Енергийни състояния на молекулата на хлорофила. Абсорбционни спектри и спектри на действие

Чрез изучаване на процес като фотосинтезакойто се активира от светлина, е важно да се определят спектрите на действие на този процес, за да се идентифицират участващите пигменти. Спектърът на действие е графика, показваща зависимостта на ефективността на изследвания процес от излагането на светлина с различни дължини на вълната.

Абсорбционен спектъре графика на относителното количество светлина, погълнато от пигмент като функция на различни дължини на вълната. На снимката се вижда фотосинтетичен спектър на действиеИ абсорбционен спектърза комбинирани фотосинтетични пигменти.

Обърнете внимание на голямото сходство на представените графики, което означава, че за поглъщането на светлина при фотосинтезаотговорни са пигментите и особено хлорофилът.

Възбуждане на хлорофила от светлина

Когато една молекула хлорофилили друг фотосинтетичен пигмент абсорбира светлина, се казва, че е влязъл в възбудено състояние. Светлинната енергия се използва за преместване на електрони на по-високо енергийно ниво. Светлинната енергия се улавя от хлорофила и се превръща в химическа енергия. Възбуденото състояние на хлорофила е нестабилно и неговите молекули се стремят да се върнат в нормалното си (стабилно) състояние. Например, ако прекараме светлина през разтвор на хлорофил и след това го наблюдаваме на тъмно, ще видим, че разтворът флуоресцира. Това се случва, защото излишната енергия на възбуждане се преобразува в светлина с по-голяма дължина на вълната (и по-ниска енергия), като останалата част от енергията се губи като топлина.

Възбудени електронисе връщат към нормалното си нискоенергийно състояние. В живо растение освободената енергия може да бъде прехвърлена към друга хлорофилна молекула (виж по-долу). В този случай възбуденият електрон може да се премести от молекулата на хлорофила към друга молекула, наречена акцептор на електрони. Тъй като електронът е отрицателно зареден, след като „напусне“ остава положително заредена „дупка“ в молекулата на хлорофила.

Процесът на отдаване на електрони се нарича окисляване, а процесът на тяхното придобиване е реставрация. Следователно хлорофилът се окислява и акцепторът на електрони се редуцира. Хлорофилът замества изгубените електрони с нискоенергийни електрони от други молекули, наречени донори на електрони.

Първите етапи на процеса на фотосинтезавключват движение както на енергия, така и на възбудени електрони между молекулите в фотосистемите, описани по-долу.

Историята на изучаването на фотосинтезата датира от август 1771 г., когато английският теолог, философ и любител натуралист Джоузеф Пристли (1733–1804) открива, че растенията могат да „коригират“ свойствата на въздуха, който променя състава си в резултат на горене или животинска дейност. Пристли показа, че в присъствието на растения „разваленият“ въздух отново става подходящ за изгаряне и поддържане на живота на животните.

В хода на по-нататъшни изследвания на Ingenhaus, Senebier, Saussure, Boussingault и други учени беше установено, че растенията, когато са осветени, отделят кислород и абсорбират въглероден диоксид от въздуха. Растенията синтезират органични вещества от въглероден диоксид и вода. Този процес се нарича фотосинтеза.

Робърт Майер, който открива закона за запазване на енергията, предполага през 1845 г., че растенията преобразуват енергията на слънчевата светлина в енергията на химичните съединения, образувани по време на фотосинтезата. Според него „слънчевите лъчи, разпространяващи се в космоса, се „улавят“ и съхраняват за по-късна употреба, ако е необходимо“. Впоследствие руският учен К.А. Тимирязев убедително доказва, че най-важната роля в използването на слънчевата светлина от растенията играят молекулите на хлорофила, присъстващи в зелените листа.

Въглехидратите (захарите), образувани по време на фотосинтезата, се използват като източник на енергия и строителен материал за синтеза на различни органични съединения в растенията и животните. Във висшите растения процесите на фотосинтеза протичат в хлоропласти, специализирани енергопреобразуващи органели на растителната клетка.

