Фотосинтез. Лекция №9

Вопросы с прошлой лекции
Почему QH- так обозначен?
Почему не 36–38 АТФ образуется всего из глюкозы?
Действие цианидов

Почему QH- так обозначен?

H+ нужен не только АТФ-синтазе
АТФ-синтаза
АТФ/АДФ-транслоказа
фосфат-транслоказа
Для синтеза 1 АТФ необходим еще 1 H+, который переносится в матрикс вместе с фосфатом (симпорт)
АТФ и АДФ переносятся через внутреннюю мембрану с помощью антипорта (в противоположных направлениях)
Суммарно для синтеза 1 АТФ требуется примерно 3,9 H+, перенесенных их матрикса в просвет кристы
Edmund R.S. Kunji et al. The transport mechanism of the mitochondrial ADP/ATP carrier // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research, Volume 1863, Issue 10, 2016, Pages 2379-2393, https://doi.org/10.1016/j.bbamcr.2016.03.015

Итоги гликолиза, ПДК, ЦТК и ЦПЭ
+ 2 NAD+ + 2 АДФ + 2 HPO42-
2
+ 2 NADH + 2 АТФ + 2H+ + 2 H2O
+ NAD+ +
CoA-SCOCH3 + CO2 + NADH
Цитоплазма
Матрикс митохондрий
CoA-SCOCH3 + 3 NAD+ + FAD + ГДФ + HPO42-
CoA-SH + 3 NADH + FADH2 + ГТФ + 2 CO2
Матрикс и внутренняя мембрана митохондрий
x2
x2
попадают в митохондрии через «обменники»
?

Путь NADH из цитозоля в митохондрии
малат-аспартатный челнок
глицерол-3фосфатный челнок
NADH
FADH2

Итоги гликолиза, ПДК, ЦТК и ЦПЭ
+ 2 NAD+ + 2 АДФ + 2 HPO42-
2
+ 2 NADH + 2 АТФ + 2H+ + 2 H2O
+ NAD+ +
CoA-SCOCH3 + CO2 + NADH
Цитоплазма
Матрикс митохондрий
CoA-SCOCH3 + 3 NAD+ + FAD + ГДФ + HPO42-
CoA-SH + 3 NADH + FADH2 + ГТФ + 2 CO2
Матрикс и внутренняя мембрана митохондрий
8/10 NADH -> 80/100 H+ -> 20/25 АТФ
4/2 FADH2 -> 24/12 H+ -> 6/3 АТФ
Общая сумма: 28/30 АТФ + 2 ГТФ
x2
x2
попадают в митохондрии через «обменники»
8/10 NADH -> 24/30 АТФ
4/2 FADH2 -> 8/4 АТФ
Общая сумма: 34/36 АТФ + 2 ГТФ

Комплексы цепи переноса электронов
Комплекс I
NADH-дегидрогеназный
Комплекс III
цитохром с редуктазный
Комплекс II
сукцинат дегидрогеназный
Комплекс IV
цитохром с оксидазный
Комплекс V
АТФ-синтазный
матрикс
просвет кристы
pH=7,9-8,0
pH=7,2-7,4
4 H+
4 H+
2 H+

https://www.kegg.jp/kegg-bin/highlight_pathway?scale=1.0&map=hsa00190&keyword=Mitochondria

План лекции
Зачем мне фотосинтез, я же буду …
Процесс перехода хлорофилла в возбужденное состояние
Структура пигментов
Строение хлоропластов
Световые реакции фотосинтеза (у бактерий и сосудистых растений)
Доноры электронов помимо воды
Темновые реакции фотосинтеза (цикл Кальвина, фотодыхание)
C4-фотосинтез (цикл Хэнча-Слэка)
CAM-фотосинтез

Зачем мне нужен фотосинтез, я же буду…
https://academic.oup.com/jxb/article/71/7/2219/5736454

Общая схема фотосинтеза (световые + темновые реакции)
световые реакции
темновые реакции
H2O
O2
NADPH
ATP
CO2
NADP+
ADP+Pi
глюкоза
Смысл световых реакций – синтез NADPH и ATP, которые будут использоваться в темновых реакциях
Смысл темновых реакций – синтез сахаров, в том числе глюкозы

