Химизм фотосинтеза

Фотосинтез включает два главнейших этапа, последовательно связанных между собой.
Этап поглощения и преобразования энергии (явление, получившее название светового процесса(в тилакоидах хлоропластов)
12Н2О + энергия света - 12Н2 + 6О2 + энергия АТФ
и этап превращения веществ (темновой процесс в строме тилакоидах)
6СО2 + 12Н2 + энергия АТФ - С6Н12О6 + 6Н2О

Пигменты растений, участвующие в фотосинтезе, «упакованы» в тилакоиды хлоропластов в виде функциональных фотосинтетических единиц, называемых фотосистемами.
Два типа фотосистем — I и II. Каждая фотосистема содержит 250-400 молекул пигментов.

Все молекулы пигментов в фотосистемах способны улавливать энергию солнечного света. В случае антенных пигментов свет, поглощенный молекулами, поднимает их электроны на более высокий энергетический уровень, в конечном итоге высокоэнергетические электроны достигают реакционного центра.
Организация фотосинтетического аппарата
Тилакоиды образовались по-видимому, за счет инвагинации внутренней мембраны с последующим «отшнуровы-ванием».
Таким образом, люмен топологически эквивалентен межмембран-ному пространству.

Организация фотосинтетического аппарата, «реальная картинка».

Все пигменты фотосистемы могут погло­щать частицы световой энергии, называемые фотонами или квантами света, но только одна молекула хлорофилла данной фотосистемы может использовать поглощенную энергию в фотохимических реакциях. Эта молекула называется реакционным центром фотосистемы, а дру­гие молекулы пигментов называются антенными, поскольку они улавливают энергию света, подобно антеннам, для последующей передачи реакционному центру.

ФС I
В ФС I реакционный центр образован особой молекулой хлорофилла а, обозначаемой как Р700, где 700 — оптимум поглощения в нм. Реакционный центр фотосистемы II также образован молекулой хлорофилла а и обозначается индексом Р680, поскольку оптимум поглощения лежит в районе 680 нм. Фотосистемы I и II работают обычно синхронно и непрерывно, но фотосистема I может функционировать отдельно.

Фотосистема I в «реальном виде»

Все молекулы пигментов в фотосистемах способны улавливать энергию солнечного света. В случае антенных пигментов свет, поглощенный молекулами, поднимает их электроны на более высокий энергетический уровень, в конечном итоге высокоэнергетические электроны достигают реакционного центра.

ФС II
В случае ФС II энергия света утилизируется реакционным центром Р680. Возбужденные энергизированные электроны центра Р680 парами переносятся на молекулу соединения, очевидно, относящегося к классу хинонов (один из представителей фенольных соединений) и называемого акцептором. От акцептора начинается электронный поток, в котором электроны спускаются по электронотранспортной цепи к фотосистеме I. Компонентами этой цепи являются цитохромы — белки, содержащие железо и серу, хиноны и белок пластоцианин, содержащий медь.

Фотосистема II: схема реакционного центра (РЦ)
25 белков:
D1 + D2 – Гетеродимер, на нем:
Р680 – димер Chla,
Pheo – феофитин,
ChlZ,D – дополнительные Chl,
QA – пластохинон связанный,
QB – сайт связывания пластохинона из мембранного пула
F, E – cyt b559
O, P, Q – формируют водоокисляющий
комплекс
C (CP43), B (CP47) – внутренние фокусирующие антенны (~ 30 Chla)

Фотосистема II в «реальном виде»

Электронотранспортная цепь между фотосистемами I и II устрое­на так, что АТФ может образовываться из АДФ и Ф, причем этот процесс аналогичен окислительному фосфорилированию, происходящему в митохондриях. В хлоропластах он связан с энергией света и поэтому получил название фотофосфорилирования.

Молекула Р680, потерявшая свои электроны (в момент потери происходит флюоресценция), заменяет их электронами донора. В аэробном фотосинтезе является вода. Когда электроны молекулы воды поступают к Р680, молекула диссоциирует на протоны и кислород. Это окислительное расщепление молекул воды осуществляется под влиянием энергии солнечного света (светозависимая диссоциация) и известно под названием фотолиза. Ферменты, ответственные за фотолиз воды, располагаются на внутренней стороне мембраны тилакоидов. Фотолиз воды участвует в создании градиента протонов через мембрану, где высокая концентрация протонов оказывается во внутреннем пространстве тилакоидов. Протонный градиент способствует синтезу АТФ из АДФ и фосфата в ходе фотофос-форилирования.

