1 БИОФИЗИКА ФОТОСИНТЕЗА. 2 Солнечная энергия первичный источник всей биологической энергии. Фотосинтезирующие клетки используют энергию солнечного света. - презентация

1 1 БИОФИЗИКА ФОТОСИНТЕЗА

2 2 Солнечная энергия первичный источник всей биологической энергии. Фотосинтезирующие клетки используют энергию солнечного света для образования глюкозы и других органических продуктов. Эти органические продукты служат гетеротрофным клеткам источником энергии и углерода.

3 3 Общая характеристика фотосинтеза Фотосинтез – сложная многоступенчатая система фотофизических, фотохимических и темновых биохимических процессов, в которых энергия солнечного света трансформируется фотосинтезирующими организмами (бактериями и растениями) в доступные им формы энергии: химическую (NADPH, ATP) или электрохимическую ( H). Используя эту энергию клетка с помощью фотосинтетической системы синтезирует из простых неорганических веществ углекислого газа и воды глюкозу и другие сложные органические вещества. Продуктом этих реакций является также молекулярный кислород, выделяющийся из молекул воды.

4 4 Фотосинтез – один из важнейших механизмов жизни на Земле, поскольку, за его счет образуются как сложные высокоупорядоченные органические вещества, так и кислород, потребляемые другими организмами (бактериями, растениями и животными) в качестве источников строительного материала и энергии. Основная суммарная реакция фотосинтеза: 6СО 2 +6Н 2 О+hν С 6 Н 12 О 6 +6О ккал/моль

5 5 Суть фотосинтеза заключается в получении высокоэнергетических электронов за счет энергии квантов света, поглощаемых хлорофиллом. Для того, чтобы предупредить возвращение электрона в исходное состояние и растрату полученной энергии на тепловые процессы, возбужденный электрон очень быстро переносится по электронтранспортной цепи на NADP+, который затем используется в биосинтетических реакциях. Исходным источником электронов является вода, которая при этом расщепляется и выделяет кислород. Этим кислородом, являющимся побочным продуктом фотосинтеза, дышат все аэробные организмы.

6 6 Общая схема фотосинтеза. ФС I и ФС II – фотосистемы I и II; ССАI и ССАII – светособирающие антенны этих фотосистем, соответственно; ВРС – водорасщепляющая система; ЦЭТ – цепь электронного транспорта.

7 7 1) Светособирающие комплексы ССКI и ССКII, принадлежащие фотосистемам I и II. Они содержат пигменты, поглощающие кванты света с разной длиной волны. Энергия, поглощенная ими, мигрирует от пигмента к пигменту, слегка диссипируя на каждом шаге, пока не попадает в реакционный центр с минимальным энергетическим уровнем. Там она вызывает возбуждение фотосинтетических пигментов - молекул хлорофилла Р 700 или P 680 в одной из двух фотосистем – ФС I или ФС II, соответственно.

8 8 2) Возбужденная молекула хлорофилла Р 700, входящая в состав фотосистемы I (ФС I), способна ионизироваться: P e Оторвавшийся от нее электрон переносится по цепи электронного транспорта на NADP +, восстанавливая его: NADP + + e + H + NADPH. NADPH далее используется в цикле Кальвина для синтеза глюкозы. Вакансия на, образовавшаяся после ухода электрона, заполняется либо собственным электроном, возвращающимся по ЦЭТ в результате циклического переноса, либо электроном, поступающим из ФС II.

9 9 3) В фотосистеме II за счет энергии возбуждения от молекулы хлорофилла P 680 отрывается электрон: P e и переносится по электрон-транспортной цепи на хлорофилл Р 700, заполняя образовавшуюся там вакансию.

10 10 4) Вакансия, образовавшаяся на хлорофилле заполняется электроном, который отщепляется от молекулы воды с помощью так называемой водорасщепляющей системы, входящей в состав фотосистемы II. Кроме электрона, она отщепляет протоны от молекулы воды: 2H 2 O 4 H e + O 2 При этом от воды отщепляются и ионы водорода Н +, участвующие в создании протонного градиента, а также выделяется молекулярный кислород, являющийся побочным продуктом данного процесса.

