Светозависимые реакции - Light-dependent reactions

Светозависимые реакции фотосинтеза на тилакоидной мембране

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 передается 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 к ФСI. 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 f использует энергию электронов не только из ФСII, но и из ФСI, чтобы создать больше АТФ и остановить производство НАДФН. Циклическое фосфорилирование важно для создания АТФ и поддержания НАДФН в правильной пропорции для светонезависимых реакций .

Итоговая реакция всех светозависимых реакций кислородного фотосинтеза:

2 ч
2
O
+ 2 НАДФ+
+ 3ADP + 3P яO
2
+ 2 Н + + 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 электронного потока и уникальна тем, что преобразует световую энергию в химические формы.

Светозависимые реакции

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

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.

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 преобразует поглощенную световую энергию в тепло. В случае PSII этот обратный поток электронов может производить активные формы кислорода, что приводит к фотоингибированию . 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 перевернутой области, где скорость передачи электронов становится медленнее.

Таким образом, перенос электронов эффективно осуществляется от первого акцептора электронов к следующему, создавая цепь переноса электронов, которая заканчивается, если он достигает НАДФН .

В хлоропластах

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. Цепь переноса электронов фотосинтеза часто изображается на диаграмме, называемой z-схемой , потому что окислительно-восстановительная диаграмма от P680 до P700 напоминает букву Z.

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:

ЧАС
2
О
→ ФС II → пластохинон → cyt b 6 f → пластоцианин → ФС I → НАДФН

Фотосистема II

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 :

ЧАС
2
O
P680 P680 * пластохинон

Пластохинон, в свою очередь, переносит электроны на cyt b 6 f , который передает их в ФС I.

Водоразделительный комплекс

Шаг H
2
O
→ 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:

2 ч
2
О
+ +- + О
2

Фактические шаги вышеуказанной реакции протекают следующим образом (диаграмма S-состояний Долая): (I) 2 H
2
О
(монооксид) (II) ОН. ЧАС
2
O
(гидроксид) (III) H
2
О
2
(перекись) (IV) HO
2
(супероксид) (V) O
2
(дикислород). (Механизм Долая)

Электроны передаются специальным молекулам хлорофилла (встроенным в ФС II), которые переводятся в более высокоэнергетическое состояние за счет энергии фотонов .

Центр реакции

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

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). Диаграммы S-состояний Долая показывают реакции расщепления воды в комплексе с выделением кислорода.

Резюме

PS II - это трансмембранная структура, обнаруженная во всех хлоропластах. Он расщепляет воду на электроны, протоны и молекулярный кислород. Электроны передаются пластохинону, который переносит их в протонную помпу. 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

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, а белки железо-сера Риске этих двух комплексов гомологичны. Однако цитохром f и цитохром c 1 не гомологичны.

Фотосистема I

Циклические светозависимые реакции происходят только тогда, когда единственной используемой фотосистемой является фотосистема I. Фотосистема I возбуждает электроны, которые затем совершают цикл от транспортного белка ферредоксина (Fd) к цитохромному комплексу b 6 f к другому транспортному белку, пластоцианину. (Pc) и обратно в фотосистему I. Протонный градиент создается через тилакоидную мембрану (6) по мере того, как протоны (3) переносятся от стромы хлоропласта (4) в просвет тилакоида (5). Через хемиосмос образуется АТФ (9), где АТФ-синтаза (1) связывает неорганическую фосфатную группу (8) с молекулой АДФ (7).

PS I принимает электроны от пластоцианина и передает их либо НАДФН ( нециклический перенос электронов ), либо обратно к цитохрому b 6 f ( циклический перенос электронов ):

                        plastocyaninP700P700*FNRNADPH
                             ↑                ↓
                           b6fphylloquinone

ФС I, как и ФС II, 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 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

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

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

         H
2
O
PS IIplastoquinone b6f cytochrome c6 PS IferredoxinNADPH ↑ ↓ b6f plastoquinone

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

           NADH dehydrogenaseplastoquinone b6f cyt c6 cyt aa3 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.

Фиолетовые бактерии

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.

Чтобы произвести 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

Зеленые серные бактерии содержат фотосистему, аналогичную ФС I в хлоропластах:

                            P840P840*ferredoxinNADH
                              ↑                ↓
                           cyt c553  bc1  menaquinone

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
2
S
, 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

Первые идеи об использовании света в фотосинтезе были предложены Колином Фланнери в 1779 году, который признал, что необходим солнечный свет, падающий на растения, хотя Джозеф Пристли отметил производство кислорода без связи со светом в 1772 году. Корнелис Ван Ниль предложил в своей работе 1931 г., что фотосинтез - это случай общего механизма, в котором фотон света используется для фоторазложения донора водорода, а водород используется для восстановления CO.
2
. Затем в 1939 году Робин Хилл показал, что изолированные хлоропласты производят кислород, но не фиксируют CO.
2
показывая, что светлые и темные реакции произошли в разных местах. Хотя их называют световой и темной реакциями, обе они происходят только в присутствии света. Позже это привело к открытию фотосистем I и II.

Смотрите также

использованная литература