В ФС I энергия света, «уловленная» антенными пигментами фотосистемы, поступает в реакционный центр Р700. От Р700 электроны передаются на электронный акцептор Р430, который, вероятно, представляет белок, содержащий железо и серу. Р430 передает свои электроны на другой железосеросодержащий белок — ферредоксин, а последний — на кофермент НАД, который восстанавливается до НАД • Н2. Молекула Р700 в ходе процесса окисляется, но затем восстанавливает потерянные электроны за счет электронов, поступающих по электронотранспортнои цепи от ФС II. Таким образом, на свету электроны перемещаются от воды к ФС II и I, а затем к НАД. Этот однонаправленный поток называется нециклическим потоком электронов, а образование АТФ, которое при этом происходит, — нециклическим фотофосфо-рилированием. Общий энергетический выход нециклического потока электронов (идет 12 пар электронов от Н2О до НАД) составляет 12АТФ и 12НАДН2.

ФС I может работать независимо от фотосистемы II. Этот процесс называют циклическим потоком электронов. В ходе процесса не происходит фотолиза воды, выделения О2 и образования НАД • Н2, однако образуется АТФ. Поскольку в описываемом случае синтез АТФ связан с циклическим потоком электронов, его называют циклическим фотофосфорилированием.
У эукариотических клеток циклическое фотофосфорилирование осуществляется достаточно редко, в тех случаях, когда клетка с избытком снабжается восстановителем в форме НАД • Н2 извне, из других клеток или из других компартментов клетки. Подобная схема лежит в основе процессов анаэробного фотосинтеза у фотосинтезирующих бактерии, но, разумеется, с участием иных пигментов (бактериохлорофиллов или хлоробиумхлорофиллов).

Темновая фаза фотосинтеза (цикл Кальвина).
6СО2 + 12Н2 + энергия АТФ - С6Н12О6 + 6Н2О (темновой процесс)
На второй (темновой) стадии фотосинтеза химическаяэнергия (в виде АТФ), запасенная в ходе световой реакции, используется для восстановления углерода. Углерод доступен для фотосинтезирующих клеток в виде диоксида углерода, при чем водоросли, багрянки и оксифотобактерии усваивают СО2, растворенный в воде. У растений диоксид углерода поступает к фотосинтезирующим клеткам через устьица. Восстановление углерода происходит у эукариот в строме хлоропластов в цикле реакций, известных как цикл Кальвина (по имени американского биохимикам. Кальвина, Нобелевская премия 1961 г. за его открытие).

Восстановление СО2 до уровня углеводов может происходить в темноте. Этот цикл состоит из трех этапов:
1 этап -карбоксилирование.
На этой стадии происходит присоединение СО2 к РДФ (5-углеродный сахар рибулозодифосфат) и образование двух молекул фосфоглицериновой кислоты. Эта реакция катализируется ферментом РДФ-карбоксилазой.
2 этап - восстановление. Этот этап идет в двух фазах:
а) под действием фермента фосфоглицераткиназы к 3-ФГК присоединяется еще 1 фосфатная группа от молекулы АТФ и образуется 1,3 – дифосфоглицериновая кислота (1,3 – ФГК).
б) происходит восстановление 1,3-ФГК в 3 фосфоглицериновый альдегид (ФГА) , коферментом которой служит НАДФ. Из образовавшихся 6 молекул ФГА 5 идут на регенерацию акцептора – рибулезодифосфата, а 1 молекула выходит из цикла.

3 этап - регенерация.
Эта фаза происходит с участием трех-, четырех-, пяти-, шести- и семиуглеродных сахаров.
В результате процессов альдольной конденсации, катализируемых соответствующими альдолазами, и транскетолазных реакций из 5 молекул 3-ФГА образуются 3 молекулы 5-углеродных сахаров, которые превращаются в РДФ. Из оставшейся неиспользованной шестой молекулы 3-ФГА под действием альдолазы синтезируется молекула фруктозо-1,6-дифосфата, из которой могут образовываться глюкоза, сахароза или крахмал.
Таким образом, для синтеза одной молекулы глюкозы в цикле Кальвина необходимы 12 молекул НАДФ Н2 и 18 АТФ. Цикл Кальвина функционирует у высших растений, водорослей, у большинства фототрофных и хемотрофных бактерий.

6СО2 + 12НАД • Н2 + 18АТФ --» С6Н12О6 + 12НАД + 18АДФ + 18Ф + 6Н2О.

