Эффэкт Эммерсона

Впервые идею о существовании в хлоропластах двух фотосистем высказал Р. Эмерсон (1957), изучая влияние света на квантовый выход фотосинтеза у хлореллы.

МЕХАНИЗМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В РЕАКЦИОННЫХ ЦЕНТРАХ

Особенности организации реакционных центров. Димерная структура пиг­мента реакционного центра. Две молекулы хлорофилла а расположены на двух субъединицах; А и В — в фотосистеме I; D1 и D2 — в фотосистеме II. Димерная структура пигмента обеспечивает сдвиг мак­симума поглощения в длинноволновую область, что позволяет пигменту реак­ционного центра служить эффективной ловушкой энергии возбуждения дру­гих пигментов, используя их в качестве светосборщиков. При образовании димеров в два раза увеличивается площадь поперечного сечения пигмента, что обеспечивает эффективный захват фотона. В связи с образованием у димера более длинноволнового максимума поглощения снижается константа скоро­сти флуоресценции, которая обратно пропорциональна длине волны излуче­ния. Поскольку флуоресценция — конкурирующий процесс, димерная струк­тура ограничивает бесполезную дезактивацию возбужденного состояния и по­терю энергии в виде флуоресценции.

Первичный акцептор во всех реакционных центрах — тетрапиррол. Это уве­личивает константу скорости переноса электрона, которая зависит от пере­крывания орбиталей П и А, т.е. донора и акцептора электронов. Многокомпо­нентный акцепторный комплекс в реакционных центрах растений позволяет эффективно осуществлять трансмембранное разделение зарядов. Таким образом, особенности структурной организации реакционных цент­ров создают высокую квантовую эффективность первичных процессов и высо­кую скорость реакций переноса электронов. За счет близкого расположения П и А и сходства их химической структуры константа скорости переноса элект­рона в реакционных центрах достигает 5 • Ю~¹⁰ с.

Фотохимический механизм преобразования энергии. Все реакционные цент­ры имеют не только общий принцип организации, но и единый фотохимиче­ский механизм преобразования энергии. В реакционном центре происходит пер­вичное фотохимическое разделение зарядов между фотовозбужденным пиг­ментом реакционного центра и первичным акцептором. Поскольку П взаимодействует с А в реакциях окислительно-восстановительного типа, структура, осуществляющая преобразование энергии, должна быть способна к обратимым окислительно-восстановительным реакциям. Как известно, молеку­ла хлорофилла способна к фотовосстановлению и фотоокислению. Исследова­ния с применением лазеров и высокоскоростной импульсной спектрофотометрии показали, что в реакционном центре реализуется фотоокислительный путь. Реакция фотоокисления хлорофилла требует особых условий: присутствия ионов магния в центре молекулы и слабокислых условий среды (В.Б.Евстигнеев, 1967). Именно такие условия создаются в нем при освеще­нии и векторном движении протонов во внутритилакоидное пространство.

В основе преобразования энергии лежит процесс разделения зарядов. Пер­вичный этап включает две сопряженных окислительно-восстановительных ре­акции:

hv

1) Хл —^ Хл⁺ + е (для реакции необходима затрата энергии, равная энер­гии ионизации хлорофилла);

2) А + ё —А~ (освобождается энергия, равная энергии ионизации акцеп­тора А).

Энергия, запасаемая в процессе разделения зарядов, равна разности энергий ионизации акцептора и хлорофилла: ДЕ = Е_А - Е^. Следовательно, чем меньше энергия ионизации хлорофилла, тем больше величина запасаемой энергии ДЕ.

Разделение зарядов в реакционном центре включает три стадии.

Первая стадия — первичное разделение зарядов. Высоко разрешающая техни­ка в фемтосекундном интервале (10~¹⁵ с) позволила выделить два процесса на начальной стадии преобразования энергии — перенос энергии и перенос элек­тронов в реакционном центре: перенос энергии происходит быстрее, чем перенос элек­трона.

Вторая стадия — фотоокисление пигмента П680. Разделение зарядов между возбужденным П6₈₀ и первичным акцептором электрона Фео осуществляется в течение нескольких пикосекунд. В результате образуется первичная радикальная пара (П680-Фео~). В течение следующих 200 пс происходит перенос электрона от Фео" на Q_a с образованием вторичной радикальной пары (Пб₈₀-Фео) — восстановленного Qa и окисленного П680

Третья стадия — восстановление пигмента. Окисленный пигмент П680 имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал (+1,12 В) и является очень активным окислителем, который может вызвать окислительную де­струкцию окружающих структур. Донором электрона для П680 нормальных физиологических условиях является тирозин Z, для которого источником элек­трона служит сложная система фотоокисления воды. В фотоокислении воды в восстановлении П680 участвует тирозин D, цитохром в₅₅₉, Хл₂, β-каротин.