11 11 5) Перенос электронов по ЭТЦ приводит к одновременному переносу протонов Н + через мембраны тилакоидов хлоропластов в строму комплексом цитохромов b 6 f, подобным митохондриальному комплексу bc 1. Процессы выделения протонов при расщеплении воды и переноса их через мембрану создают электрохимический протонный градиент, который служит источником энергии для синтеза ATP.

12 12 6) Н + -ATP-синтаза (F 0 F 1 ), такая же, как у митохондрий, и встроенная в ту же тилакоидную мембрану, что и фотосистемы ФС I и ФС II, синтезирует ATP, энергия которой используется для синтеза органических веществ.

13 13 7) За счет энергии, накопленной в NADPH и ATP, в цикле Кальвина – системе темновых биохимических реакций – синтезируются глюкоза и другие органические вещества из СО 2 и водорода, входящего в состав NADPH.

14 14 Хлоропласты Фотосинтез осуществляется в хлоропластах – органеллах растительных клеток. Они обычно имеют двояковыпуклую форму наподобие сложенных вместе блюдец диаметром 3-10 мкм и толщиной 1,5-3 мкм. В растительной клетке бывает от 1 до 1000 хлоропластов.

15 15 Поперечный срез клетки листа гороха (Pisum sativum) прошел через два хлоропласта. От цитоплазмы хлоропласт отграничен двумя мембранами – наружной и внутренней. Наружная мембрана – гладкая, внутренняя образует выросты – ламеллы. На ламеллах располагаются стопками тилакоиды. На снимке хорошо видны стопки тилакоидов – граны. В тилакоидах гран между слоями белков и липидов сосредоточены молекулы хлорофилла. Он способен улавливать энергию солнечного света, с помощью которой происходит образование углеводов из воды и углекислого газа. Скопления углеводов видны на снимке как темные пятнышки. Трансмиссионный микроскоп, х

16 16 Хлоропласт. Электронная микрофотография хлоропласта листа люпина (по Gunning, Steer, 1996).

17 17 Объемная реконструкция хлоропласта. Видны внутренняя и наружная мембраны, а также граны тилакоидов.

18 18 Хлоропласты растений сходны с митохондриями: они также используют электронтранспортную цепь и хемиосмотический принцип для преобразования энергии. У них также есть двухмембранная оболочка, включающая высокопроницаемую наружную мембрану и внутреннюю низкопроницаемую мембрану со встроенными белками-переносчиками. Внутренняя область, аналогичная митохондриальному матриксу, называется стромой. Но у хлоропластов нету крист, а есть специальная система внутренних мембран – тилакоидов – образующих третий внутренний компартмент.

19 19 Тилакоиды – плоские мембранные мешочки диаметром порядка 0,5 мкм. Они упакованы в стопки – граны. Внутри них – тилакоидное пространство. Отдельные граны соединяются между собой ламеллами – более протяженными слоями. Тилакоидные мембраны содержат помимо липидов и белков фотовоспринимающие пигменты – разные модификации хлорофилла и ряд других пигментов, образующих светособирающую антенну. В них встроены две фотосистемы ФС I и ФС II, осуществляющие фотосинтез и Н-ATP-синтетаза (F 0 F 1 ), синтезирующая ATP, как в митохондриях.

20 20 Ультраструктура тилакоидов. А. Граны тилакоидов. Б. Поверхность тилакоида, выявленная методом замораживания-травления. Видны области с крупными гранулами (В), представляющие внутритилакоидную поверхность тилакоидной мембраны, и области с мелкими гранулами (С), представляющие поверхность тилакоидной мембраны, обращенную к строме. Крупные гранулы предположительно являются компонентами фотосистемы II, природа мелких пока не установлена.

21 21 В строме находятся собственная ДНК хлоропластов, белок-синтезирующий аппарат, ферменты цикла Кальвина и других метаболических процессов, сахара, липиды, органические кислоты и другие соединения. Так же, как и в митохондриях, ДНК хлоропластов кодирует только часть необходимых белков, тогда как другие белки или их субъединицы кодируются в клеточном ядре. Предполагается, что хлоропласты, как и митохондрии, возникли на ранних стадиях эволюции растений в результате симбиоза растительных клеток и каких-то прокариотических клеток.