У некоторых растений первый продукт фиксации СО2 — не трехуглеродная молекула 3-глицерофосфата, а четырехуглеродное соединение — оксалоацетат. Такой путь фотосинтеза получил название С4-пути. Оксалоацетат затем быстро превращается либо в малат, либо в аспартат, которые переносят СО2 к РБФ цикла Кальвина.
Существует особая анатомическая структура в мезофилле листа (кранцструктура), сопряженная с С4-путем фотосинтеза. У С4-растений начальные этапы фотосинтеза осуществляются по преимуществу в клетках обкладок проводящих пучков, а С3-путь (цикл Кальвина) — в клетках мезофилла. Иначе говоря, С4-растения использу­ют оба пути фотосинтеза, но они в пределах одного растения простран­ственно разделены. С4-растения более экономно утилизируют СО2, чем С3-растения. С4-растения обладают способностью поглощать СО2 с минимальной потерей воды. Кроме того, у С4-растений практически отсутствует фотодыхание — процесс выделения СО2 и поглощения О2 на свету.

С4-растения известны среди 19 семейств цветковых (из них 3 — однодольные и 16 — двудольные), и, очевидно, этот путь фотосинтеза возник независимо в разных филетических линиях. Однако практически все С4-растения адаптированы к высокой инсоляции, повышенным температурам и засухе. Оптимальная температура для роста и развития таких растений выше, чем у С3-растений; С4-растения процветают даже при температурах, которые губительны для многих С3-видов.

САМ-тип метаболизма.
Помимо С3- и С4-путей, известен еще так называемый метаболизм органических кислот по типу толстянковых. Растения, фотосинтезирующие по САМ-типу, могут фиксировать СО2 в темноте с помощью фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы, образуя яблочную кислоту, которая запасается в вакуолях. В течение последующего светового периода яблочная кислота декарбоксилируется и С02 присоединяется к РБФ цикла Кальвина в пределах той же клетки. Иначе говоря, САМ-растения также используют оба пути фотосинтеза, но они разделены в пределах одно го растения во времени. САМ-метаболизм обнаружен у многих суккулентных пустынных растений, у которых устьица открыты в ночное время и закрыты днем. САМ-растения, как правило, хорошо адаптированы к засухе, но особенности их метаболизма снижают способность к ассимиляции СО2. Поэтому многие САМ-растения (например, кактусы) растут медленно и вне экстремальных условий слабо конкурируют с С3- и С4 растениями.

Завершается фотосинтез накоплением энергетически богатых запасных веществ, составляющих основу для поддержания жизнедеятельности клетки, а в итоге — всего многоклеточного организма. Эти вещества являются продуктами первичного метаболизма.

Влияние внешних условий на интенсивность фотосинтеза
Свет. Источником энергии для фотосинтеза является свет, и поэтому с возрастанием его интенсивности возрастает интенсивность фотосинтеза. Однако прямой зависимости между этими величинами нет. При продолжающемся увеличении интенсивности света интенсивность фотосинтеза будет возрастать на все меньшую величину.
По отношению к интенсивности света все растения можно разделить на две группы:
световые (светолюбивые) — интенсивность фотосинтеза у них возрастает до тех пор, пока интенсивность света не сравняется с интенсивностью полного солнечного освещения; произрастают обычно на открытых местах; даже небольшое затемнение вызывает у них задержку роста и подавляет способность к цветению (лиственница, береза, щирица и др.);
теневые (тенелюбивые) — интенсивность фотосинтеза у них возрастает лишь до интенсивности света, равной примерно 1/10 интенсивности полного освещения, при выращивании на открытом месте имеют угнетенный вид (бук, дубровик и др.).Эти группы связаны между собой переходными формами — выносливыми растениями.

Углекислый газ.
Количество СО2 в атмосфере, равное 0,03 %, не является оптимальным для растений. Опыты показали, что повышение содержания его в воздухе приводит к повышению интенсивности фотосинтеза. Кривая зависимости между этими величинами имеет такую же форму, как и кривая зависимости интенсивности фотосинтеза от света. Нижний предел содержания СО2 в воздухе, ниже которого наступает депрессия фотосинтеза, равен примерно 0,01 %, верхний предел, выше которого также обнаруживается депрессия, равен примерно 1 %. Более половины всего потребляемого растениями СО2 образуется в результате разложения органических веществ почвы микроорганизмами. Быстрое развитие растений в набитых навозом парниках объясняется
не только высокой температурой но и обильным снабжением СО2. Повышение содержания СО2 в теплицах до 0,04 — 0,05 % приводит иногда к увеличению урожайности в 2 — 2,5 раза.