.Компоненты ЭТЦ хлоропластов, их природа и физико-химические свойства

Электрон-транспортная цепь — это цепь редокс-агентов, определенным образом расположенных в мембране хлоропластов, осуществляющих фотоин- дуцируемый транспорт электронов от воды к НАДФ⁺. Движу­щей силой транспорта электронов по ЭТЦ фотосинтеза являются окислитель­но-восстановительные реакции в реакционных центрах (РЦ) двух фотосистем (ФС). Первичное разделение зарядов в РЦ ФС1 приводит к образованию сильного восстановителя А~, окислительно-восстановительный потенциал кото­рого обеспечивает восстановление НАДФ⁺ через цепь промежуточных пере­носчиков. В РЦ ФС2 фотохимические реакции ведут к образованию сильного окислителя П680, который вызывает ряд окислительно-восстановительных ре­акций, приводящих к окислению воды и выделению кислорода. Восстановле­ние П700, образованного в РЦ ФС1, происходит за счет электронов, мобили­зованных из воды фотосистемой II, при участии промежуточных переносчи­ков электронов (пластохинонов, редокс-кофакторов цитохромного комплекса и пластоцианина). В отличие от первичных фотоиндуцированных реакций раз­деления зарядов в реакционных центрах, идущих против термодинамического градиента, перенос электрона на других участках ЭТЦ идет по градиенту окис­лительно-восстановительного потенциала и сопровождается высвобождением энергии, которая используется на синтез АТФ.

ЭТЦ хлоропластов включает ряд переносчиков, общих для всех типов редокс-цепей живых организмов. К ним относятся цитохромы, железосерные белки, хиноны, флавиновые ферменты и пиридиннуклеотиды. Вмес­те с тем в ЭТЦ хлоропластов входят специфические переносчики электронов, такие как циклические тетрапирролы (хлорофиллы реакционных центров, феофитин), марганецсодержащий кластер, осуществляющий окисление воды, некоторые аминокислотные остатки белков (тирозин в ФСИ) и медьсодержа­щий белок пластоцианин.

Редокс-агенты ЭТЦ хлоропластов включены в состав трех интегральных мультипептидных комплексов, расположенных в мембранах тилакоидов, — ФС1, ФС2 и цитохромный 6₆/f-комплекс. Кроме того, некоторые компоненты ЭТЦ свободно перемещаются по поверхности мембраны (пластоцианин, ферредоксин) или в ее толще мембраны (пластохиноны) и осуществляют связь между функцио­нальными комплексами. Ниже дана краткая характеристика редокс-компонентов ЭТЦ хлоропластов.

Цитохромы в ЭТЦ хлоропластов представлены двумя цитохромами группы Ъ {цитохром Ь₅₅₉ и цитохром й₅₆₃, или цитохром 6₆) и цитохромом f Каждый из двух цитохромов группы Ъ найден в хлоропластах в виде двух редокс-форм — низкопотенциальной (L) и высокопотенциальной (Н). Железосерные белки. В ЭТЦ хлоропластов входят 3 железосерных центра, содержащих [4Fe-4S]-кластеры Fх, Fа и F_B, и 2 белка с [2Fe-2S] — ферредоксин (ФД) и центр Риске. Железосерные кластеры Fх, Fа и F_B и ферредоксин отличаются низкими окислительно-восстановительными потенциала­ми (от -0,7 В до -0,42 В). Они участвуют в восстановлении НАДФ⁺ в ФС1. Центр Риске имеет необычно высокий для железосерных белков окислитель­но-восстановительный потенциал (около +0,3 В). Он находится в цитохромном в₆/-комплексе и осуществляет окисление пластохинолов.

Хиноны. Представители двух групп хинонов — пластохино­ны и филлохинон включены в ЭТЦ фотосинтеза. Филлохинон (витамин К) — переносчик электронов на акцепторной стороне ФС1 (А1, участвует в переносе электронов от первичного акцептора электронов. Имеет очень низкий окислительно-восстановитель­ный потенциал (около -0,8 В). Пластохиноны (PQ) осуществляют транспорт электронов на акцепторной стороне ФС2 (Q_A и Q_B), а также между комплек­сом ФСИ и цитохромysv комплексом в составе пула пластохинонов. Окисли­тельно-восстановительный потенциал пластохинонов близок к нулю.

Фермент фер­редоксин-НАДФ-оксидоредуктаза (ФНР) содержит в качестве редокс-кофактора ФАД. Восстанавливает НАДФ⁺ в ФС1. Электроны для восстановления полу­чает от восстановленного ферредоксина (ФД). Окислительно-восстановитель­ный потенциал равен -0,36 В.