22 22 Фотосинтетические пигменты Основной пигмент фотосинтеза – хлорофилл а (Chl a). Он состоит из порфириновой головки размером примерно 1,5х1,5 нм, обладающей гидрофильными свойствами, и длинного гидрофобного хвоста – фитола – длиной около 2,0 нм. В центре порфиринового кольца хлорофиллов находится ион Mg 2+, связанный координационными связями с атомами азота. Другие формы хлорофилла – b,c,d, а также бактериохлорофилл – отличаются боковыми заместителями и распределением двойных связей в порфириновом кольце.

23 23

24 24 Структура хлорофилла а. Отмечены модификации, характерные для хлорофилла b и бактериохлорофилла

25 25 Различные фотосинтетические пигменты. Сверху для сравнения приведена структура железо-протопорфинина IX.

26 26 Спектры поглощения хлорофиллов имеют две интенсивные полосы: характерную для порфиринов полосу Сорэ в синей или ближней ультрафиолетовой части спектра и «красную» полосу поглощения света в области нм (у бактериохлорофиллов она смещена в ближнюю инфракрасную область нм). Поглощение света в красной области спектра обеспечивается взаимодействием иона магния с сопряженной p -электронной системой порфиринового кольца. (Для сравнения – гем, содержащий в порфириновом кольце не Mg 2+, а Fe 2+ поглощает свет не в красной, а зелено-желтой части спектра).

27 27 В клетке "красные полосы" поглощения хлорофиллов сдвинуты в длиноволновую область по сравнению со спектрами, полученными в органических растворителях, что указывает на значительную роль пигмент-пигментных, пигмент-белковых и пигмент-липидных взаимодействий вследствие плотной упаковки хлорофилльных молекул в фотосинтетической мембране.

28 28 Методами низкотемпературной и дифференциальной спектрофотометрии выявлено до 10 модификаций хлорофилла a, различающихся по спектрам поглощения и флуоресценции (т.е. по расположению энергетических уровней), по экстрагируемости из мембраны (т.е. по гидрофильности/гидрофобности) и т.д. Они называются "нативными формами" хлорофилла а. Так, выделены Р 670 (поглощающий свет нм), Р 680, Р 700 и т.д. Основным фактором, обуславливающим свойства этих нативных форм, являются пигмент-пигментные взаимодействия, т.е. образование димеров и более крупных агрегатов. В пигментных агрегатах за счет взаимодействия p -электронных систем происходит "размазывание" электронного облака по двум или нескольким порфириновым кольцам. Соответственно, снижается верхний энергетический уровень и повышается способность поглощать более длинноволновый красный свет.

29 29 Спектры поглощения света различными пигментами, участвующими в фотосинтезе

30 30 Кроме хлорофилла в фотосинтезирующих клетках встречаются и другие пигменты: феофитины, каротиноиды, фикоэритрины фикобилины и др. Все они содержат длинные цепочки сопряженных связей, в которых π -электронное облако «размазывается» по всей длине, что также приводит к снижению возбужденных энергетических уровней и позволяет поглощать кванты видимого света. У каротиноидов длина цепочек составляет примерно 40 углеродных атомов. Они поглощают свет в области нм и имеют желтый или оранжевый цвет. Фикобилины поглощают свет в области нм. Все они дополняют спектр поглощения хлорофилла, поглощая не только красный свет, но и свет других участков спектра, позволяя растениям эффективно улавливать солнечную радиацию.

31 31 Светособирающие комплексы Для повышения эффективности использования света фотоны улавливаются не только молекулами хлорофилла в реакционных центрах, но и вспомогательными пигментами, передающими энергию электронного возбуждения в реакционный центр. Действительно, сечение поглощения молекулы хлорофилла см 2, поэтому при интенсивности дневного солнечного света квант/(см 2 сек) интенсивность поглощения квантов одной молекулой не более 1-10 квантов в секунду. Но длительность цикла использования энергии фотона от его поглощения до выделения молекулы О 2 составляет порядка 0,01-0,02 сек. Следовательно, большую часть времени между поглощением отдельных квантов хлорофилл должен "простаивать". Поэтому объединение десятков молекул пигментов, снабжающих энергией один реакционный центр, повышает эффективность фотосинтеза.