Переход молекулы хлорофилла в возбужденное состояние
хлорофилл а
Наличие цепочек чередующихся двойных и одинарных связей делает хлорофилл эффективным фоторецептором
При поглощении кванта света один из электронов переходит на энергетический уровень выше обычного состояния
Обычно (не только в случае хлорофилла) электрон быстро (в случае хлорофилла 10 пс) переходит обратно в обычное состояние с испусканием света или тепла
Но при близком расположении акцептора, он может переходить на акцептор, поскольку в возбужденном состоянии удален от ядра атома
Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. Biochemistry. 5th edition // New York: W H Freeman; 2002.
E = hν

Структура различных пигментов
Lehninger Principles of Biochemistry (4th Ed.)

Спектры поглощения пигментами видимого света
длинна волны, нм
поглощение
Молярный коэффициент экстинкции (ε) хлорофилла а ~ 105 М-1 см-1
Для нитрофенола – 18*103 М-1 см-1

Строение хлоропластов
свет
антенные хлорофиллы
каротионоиды и другие доп. пигменты
Реакционный центр
Конвертирует энергию фотона в разделение заряда и начинает поток электронов
фотон превращается в экситон (передаваемое возбужденное состояние) и передается от одного пигмента к другому, пока не доберется до реакционного центра

Превращение энергии света в поток электронов

Что собой представляет реакционный центр?
Реакционный центр – это комплекс белков, включающий в себя:
Акцептор электрона (феофетин – хлорофилл без Mg2+ – или другая молекула хлорофилла) – верхний блок
два связанных между собой хлорофилла (так называемая «специальная пара», хлорофилл а и хлорофилл b) – средний блок
Донор электрона – комплекс разложения воды
Восстановительный потенциал специальной пары в возбужденном состоянии -1 В!
Время перехода электрона от возбужденной пары хлорофиллов на акцептор – 3 пс, что значительно меньше времени его возврата в обычное состояние (10 пс)

Супрамолекулярный комплекс фотосистемы I с антенными пигментами (зеленые и желтые) и белками (серые)
Пигменты в комплексе расположены настолько плотно, чтобы возбужденное состояние молекул передавалось от одного пигмента к другому с максимальной эффективностью

Общая схема световых реакций
У сосудистых растений, водорослей и цианобактерий по две фотосистемы (у бактерий – по одной: либо аналог ФС1, либо аналог ФС2)
Фотон попадая на антенные пигменты, переводит в них один из электронов в возбужденное состояние, превращаясь в т.н. экситон
Экситон передается от одного пигмента к другому, пока не доберется до реакционного центра (P680 в ФС2 или P700 в ФС1)
Специальная пара реакционного центра в возбужденном состоянии передает электрон с более высокой энергией соседствующему акцептору электронов (феофетин или хлорофилл)
Реакционный центр ФС2 восстанавливает свое состояние электроном от воды
Реакционный центр ФС1 – электроном от ФС2

Общая схема световых реакций
Поток электронов в ФС2 доходит до комплекса, в котором в процессе перемещения электрона происходит перекачка H+, градиент которого с помощью АТФ-синтазы превращается в АТФ
Поток электронов в ФС1 доходит до NADP+-оксидоредуктазы и ведет к синтезу NADPH
ФС2 тоже может переходить на синтез АТФ без выделения кислорода и синтеза NADPH. Для этого ферредоксин (Fd) переносит электрон на комплекс цитохром b6f, где поток электронов приводит к перекачке H+, после чего электрон через пластоцианин возвращается на P700
?

1. Возбуждение P680 и транспорт электрона в ФС2
P680* за ~3 пс передаёт электрон на близко расположенный феофетин (Pheo, хлорофилл без Mg2+), приобретая положительный заряд
●Pheo- передает электрон на пластохинон PQA, который принимает и передает только по одному электрону на более подвижный пластохинон PQB
PQB дожидается второго электрона
В это время P680 восстанавливает свое основное состояние, забирая электрон от тирозина структурного белка D1 фотосистемы 2
Тирозин восстанавливает свое состояние в результате окисления воды в Mn-содержащем комплексе