Схематично представяне на хлоропласт е показано на фиг. 1.

Под двойната обвивка на хлоропласта, състояща се от външна и вътрешна мембрана, има разширени мембранни структури, които образуват затворени везикули, наречени тилакоиди. Тилакоидните мембрани се състоят от два слоя липидни молекули, които включват макромолекулни фотосинтетични протеинови комплекси. В хлоропластите на висшите растения тилакоидите са групирани в grana, които са купчини тилакоиди с форма на диск, сплескани и плътно притиснати един към друг. Продължение на отделните тилакоиди на граната са изпъкналите от тях междузърнести тилакоиди. Пространството между мембраната на хлоропласта и тилакоидите се нарича строма. Стромата съдържа хлоропластни молекули РНК, ДНК, рибозоми, нишестени зърна, както и множество ензими, включително тези, които осигуряват усвояването на CO2 от растенията.

Изданието е изготвено с подкрепата на фирма Sushi E’xpress. Компанията "Sushi E'xpress" предоставя услуги за доставка на суши в Новосибирск. Поръчвайки суши от компанията Sushi E’xpress, вие бързо ще получите вкусно и здравословно ястие, приготвено от професионални готвачи с най-пресните съставки с най-високо качество. Посещавайки сайта на фирма Sushi E’xpress можете да се запознаете с цените и състава на предлаганите рулца, което ще ви помогне да вземете решение при избора на ястие. За заявка за доставка на суши се обадете на тел. 239-55-87

Светли и тъмни етапи на фотосинтезата

Според съвременните представи фотосинтезата е поредица от фотофизични и биохимични процеси, в резултат на които растенията синтезират въглехидрати (захари), използвайки енергията на слънчевата светлина. Многобройните етапи на фотосинтезата обикновено се разделят на две големи групи процеси - светла и тъмна фаза.

Светлинните етапи на фотосинтезата обикновено се наричат ​​набор от процеси, в резултат на които поради светлинна енергия се синтезират молекули на аденозин трифосфат (АТФ) и се образува редуциран никотинамид аденин динуклеотид фосфат (NADP H), съединение с висока настъпва намаляване на потенциала. Молекулите на АТФ действат като универсален източник на енергия в клетката. Известно е, че енергията на макроергичните (т.е. богати на енергия) фосфатни връзки на молекулата на АТФ се използва в повечето биохимични процеси, които консумират енергия.

Светлинните процеси на фотосинтеза протичат в тилакоидите, чиито мембрани съдържат основните компоненти на фотосинтетичния апарат на растенията - светлинни пигментно-протеинови и транспортни комплекси на електрони, както и АТФ синтазния комплекс, който катализира образуването на АТФ от аденозин дифосфат (ADP) и неорганичен фосфат (P i) (ADP + Ф i → ATP + H 2 O). По този начин, в резултат на светлинните етапи на фотосинтезата, енергията на светлината, погълната от растенията, се съхранява под формата на високоенергийни химични връзки на ATP молекули и силния редуциращ агент NADP H, които се използват за синтеза на въглехидрати в така наречените тъмни етапи на фотосинтезата.

Тъмните етапи на фотосинтезата обикновено се наричат ​​набор от биохимични реакции, в резултат на които атмосферният въглероден диоксид (CO 2) се абсорбира от растенията и се образуват въглехидрати. Цикълът на тъмните биохимични трансформации, водещи до синтеза на органични съединения от CO 2 и вода, се нарича цикъл на Калвин-Бенсън, кръстен на авторите, които имат решаващ принос в изследването на тези процеси. За разлика от електронния транспорт и АТФ синтазните комплекси, които се намират в тилакоидната мембрана, ензимите, които катализират "тъмните" реакции на фотосинтезата, се разтварят в стромата. Когато хлоропластната мембрана се разруши, тези ензими се измиват от стромата, в резултат на което хлоропластите губят способността си да абсорбират въглероден диоксид.