32 32 Пигменты – компоненты светособирающих антенн

33 33 Кроме заполнения временных интервалов, эффективность светосбора повышается путем «спектрального заполнения», т.е. поглощения квантов в сине-зелено-желтой области, в которой хлорофиллы практически не поглощают свет. Эту роль выполняют разнообразные пигменты – хлорофиллы, каротиноиды, фикоэритрины, фикобилины и др., имеющие полосы поглощения света в этой спектральной области. Десятки молекул пигментов-светосборщиков окружают фотосистемы I и II. Энергия поглощенных фотонов преобразуется в энергию электронного возбуждения молекул пигментов. Она с некоторой диссипацией передается от молекулы к молекуле и после нескольких случайных блужданий попадает на реакционные центры фотосистем I и II - Р 680 или Р 700, являющиеся «энергетическими ловушками», так как в них процесс миграции энергии прерывается. Энергия дальше не передается, а используется для генерации высокоэнергетических электронов и собственно фотосинтеза.

34 34 Ранее, когда не была установлена определенная пространственная организация пигментных молекул, предполагалось их неупорядоченное расположение в фотосинтетической мембране, и использовался неплохой термин «светособирающая антенна». Но в последние десятилетия, когда стало известно, что молекулы пигментов связаны с белками, организующими их расположение, стали употреблять термин «светособирающие пигмент-белковые комплексы» (ССПБК или просто ССК). В международной литературе для их обозначения используется аббревиатура LHC (Light Harvesting Complexes).

35 35 Обычно ССПБК окружают функциональное ядро – центральный кор- комплекс, в котором находятся реакционные центры ФС I или ФС II. На периферии ФС I и ФС II располагаются тримеры из белков Lhcb1/Lhcb2, а центральную, коровую часть окружают мономерные антенные белки. В ФСI – это белки Lhca1, Lhca2, Lhca3 и Lhca4, а в ФС II – белки Lhcb3, Lhcb4, Lhcb5 и Lhcb6 (или CP 25, CP29, CP26 и CP24).

36 36 Каждый мономер триммеров Lhc в фотосистеме ФС II – это белок из трех α-спиралей длиной 4,3; 5,1 и 3,2 нм. Эти белки связывают по 7 молекул хлорофилла а, 5 молекул хлорофилла b и 2 молекулы лютеина. Порфириновые кольца хлорофиллов расположены в два слоя перпендикулярно к плоскости тилакоидной мембраны вблизи от ее наружной и внутренней плоскости.

37 37 Схема строения ФС I (a) и ФС II (б). На (а) показано расположение тримерных (Lhcb1/Lhcb2) и мономерных светособирающих белковых комплексов (Lhca1, Lhca2, Lhca3 и Lhca4). Кор-комплекс в центре содержит примерно 90 молекул хлорофилла а. На (б) приведено примерное положение тримерных (Lhcb1/Lhcb2) и мономерных светособирающих белковых комплексов (Lhcb3, Lhcb4, Lhcb5 и Lhcb6). В центре показан димер из двух кор-комплексов, каждый из которых состоит из белков реакционного центра D1/D2 и цитохрома b559, окруженных антенными белками CP43 и CP47, содержащими молекул хлорофилла а (по S. Jansson, 1994).

38 38 Пространственная структура одного из мономеров, входящего в состав тримерного комплекса Lhc. Его три α-спирали заключают 7 молекул хлорофилла а (в центре, более светлые), 5 – хлорофилла b (на периферии, более темные) и 2 – лютеина (черные) (по Nelson, Cox, 2005).

39 39 Обнаружены различные пути миграции энергии электронного возбуждения: каротиноидыфикобилиныхлорофилл a, хлорофилл b хлорофилл a, хлорофилл a хлорофилл a (миграция между нативными формами хлорофилла, например: P 670 P 680 P 690 P 700 ).