Пластоцианин (Пц) — водорастворимый белок, содержащий 1 атом меди. Осуществляет перенос электронов по одноэлектронному типу, причем атом меди изменяет свою валентность (Си⁺ Си 2⁺). Окислительно-восстановительный потенциал Пц равен +0,37 В. Пц восстанавливает окисленный пигмент РЦ ФС1 П700 и окисляет цитохром b₆ цитохромного комплекса хлоропластов.

Марганецсодержащий кластер (Мп-кластер). Располагается в комплексе ФС2 и образует систему окисления воды (S). Кластер включает 4 атома мар­ганца, валентность которых меняется в ходе индуцируемых светом окисли­тельно-восстановительных реакций. Окислительно-восстановительный потен­циал максимально окисленного кластера около +0,9 В. Мп-кластер окисляет воду с образованием молекулярного кислорода.

Электроны от Mn-кластера передаются на Пб₈₀ через промежуточный пере­носчик электронов (Tyr_z) — остаток тирозина (Туг-161) белка D1 ФС2. Окис­лительно восстановительные реакции идут с образованием нейтрального ра­дикала тирозина.

Тетрапиррольные переносчики электронов — уникальные компоненты ЭТЦ хлоропластов. Они являются первичными донорами и первичными акцептора­ми электронов в реакционных центрах ФС1 и ФСИ. Окислительно-восстанови­тельные реакции циклических тетрапирролов сопровождаются образованием заряженных радикалов.

Z-схема фотосинтеза. Нециклический, циклический, псевдоциклический транспорт электронов в хлоропластах

Последовательность расположения редокс-агентов в ЭТЦ хлоропластов в соответствии с их окислительно-восстановительным потенциалом и данными по их локализации в комплексах отражает Z-схема фотосинтеза. Согласно Z-схеме, существует последовательный перенос электронов от ФСИ к ФС1 и две фотосистемы объединяются в единую цепь переноса электронов от воды к НАДФ⁺. Представление о существовании в хлоропластах двух фото­систем и их совместной последовательной работе впервые возникло в 1940-е гг. на основании опытов лаборатории Р. Эмерсона, обнаруживших эффект крас­ного падения квантового выхода фотосинтеза при освещении хлоропластов мо­нохроматическим дальним красным светом 680 -700 нм, возбуждающим толь­ко ФС1, и эффект усиления квантового выхода фотосинтеза при добавлении к дальнему красному свету подсветки с длиной волны около 650 нм (возбужда­ющей ФСК). Позднее было показано, что в хлоропластах транспорт электро­нов возможен не только от воды к НАДФ⁺ с участием двух фотосистем, но и другие альтернативные пути с участием лишь одной из двух фотосистем. Кроме того, конечным акцептором электронов в ЭТЦ фотосинтеза вместо НАДФ⁺ может выступать молекулярный кислород. В настоящее время различают не­циклический, циклический и псевдоциклический транспорт электронов в хлоро­пластах.

Нециклический транспорт электронов — это перенос электронов от воды к НАДФ⁺, осуществляемый с участием двух фотосистем, цитохромного комплекса и промежуточных низкомолекулярных переносчиков — пула пластохинонов (PQ), пластоцианина (Пц), ферредоксина (ФД) и ферредоксин-НАДФоксидоредуктазы (ФНР). Он сопровождается выделением кислорода и восста­новлением НАДФ⁺. Сопряжен с синтезом АТФ (нециклическое фотофосфорилирование).

Циклический поток электронов осуществляют отдельно ФС1 или ФС2.

Циклический транспорт с участием ФС1

включает перенос электронов от восстановленного ферредоксина (ФД) обратно к окислен­ному П7оо- При этом участвует пул пластохинонов, цитохромный комплекс и особый фермент ФД-хиноноксидоредуктаза (FQR). Циклический

по­ток электронов с участием ФС1 сопряжен с синтезом АТФ (циклическое фотофосфорилирование) и может обеспечивать дополнительный синтез АТФ, необходимый для процессов ассимиляции углерода. Он может быть альтерна­тивным путем использования энергии.

Циклический поток электронов в ФС2 связан с обратным переносом электро­нов от восстановленных первичных хинонов Q_A и (или) Q_B к окисленному пиг­менту реакционного центра Пб₈₀. При этом

участвуют цитохром Ь₅₅₉, β-каротин и сопровождающие молекулы хлорофиллаaреакционного центра ФС2.Циклический поток электронов в ФС2 является альтернативным путем использования энергии света. Он активируется в условиях, когда интенсив­ность света превышает возможности ЭТЦ утилизировать его энергию или при повреждении водоокисляюшей системы хлоропластов.

Псевдоциклический поток электронов — перенос электронов от воды на кислород — впервые был исследован А. Мелером (Mehler, 1951) и назван его именем —реакция Мелера.

