает электроны cyt b 6 f , который подает их в PSI.
Шаг Н
2O → P680 осуществляется с помощью недостаточно изученной структуры, встроенной в PSII, называемой водорасщепляющим комплексом или комплексом, выделяющим кислород ( OEC ). Он катализирует реакцию, которая расщепляет воду на электроны, протоны и кислород.
используя энергию от P680 + . Реальные стадии указанной реакции, возможно, протекают следующим образом (диаграмма S-состояний Кока): (I) 2 H
2О (моноксид) (II) ОН. ЧАС
2О (гидроксид) (III) H
2О
2(перекись) (IV) HO
2(супероксид)(V) O
2(дикислород). [ нужна ссылка ] (механизм Долаи)
Электроны передаются специальным молекулам хлорофилла (встроенным в PSII), которые переводятся в состояние с более высокой энергией за счет энергии фотонов .
Здесь происходит возбуждение Р680 → Р680 * пигмента реакционного центра Р680. Эти специальные молекулы хлорофилла, встроенные в PSII, 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, помимо прямого возбуждения светом с длиной волны 680 нм, энергия света сначала улавливается антенными белками на других длинах волн светового луча. Система сбора урожая также передается этим специальным молекулам хлорофилла.
Далее следует перенос электрона P680 * → феофитин , а затем на пластохинол , который происходит внутри реакционного центра ФСII. Электроны передаются пластохинону и двум протонам, образуя пластохинол, который высвобождается в мембрану в качестве мобильного переносчика электронов. Это второй основной процесс фотосинтеза. Начальные этапы происходят в течение пикосекунд , с эффективностью 100%. Кажущаяся невозможной эффективность обусловлена точным расположением молекул внутри реакционного центра. Это твердотельный процесс, а не типичная химическая реакция. Это происходит в по существу кристаллической среде, созданной макромолекулярной структурой PSII. Обычные правила химии (которые включают случайные столкновения и случайное распределение энергии) не применимы к твердотельной среде.
Когда возбужденный хлорофилл P 680 * передает электрон феофитину, он превращается в высокоэнергетический P 680 + , который может окислить молекулу тирозина Z (или Y Z ), оторвав 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-состояний Кока показывает реакции расщепления воды в кислородвыделяющем комплексе.
PSII представляет собой трансмембранную структуру, обнаруженную во всех хлоропластах. Он расщепляет воду на электроны, протоны и молекулярный кислород. Электроны передаются пластохинолу, который переносит их к протонному насосу. Кислород выбрасывается в атмосферу.
Появление такой невероятно сложной структуры, макромолекулы, которая преобразует энергию солнечного света в химическую энергию и, таким образом, потенциально полезно работает с эффективностью, невозможной в обычном опыте, на первый взгляд кажется почти волшебным. Таким образом, представляет значительный интерес тот факт, что, по существу, такая же структура обнаружена у пурпурных бактерий .
PSII и PSI связаны трансмембранным протонным насосом, комплексом цитохрома b 6 f (пластохинол-пластоцианинредуктаза; КФ 1.10.99.1). Электроны от PSII переносятся пластохинолом на cyt b 6 f , где они ступенчато удаляются (реформируя пластохинон) и переносятся на водорастворимый переносчик электронов, называемый пластоцианином . Этот окислительно-восстановительный процесс связан с перекачкой четырех протонов через мембрану. Полученный протонный градиент (вместе с протонным градиентом, создаваемым водорасщепляющим комплексом в PSI) используется для производства АТФ посредством АТФ-синтазы.
По строению и функциям цитохром b6f (в хлоропластах) очень похож на цитохром bc1 ( Комплекс III в митохондриях). Обе представляют собой трансмембранные структуры, которые отрывают электроны от подвижного жирорастворимого переносчика электронов (пластохинон в хлоропластах; убихинон в митохондриях) и переносят их на подвижный водорастворимый переносчик электронов (пластоцианин в хлоропластах; цитохром С в митохондриях). Оба являются протонными насосами, которые создают трансмембранный протонный градиент. Фактически, цитохром b6 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 передает их либо НАДФН ( нециклический транспорт электронов ), либо обратно к цитохрому b 6 f ( циклический транспорт электронов ):
пластоцианин → P700 → P700 * → FNR → НАДФН ↑ ↓ б 6 е ← филлохинон
PSI, как и PSII, представляет собой сложную высокоорганизованную трансмембранную структуру, содержащую антенные хлорофиллы, реакционный центр (Р700), филлохинон и ряд железо-серных белков , служащих промежуточными окислительно-восстановительными переносчиками.
Система светособирания PSI использует несколько копий тех же трансмембранных белков, что и PSII. Энергия поглощенного света (в виде делокализованных высокоэнергетических электронов) направляется в реакционный центр, где возбуждает специальные молекулы хлорофилла (P700, с максимальным поглощением света при 700 нм) на более высокий энергетический уровень. Процесс происходит с поразительно высокой эффективностью.
Электроны отрываются от возбужденных молекул хлорофилла и передаются через ряд промежуточных переносчиков к ферредоксину , водорастворимому переносчику электронов. Как и в PSII, это твердотельный процесс, работающий со 100% эффективностью.