40 40 Механизмы миграции энергии Важнейший механизм миграции энергии электронного возбуждения в фотосинтетической мембране – индуктивно- резонансный механизм Фёрстера. Он осуществляется с участием синглетных возбужденных уровней (S 1 ) при соблюдении обязательных правил: 1) донор должен флуоресцировать; 2) акцептор должен иметь полосу поглощения, соответствующую полосе излучения донора; 3) расстояние между ними не должно превышать 4-6 нм.

41 41 Перенос энергии происходит за счет того, что во время существования возбужденного состояния донора ( с) осциллирующий возбужденный электрон генерирует переменное электромагнитное поле. Если его частота совпадает с одной из резонансных частот возбужденной молекулы акцептора, то происходит безизлучательный резонансный перенос энергии: в акцепторе возбуждаются осцилляции электрона, а молекула донора безизлучательно возвращается в исходное состояние. Типичные расстояния индуктивно-резонансного переноса энергии – 2-5 нм, а характерное время – сек. Таким способом может осуществляться миграция энергии между разными пигмент-белковыми комплексами.

42 42 Индуктивно-резонансный механизм миграции энергии (ферстеровская миграция)

43 43 В пределах одного локального светособирающего комплекса, примыкающего с ФСI или ФСII, где молекулы пигментов плотно упакованы в квазикристаллическую структуру, их электронные уровни могут обобществляться в зоны. В этом случае возможен экситонный механизм миграции энергии, при котором поглощение кванта света приводит к появлению экситона - коллективного возбуждения, делокализованного по всей системе молекул. Возбуждение молекулы донора распространяется по верхним колебательным уровням на всю систему акцепторов за время сек, меньшее, чем время релаксации колебательных состояний. Это самый быстрый способ миграции энергии. В конце этого промежутка времени энергия экситона может привести к возбуждению какой-то конкретной молекулы акцептора, удаленной от донора на расстояние до 1-1,5 нм.

44 44 Конкретные механизмы переноса энергии в ССПБК зависят от их строения и плотности упаковки пигментов. Перенос энергии возбуждения между соседними молекулами пигментов происходит за 0,2-5 пс, а между различными пигмент-белковым комплексами, удаленными на большее расстояние он осуществляется медленнее. Так, методами лазерной спектроскопии выявлены характерные времена переноса энергии порядка 0,15-0,3 пс, 2-6 пс и пс. Они могут соответствовать миграции энергии между соседними молекулами хлорофилла на расстояние около 1 нм, между отдельными пигментными кластерами и между мономерами в тримере. В первых двух случаях возможен экситонный механизм миграции энергии, а в третьем более вероятен индуктивно- резонансный перенос. Время между поглощением фотона антенным пигментов и захватом энергии реакционным центром фотосистемы I оценивается как пс, а фотосистемы II – порядка 300 пс.

45 45 Итак, в светособирающей антенне энергия, поглощаемая коротковолновыми формами пигментов мигрирует к более длинноволновым. По пути некоторая часть энергии диссипирует, но основная часть в конце "стекает" на пигменты Р 680 или Р 700 реакционных центров, где за ее счет происходят разделение зарядов и дальнейшие фотохимические процессы.

46 46 Z-схема фотосинтеза У высших растений в фотосинтезе участвуют две фотосистемы I и II со своими реакционными центрами, в которые входят одна молекула Р 700 или две молекулы Р 680, соответственно, и соответствующие цепи электронного транспорта. Реакционные центры фотосинтеза представляют собой большие пигмент- белковые комплексы, встроенные в фотосинтетические мембраны, с особой упаковкой пигментов и переносчиков электронов.

47 47 Фотосистема I Фотосистема I переносит электроны на небольшой гидрофильный белок ферредоксин, содержащий (Fe-S)-центр. Это подвижный переносчик, способный мигрировать по поверхности мембраны, наподобие цитохрома с, и переносить электроны: а) на NADP + -оксидоредуктазу – встроенный в мембрану белковый комплекс, восстанавливающий NADP: NADP + + 2e + H + NADPH. Полученный NADPH используется в цикле Кальвина для синтеза глюкозы.

48 48 б) на пластохиноны, а затем через комплекс цитохромов b 6 f - назад на Р 700. При этом комплекс цитохромов b 6 f создает градиент протонов, использующийся Н + - ATP-синтазой, встроенной в ту же мембрану, для синтеза ATP. Это циклическое фотофосфорилирование осуществляется потому, что для фиксации углерода и синтеза глюкозы необходимо намного больше молекул ATP, чем NADP +.