1. Возбуждение P680 и транспорт электрона в ФС2
Когда PQB дождался второго электрона, он присоединяет два H+, отделяется от ФС2 и внутри липидной мембраны диффундирует к комплексу цитохрома b6f
пластохинон
убихинон

3. Перенос электрона с пластохинола в комплексе цитохрома b6f
Комплекс цитохрома b6f аналогичен комплексу III цепи переноса электронов
В нем тоже проходит Q-цикл. Есть два места связывания пластохинона: ближе к просвету (P) и ближе к строме (N)
Восстановленный PQH2 связывается с P-сайтом, окисленный PQ – с N-сайтом
Один электрон от PQH2 идет к 2Fe-2S, затем к цитохрому f и пластоцианину (содержит Cu) – аналогу цитохрома c, доставляя электрон к фотосистеме I
Другой электрон идет на гем bL цитохрома b6, с него – на гем bH цитохрома b6 и затем – на окисленный PQ
В P-сайт приходит новый PQH2, цикл повторяется, а в N-сайте получается полностью восстановленный PQH2
Все освободившиеся H+ поступают в просвет тилакоида (4 H+ на 1 PQH2 или на 2 e- или на 2 фотона)
просвет тилакоида (P)
строма (N)
Железосерный белок Риске 2Fe-2S
частая мишень для гербицидов

2. Разложение воды и восстановление P680+
P680, отдавший электрон феофетину, должен быть восстановлен
Первичным донором электрона является остаток тирозина в структурном белке D1, в котором и закреплена вся фотосистема 2
Тирозин в свою очередь восстанавливается от Mn-содержащего комплекса, который может окисляться до состояния 4+ (сам Mn при этом окисляется от 2+ до 6+ или от 3+ до 7+)
Как только Mn-содержащий комплекс отдал 4 электрона, он окисляет одну молекулу воды
При этом в просвете тилакоида в результате разложения воды появляется дополнительно еще 4 H+, переводящихся в АТФ

Общая схема световых реакций

4. Возбуждение P700 и транспорт электрона в ФС1
После цепочки антенных пигментов возбужденный экситоном P700*(два хлорофилла) передает электрон на соседствующий хлорофилл, тот – на филлохинон, а затем на Fe-S-белок с несколькими Fe-S-центрами
С Fe-S-белка электрон передается на белок ферредоксин (тоже Fe-S)
Как только P700 отдал электрон, он тут же окисляет пластоцианин, принесший электрон от фотосистемы 2
пластохинон
убихинон
филлохинон
2 восстановленных ферредоксина окисляются ферредоксин:NADP+ оксидоредуктазой, приводя к образованию NADPH
просвет тилакоида (P)
строма (N)
свет

Суммарное уравнение световых реакций
2 H2O + 4 H+N → O2 + 4 H+ + 2 PQH2
hν
из разложения воды
8 H+
3 АТФ
2 NADPH
У бактерий по одной фотосистеме (либо аналог ФС1, либо аналог ФС2)
У бактерий большое разнообразие доноров электронов (H2S, ацетат, сукцинат, малат и др.)

Темновые реакции фотосинтеза
(Реакции, не требующие света)
Цикл Кальвина (восстановительный пентозофосфатный цикл)
Фотодыхание
C4-фотосинтез
CAM-фотосинтез

Цикл Кальвина
Этап 1:
фиксация
Этап 3:
регенерация акцептора
Этап 2:
восстановление
Получение энергии в гликолизе; синтез крахмала и сахара
Открыт в 1950 г. Мелвином Кальвином, Эндрю Бэнсеном и Джеймсом Бассамом
Включает в себя 3 этапа:
Фиксацию CO2 путём присоединения к рибулозо-1,5-биcфосфату с расщеплением на 2 молекулы 3-фосфоглицерата
Восстановление 3-фосфоглицерата до глицеральдегид-3-фосфата
Регенерация рибулозо-1,5-биcфосфата

Цикл Кальвина: 1. Фиксация CO2
Осуществляется ферментом рибулозо-1,5-бисфосфат карбоксилазой/оксигеназой (рубиско)
Рубиско активируется путём карбамоилирования Lys201 с помощью CO2
H2O