Существует два разных пути транспорта электронов в PSI. При нециклическом транспорте электронов ферредоксин переносит электрон к ферменту ферредоксину НАДФ.+
редуктаза (FNR), снижающая НАДФ+
к НАДФН. При циклическом транспорте электронов электроны от ферредоксина передаются (через пластохинол) к протонному насосу, цитохрому b 6 f . Затем их возвращают (через пластоцианин) в P700. НАДФН и АТФ используются для синтеза органических молекул из CO.
2. Соотношение производства НАДФН и АТФ можно регулировать путем регулирования баланса между циклическим и нециклическим транспортом электронов.
Примечательно, что PSI очень напоминает фотосинтетические структуры, обнаруженные у зеленых серобактерий , так же, как PSII напоминает 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 по описанным выше механизмам. По сути, такие же трансмембранные структуры встречаются и у цианобактерий .
В отличие от растений и водорослей, цианобактерии являются прокариотами. Они не содержат хлоропластов; скорее, они имеют поразительное сходство с самими хлоропластами. Это говорит о том, что организмы, напоминающие цианобактерии, были эволюционными предшественниками хлоропластов. Можно представить, что примитивные эукариотические клетки поглощают цианобактерии в качестве внутриклеточных симбионтов в процессе, известном как эндосимбиоз .
Цианобактерии содержат как PSI, так и PSII. Их светособирающая система отличается от той, что обнаружена у растений (в качестве антенных пигментов они используют фикобилины , а не хлорофиллы), но их цепь переноса электронов
ЧАС
2O → PSII → пластохинол → b 6 f → цитохром с 6 → PSI → ферредоксин → НАДФН ↑ ↓ б 6 е ← пластохинолПо сути, это то же самое, что и цепь переноса электронов в хлоропластах. Подвижным водорастворимым переносчиком электронов у цианобактерий является цитохром С 6 , у растений он заменен пластоцианином. [8]
Цианобактерии также могут синтезировать АТФ путем окислительного фосфорилирования, как и другие бактерии. Цепь переноса электронов представляет собой
НАДН-дегидрогеназа → пластохинол → b 6 f → cyt c 6 → cyt aa 3 → O
2
где переносчиками мобильных электронов являются пластохинол и цитохром с 6 , а протонными насосами - НАДН-дегидрогеназа, цит b 6 f и цитохром аа 3 (член семейства ЦОГ3 ).
Цианобактерии — единственные бактерии, которые производят кислород в процессе фотосинтеза. Первичная атмосфера Земли была бескислородной. Организмы, подобные цианобактериям, создали нашу современную кислородсодержащую атмосферу.
Две другие основные группы фотосинтезирующих бактерий — пурпурные бактерии и зеленые серобактерии — содержат только одну фотосистему и не производят кислород.
Пурпурные бактерии содержат единственную фотосистему, структурно родственную ФСII у цианобактерий и хлоропластов:
Это циклический процесс, при котором электроны отрываются от возбужденной молекулы хлорофилла ( бактериохлорофилла ; Р870), передаются по цепи переноса электронов к протонному насосу (комплексу цитохрома bc 1 ; аналогичен хлоропластическому), а затем возвращаются в хлорофилл. молекула. В результате образуется протонный градиент, который используется для производства АТФ посредством АТФ-синтазы. Как и в цианобактериях и хлоропластах, это твердотельный процесс, который зависит от точной ориентации различных функциональных групп внутри сложной трансмембранной макромолекулярной структуры.
Чтобы создать НАДФН, пурпурные бактерии используют внешний донор электронов (водород, сероводород, сера, сульфит или органические молекулы, такие как сукцинат и лактат) для подачи электронов в цепь обратного переноса электронов.
Зеленые серобактерии содержат фотосистему, аналогичную PSI в хлоропластах:
P840 → P840 * → ферредоксин → НАДН ↑ ↓ cyt 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 в хлорофилл. Переносчиками мобильных электронов, как обычно, являются жирорастворимый хинон и водорастворимый цитохром. Полученный протонный градиент используется для производства АТФ.
При нециклическом переносе электронов электроны отрываются от возбужденной молекулы хлорофилла и используются для восстановления НАД + до НАДН. Электроны, удаленные из P840, необходимо заменить. Это достигается за счет удаления электронов из H
2S , которая окисляется до серы (отсюда и название «зеленые серобактерии »).
Пурпурные бактерии и зеленые серобактерии занимают относительно небольшие экологические ниши в современной биосфере. Они представляют интерес из-за их важности в докембрийской экологии, а также потому, что их методы фотосинтеза были вероятными эволюционными предшественниками методов фотосинтеза современных растений.
Первые идеи об использовании света в фотосинтезе были предложены Колином Фланнери в 1779 году [9] , который признал, что необходимо именно попадание солнечного света на растения, хотя Джозеф Пристли отметил производство кислорода без связи со светом в 1772 году. [10] ] Корнелис Ван Ниль в 1931 году предположил, что фотосинтез представляет собой случай общего механизма, при 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 производят кислород, но не фиксируют CO.
2, показывая, что световые и темные реакции происходят в разных местах. Хотя их называют световой и темновой реакцией, обе они происходят только в присутствии света. [12] Позднее это привело к открытию фотосистем I и II.