49 49 Поскольку часть электронов P 700 используется в биосинтетических процессах, то недостающие электроны поставляются фотосистемой II. Поток электронов от фотосистемы II через свою цепь электронного транспорта также попадает на комплекс цитохромов b 6 f, внося при этом вклад в генерацию протонного градиента на тилакоидной мембране, и далее через пластоцианин попадает на Р 700. За свою Z-подобную форму эта схема названа Z-схемой фотосинтеза.

50 50 Поскольку для образования одной молекулы О 2 необходим перенос четырех электронов от двух молекул H 2 O на два NADP +, а для переноса одного электрона от воды на NADP + необходимо поглощение двух фотонов (двумя фотосистемами), то суммарное уравнение процессов переноса электронов в фотосистемах I и II можно записать как: 2H 2 O+2NADP + +8фотоновO 2 +2NADPH+2H +

51 51 Z-схема фотосинтеза (по Nelson, Cox,2005).

52 52 В кор-комплекс фотосистемы I входят большие белки RsaA и RsaB с молекулярной массой порядка 83 кДа, которые несут реакционные центры ФС I, а также около молекул хлорофилла а и молекул каротиноидов. Первичный донор электронов в фотосистеме I пока не выделен в чистом виде, но хорошо охарактеризован с помощью спектральных методов. Его спектр поглощения света содержит 2 основные полосы при 700 и 430 нм. В хлоропластах растений соотношение P 700 и других хлорофиллов примерно равно 1:400. Считается, что реакционный центр Р 700 образован димером хлорофилла а. Вблизи P 700 в реакционном центре находятся первичный и вторичный акцепторы электронов А 0 и А 1. В роли А 0 выступает молекула хлорофилла а с полосой поглощения в области нм, а вторичным акцептором электронов А 1 является филлохинон (витамин К 1 ). Напомним, что хиноны – внутримембранные гидрофобные молекулы.

53 53 Механизм переноса электронов в фотосинтетических цепях электронного транспорта, как и в митохондриях, двоякий – туннелирование в пигмент- белковых надмолекулярных комплексах и перенос между комплексами пулом подвижных переносчиков.

54 54 Фотосистема II Фотосистема II устроена сложнее фотосистемы I, так как в ее состав входит водоокисляющая система, поставляющая электроны в реакционный центр. Кор-комплекс ФС II представляет собой димер из двух субъединиц, которые включают по два почти одинаковых белка D 1 и D 2, являющихся структурной основой для организации реакционных центров, цитохром b 559, а также антенные белки CP43 и CP47. В состав реакционного центра фотосистемы II кроме 6 молекул хлорофилла а входят две молекулы феофитина, две молекулы β-каротина и одна молекула цитохрома b 559. Они удерживаются и размещаются в фотосинтетической мембране парой почти одинаковых интегральных белков D 1 и D 2 и несколькими меньшими белками.

55 55 В фотосистеме II первичным донором электронов служит хлорофилл а – P 680. Предполагается, что роль реакционного центра P 680 в ФСII играет димер хлорофилла. Но спектральные свойства указывают на то, что в состав P 680 могут входить еще шесть молекул хлорофилла, расположенных на некотором расстоянии. Изучение P 680 затруднено тем, что он очень сильный окислитель и может окислять соседние молекулы. Ведь для окисления молекулы воды его редокс- потенциал должен превышать +810 мВ.

56 56 Разделение зарядов и перенос электронов в реакционном центре фотосистемы II происходят примерно так же, как и в фотосистеме I. Методами лазерной спектроскопии показано, что после поглощения кванта света электрон за 3 пс с эффективностью % переносится от возбужденного хлорофилла Р 680* на первичный акцептор феофитин (ФФ) – пигмент порфиринового ряда, не содержащий координированного атома металла, - с образованием радикальной пары (Р ФФ ). За следующие 150 пс электрон переносится на прочно связанный с белками пластохинон PQA (или просто QA), а от него – на слабо связанный пластохинон PQВ (или QВ), находящийся за пределами реакционного центра. Последний, получив два электрона и присоединив два протона из воды, превращается в полностью восстановленную форму PQ B H 2, которая после диффузии внутри мембраны переносит электроны на комплекс цитохромов b 6 f.