Восстановление кислорода может происходить как в ФС1, так и в ФС2. При этом поглощение кислорода может компенсировать его выделение в ходе фотоокисления Н₂0. В результате единственным продуктом этого процесса, как и в случае циклического потока электронов, будет АТФ, синтезируемая при псев­доциклическом фотофосфорилировании.

Псевдоциклический поток электронов приводит к образованию активных форм кислорода (супероксиданионрадикала O2-, перекиси водорода Н₂0₂), поэтому активация процесса может вызвать нарушения фотосинтетического аппарата. Этот альтернативный транспорт электронов активируется при высо­ких интенсивностях света в условиях дефицита в хлоропластах окисленного НАДФ⁺.

ФОТОФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Результатом переноса электронов по ЭТЦ является про­цесс трансформации энергии окисления гидрохинонов (QH2) в электрическую энер­гию — электрохимический градиент ионов Н⁺ на мембране тилакоида. Протонный градиент дополняется работой ФС2 по фотоокислению воды. Два протона при окислении молекулы воды освобождаются в полость тиллакоидов. При синтезе НАДФН один протон поглощается из стромы, увеличивая разность концентраций протонов на мембране. Дальнейшие энергетические превращения на мембране тилакоида уже осуществляются АТР-синтазным комплексом, в котором происходит трансформация градиента ионов Н⁺ в энергию макроэргической связи АТР.

АТФ- синтетазный комплекс Хлоропластный АТФ-синтазный комплекс принадлежит семейству АТФаз F1-типа, которые характерны также для бакте­рий и митохондрий. Комплекс продуцирует АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Для этого исполь­зуется энергия трапсмембраниого протонного градиента, генери­руемого при движении электронов по цепи электронного транспор­та за счет фотохимической трансформации световой энергии.

АТФ-синтазный комплекс состоит из двух частей: погру­женного в мембрану протонного канала CF₀ и энзиматического центра CF1, выступающего над поверхностью мембраны в сторону стромы. На последнем расположены места связывания АДФ и Фн. CF1 состоит из 5 субъединиц, α. β, у, ∆, ﻍ , которые являются поверхностными белками и прикрепляются к мембране со стороны стромы. Их стехиометрия 3:3:1:1:1. C.F₀ включает 4 субъ­единицы, suI-IV, в предполагаемой стехиометрии 1:1:9:1.

Представления о структурной организации субъединиц АТФ- синтазного комплекса в мембране были сформированы благодаря недавним успехам в применении методов ядерного магнитного резонанса и ренгено-структурного анализа. Активный фермент CF представлен в мембране в виде ансамбля статических частей и под­вижных, вращающихся, как для трансмембранных, так и поверх­ностных субъединиц. Статическая часть состоит из субъединиц I, II, IV CF₀ и α. β, ∆ CF1. К подвижной части относятся субъ­единицы CF1 у и ﻍ, также 9 копий субъединицы III CF₀.

Структура головки фермента установлена на основании данных, полученных при изучении бактериального и митохондриального комплексов. Головка представлена гексомерным кольцом из перемежающихся α и β –субъединиц. Таким образом, формируются три группы α. β, -гетеродимеров, которые могут принимать три нуклеотид-связывающие конформации: незаполненный, пустой сайт, АДФ/Р_|неорг и АТФ прочно связывающие сайты. Эти структур­ные особенности обеспечивают реализацию вращательного меха­низма, согласно которому центральная у- субъединица осуществляет вращение в пределах α. β, гексамера, проводя фермент через три последовательные конфигурации, необходимые для синтеза/ гидролиза АТФ. Часть у-субъединицы выступает ниже С-терминального домена а- и р-субъединиц. Выступающая часть y-субъединицы взаимодействует с CF₀ и дает вклад в ножку фермента, которая видна на электронных микрофотографиях, полученных при низком разрешении. Наиболее вероятно, что вклад CF₀ в ножку обеспечивается экспонированными в строму С-терми- нальными доменами двух гомологичных субъединиц I и

. Модель организации в мембране АТФ-синтетазного комплекса

II, которые заякорены в мембране одной N-терминальной а-спиралью. 5-субъединицу тоже считают частью ножки.

Имеются экспериментальные доказательства участия субъеди­ницы sil11 в связывание CF₀ с CF1|. Структурная организация этих трансмембранных компонентов CF₀ сектора ещё полностью не выяснена. Основываясь на данных по разрешенной структуре бак­териального гомолога suIII, предполагают, что эти субъединицы расположены в виде кольца. Это кольцо, как предполагают, вращается вокруг субъединицы IV CF₀, обеспечивая проводимость протонов.

Дата добавления: 2014-02-28; просмотров: 895; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!