Цикл Кальвина: 1. Фиксация CO2
Рубиско – очень медленный фермент (3 CO2/секунду), поэтому данный фермент составляет почти 50% всех растворимых белков хлоропластов и возможно самый представленный белок в биосфере
O2 конкурирует с CO2 за активный центр рубиско. В 1 из 3 или 4 случаев O2 попадает в активный центр, что приводит к образованию 2-фосфогликолята – метаболически бесполезного продукта. Этот процесс называется фотодыханием
1-й этап цикла Кальвина
1-й этап фотодыхания

Цикл Кальвина: 2. Восстановление 3-фосфоглицерата до глицеральдегид-3-фосфата

Цикл Кальвина: 3. Регенерация рибулозо-1,5-бисфосфата
глицеральдегид-3-фосфат
дигидроксиацетон-фосфат
трансальдолаза
фруктозо-1,6-бисфосфат
фруктозо-1,6-бисфосфатаза
фруктозо-6-фосфат
Pi
1
2

Цикл Кальвина: 3. Регенерация рибулозо-1,5-бисфосфата
глицеральдегид-3-фосфат
фруктозо-6-фосфат
транскетолаза
ксилулозо-5-фосфат
эритрозо-4-фосфат
3

Цикл Кальвина: 3. Регенерация рибулозо-1,5-бисфосфата
эритрозо-4-фосфат
дигидроксиацетон-фосфат
трансальдолаза
седогептулозо-1,7-бисфосфат
седогептулозо-7-фосфат
седогептулозо-1,7-бисфосфатаза
4
Pi

Цикл Кальвина: 3. Регенерация рибулозо-1,5-бисфосфата
седогептулозо-7-фосфат
глицеральдегид-3-фосфат
транскетолаза
рибозо-5-фосфат
ксилулозо-5-фосфат
5

Цикл Кальвина: 3. Регенерация рибулозо-1,5-бисфосфата
рибозо-5-фосфат
рибозо-5-фосфат изомераза
рибулозо-5-фосфат
рибулозо-5-фосфат изомераза
рибулозо-5-фосфат изомераза
рибулозо-5-фосфат
рибулозо-5-фосфат

Цикл Кальвина: 3. Регенерация рибулозо-1,5-бисфосфата
рибулозо-5-фосфат
3×
рибулозо-5-фосфат киназа
рибулозо-1,5-бисфосфат
ATP

Цикл Кальвина: 3. Регенерация рибулозо-1,5-бисфосфата и суммарное уравнение
5 глицеральдегид-3-фосфат + 3 ATP → 3 рибулозо-1,5-бисфосфат + 3 ADP
3 рибулозо-1,5-бисфосфат + 3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH + 6 H+ →
3 рибулозо-1,5-бисфосфат + глицеральдегид-3-фосфат + 9 ADP + 6 NADP+ + 8 Pi

Фотодыхание
O2 конкурирует с CO2 за активный центр рубиско. В 1 из 3 или 4 случаев O2 попадает в активный центр, что приводит к образованию 2-фосфогликолята – метаболически бесполезного продукта. Этот процесс называется фотодыханием
Частота попадания O2 в активный центр напрямую зависит от его концентрации в растворе рядом с ферментом. При комнатной температуре в воде содержится 250 мкМ O2 и 11 мкМ CO2. С увеличением температуры соотношение увеличивается в сторону O2
1-й этап цикла Кальвина
1-й этап фотодыхания

Метаболизм 2-фосфогликолята
2-фосфогликолят
гликолят
фосфатаза
гликолят-оксидаза
O2
глиоксилат
глицин
+глицин + NAD+ + H2O
NADH + H+ + NH3 + CO2
гидроксипируват
глицерат
NADH
ATP

C4-фотосинтез
C4-растения живут при высоких температурах, где отношение концентраций растворенных O2 к CO2 еще выше
У них разделены фиксация CO2 и работа рубиско пространственно
CO2 связывается в C4-соединение, вместо C3
CO2 связывается с фосфоенолпируватом, давая оксалоацетат, тот восстанавливается до малата, который диффундирует по плазмодесмам до клеток обкладки, где декарбоксилируется до пирувата, и с CO2 начинается цикл Кальвина
Эффективность таких темновых реакций ниже (требуется на 2 АТФ больше)