57 57 Схема структурной организации фотосистемы II в фотосинтетической мембране (по Рубину, 2000)

58 58 А. Пространственная организация реакционного центра фотосистемы II (по данным рентгеноструктурного анализа с разрешением 3.8 ) Стрелки показывают путь электронов от донора – ионов Mn в кластере Mn 4 водоокисляющей системы на вторичный хинон QB. Б. Схема первичного разделения зарядов в фотосистеме II, показывающая, что начальным донором электронов для феофитина (Phe) служит хлорофилл, связанный с D1, а образующаяся на «дырка» мигрирует на P680 (по Barber, 2003)

59 59 Комплекс цитохромов b6f Комплекс цитохромов b 6 f похож на митохондриальный комплекс цитохромов bc 1. Он участвует в переносе электрона от фотосистемы I (от ферредоксина) или от фотосистемы II (от пластохинона PQ B H 2 ) через пластоцианин на фотосистему I. Этот комплекс представляет собой димер из двух одинаковых мономеров. Он содержит два цитохрома b 6 с высоко- и низкопотенциальными гемами (обозначаемыми как b H и b L, соответственно), цитохром f с гемом f, еще один гем х с неизвестной функцией и β-каротин, функции которого также неизвестны. В его состав также входит железо-серный белок Риске с центром (Fe 2 -S 2 ).

60 60 Пластохинон PQ B, вероятно, осуществляет транспорт протонов через фотосинтетическую мембрану по механизму, похожему на Q-цикл в митохондриальном комплексе цитохромов bc 1. Во всяком случае, предполагается, что в области контакта каждого мономера с другим мономером есть центр связывания пластохинона, так что между ними может помещаться пара пластохинонов PQ и PQH 2, которые могут осуществлять Q-цикл. Но в отличие от митохондрий, где ионы водорода переносится из матрикса в межмембранное пространство, в хлоропластах протоны переносятся внутрь тилакоидов. Это приводит к созданию электрохимического градиента протонов, используемого Н + -ATP- синтазой (F 0 F 1 ) для производства ATP.

61 61 Совместная работа комплекса цитохромов b 6 f, NADP + -оксидоредуктазы и водоокисляющей системы создает 1000-кратный градиент концентрации протонов. В результате внутритилакоидный объем приобретает рН 5, тогда как рН стромы порядка 8. Это создает на тилакоидной мембране протондвижущую силу около 200 мВ (одна единица рН примерно равна 60 мВ), почти целиком обусловленную разностью концентраций Н +, а не мембранным потенциалом (мембрана тилакоида проницаема для ионов Mg 2+ и Cl -, и они нивелируют разность потенциалов). Эта протон-движущая сила используется Н + - ATP-синтетазой, такой же, как и в митохондриях, для синтеза ATP.

62 62 Структура комплекса цитохромов b6f. А. схема пространственного расположения основных переносчиков электронов. Б. кристаллическая структура b6f, полученная с помощью рентгеноструктурного анализа (по Nelsom, Cox, 2005).

63 63 Перенос протонов комплексом цитохромов b 6 f в тилакоидах осуществляется по механизму Q-цикла, как в митохондриальном комплексе цитохромов bc 1. Один из электронов PQH 2 передается на низкопотенциальный гем b L, а другой – на Fe 2 -S 2 центр белка Риске и далее через цитохром f на пластоцианин. При этом из стромы поглощаются протоны, присоединяющиеся к пластохинону (Q + 2H + QH 2 ), которые затем выделяются внутрь тилакоида.

64 64 Водоокисляющая система Исходным источником электронов для электронно-транспортных систем фотосинтеза является вода. Она также поставляет ионы водорода для создания протонного градиента. Но для их получения необходимо расщепить молекулу воды: 2H 2 O 4 H e + O 2

65 65 Для расщепления двух молекул воды необходимо не менее четырех фотонов. Но фотосинтетический механизм может одновременно манипулировать только одним электроном. Для решения этой проблемы в фотосинтезирующих клетках есть специальная водоокисляющая (или водорасщепляющая) система, тесно, структурно и функционально, связанная с фотосистемой II. Она передает отнятый у воды электрон на Р 680 для компенсации потери электрона в процессе разделения зарядов. То есть, она является непосредственным донором электронов для Р 680. Молекулярная природа этого донора электронов (его обозначали как Z) долго оставалась неизвестной, но потом было обнаружено, что ее роль играет один из тирозинов полипептида D1 (YZ). Но, поскольку Р 680 может принимать только по одному е, а при расщеплении воды их должно выделиться четыре, то должен существовать каталитический центр, способный связывать две молекулы воды, накапливать отщепляющиеся электроны и направлять их по одному на Р 680.

66 66 Было высказано предположение, что водоокисляющая система работает как 4-тактный циклический механизм. И действительно, в опытах с освещением ФСII короткими вспышками относительный выход кислорода был максимален после 1-й и 5-й вспышек. Предполагается, что комплекс, производящий О 2, существует в пяти промежуточных состояниях окисления: S 0, S 1, S 2, S 3 и S 4, переход между которыми происходит при освещении последовательными вспышками света. Эта последовательность называется S-циклом.

67 67 Циклические переходы водоокисляющей системы между состояниями S 0, S 1, S 2, S 3 и S 4 приводят к отщеплению от воды четырех электронов и переносу их на гистидин, затем тирозин полипептида D1 и наконец, на P 680.

68 68 Но какое вещество может накапливать 4 электрона, меняя свою валентность на 4 единицы? Им оказались ионы марганца. Марганец давно был обнаружен в составе ФСII и было известно, что если его меньше, чем 4 атома на одну молекулу Р 680, то выделение О 2 не происходит. Марганец может находиться в нескольких стабильных состояниях от Mn +2 до Mn +7. Для связанного с белком иона это обозначается как Mn(II), Mn(III) и т.д. Показано, что при переходе S 0 S 1 S 2 меняется степень окисления марганца: Mn(II) Mn(III) Mn(IV).

69 69 С помощью рентгеновской спектроскопии в фотосинтетической мембране обнаружены четырехмарганцевые кластеры и была изучена их структура. Они состоят из двух димеров, в которых атомы марганца соединены кислородными мостиками. Предполагается, что после удаления четырех электронов окисленный марганцевый кластер в состоянии S 4 оказывается способным окислить две молекулы воды. Это происходит на заключительном этапе цикла S 4 S 0.

70 70 Структура четрехмарганцевого кластера, построенная по данным рентгеновской спектроскопии (по Рубину, 2000)

71 71 Изменения состояния атомов марганца в ходе S-цикла (по Barber, 2003)

72 72 (А). Организация белковых комплексов в фотосинтетической мембране. (по Nelson, Cox, 2005). На (Б) Цифрами обозначены их характерные размеры в нанометрах

73 73 Цикл Кальвина Цикл Кальвина – система темновых биохимических реакций, в которых из углекислого газа и водорода, поставляемого NADH, синтезируется глюкоза: CO 2 +2NADPH+3ATP+3Н 2 04СН 2 О+2NADP + +3ADP+3P i

74 74 Основные этапы цикла Кальвина: 1 - фиксация углерода; 2 – восстановление; 3 – регенерация акцептора (рибулозо-1,5-бисфосфата. Количество молекул ключевых промежуточных соединений указано в скобках (по Nelson, Cox, 2005).

75 75 На первой стадии цикла Кальвина осуществляется фиксация (усвоение) углерода из углекислого газа, т.е. присоединение молекулы СО 2 к пятиуглеродной молекуле рибулозо-1,5- бисфосфата с расщеплением его на две трехуглеродные молекулы 3-фосфоглицерата. Затем с участием NADPH и ATP происходит восстановление его до глицеральдегид-3- фоссфата, который используется для синтеза сахаров и крахмала, а также для производства АТР в гликолитическом процессе. И наконец, с участием АТР может происходить регенерация акцептора углерода – рибулозо-1,5- бисфосфата, замыкая таким образом цикл.