В резултат на трансформациите на редица органични съединения в цикъла на Калвин-Бенсън се образува молекула глицералдехид-3-фосфат от три молекули CO 2 и вода в хлоропласти с химична формула CHO-CHOH-CH 2 O–PO 3 2-. В този случай на една молекула CO 2, включена в глицералдехид-3-фосфат, се изразходват три молекули ATP и две молекули NADP H.

За синтеза на органични съединения в цикъла на Калвин-Бенсън, енергията, освободена по време на реакцията на хидролиза на високоенергийни фосфатни връзки на ATP молекули (реакция ATP + H 2 O → ADP + Ph i) и силният редукционен потенциал на NADP H Основната част от образуваните в хлоропласта молекули Глицералдехид-3-фосфат навлиза в цитозола на растителната клетка, където се превръща във фруктозо-6-фосфат и глюкозо-6-фосфат, които при по-нататъшни трансформации образуват захар фосфат, предшественик на захарозата. Нишестето се синтезира от глицералдехид-3-фосфатните молекули, останали в хлоропласта.

Преобразуване на енергия във фотосинтетични реакционни центрове

Фотосинтетичните енергопреобразуващи комплекси от растения, водорасли и фотосинтезиращи бактерии са добре проучени. Установен е химичният състав и пространствената структура на енерготрансформиращите протеинови комплекси и е изяснена последователността на процесите на енергийна трансформация. Въпреки разликите в състава и молекулярната структура на фотосинтетичния апарат, съществуват общи модели на процесите на преобразуване на енергия във фотореакционните центрове на всички фотосинтетични организми. Във фотосинтетичните системи от растителен и бактериален произход единствената структурна и функционална единица на фотосинтетичния апарат е фотосистема, който включва антена за събиране на светлина, фотохимичен реакционен център и свързани молекули - носители на електрони.

Нека първо разгледаме общите принципи на трансформация на енергията на слънчевата светлина, характерни за всички фотосинтетични системи, а след това ще се спрем по-подробно на примера за функционирането на фотореакционните центрове и електрон-транспортната верига на хлоропластите във висшите растения.

Антена за събиране на светлина (поглъщане на светлина, миграция на енергия към реакционния център)

Първият елементарен акт на фотосинтезата е абсорбцията на светлина от хлорофилни молекули или спомагателни пигменти, които са част от специален комплекс пигмент-протеин, наречен светлосъбираща антена. Антената за събиране на светлина е макромолекулен комплекс, предназначен да улавя ефективно светлината. В хлоропластите антенният комплекс съдържа голям брой (до няколкостотин) хлорофилни молекули и известно количество спомагателни пигменти (каротеноиди), здраво свързани с протеина.

При ярка слънчева светлина отделна молекула на хлорофила абсорбира светлинни кванти относително рядко, средно не повече от 10 пъти в секунда. Въпреки това, тъй като има голям брой хлорофилни молекули на фотореакционен център (200–400), дори при относително слаб интензитет на падаща върху листа светлина при условия на засенчване на растението, реакционният център се активира доста често. Ансамбълът от пигменти, които абсорбират светлината, по същество действа като антена, която поради доста големия си размер ефективно улавя слънчевата светлина и насочва енергията й към реакционния център. Сенколюбивите растения като правило имат по-голяма антена за събиране на светлина в сравнение с растенията, растящи при условия на висока светлина.

В растенията основните пигменти за събиране на светлина са хлорофилните молекули. аи хлорофил b, поглъщащи видима светлина с дължина на вълната λ ≤ 700–730 nm. Изолираните хлорофилни молекули абсорбират светлина само в две сравнително тесни ленти на слънчевия спектър: при дължини на вълните 660–680 nm (червена светлина) и 430–450 nm (синьо-виолетова светлина), което, разбира се, ограничава ефективността на използването на целия спектър от падаща слънчева светлина върху зелено листо.

Обаче спектралният състав на светлината, абсорбирана от антената за събиране на светлина, всъщност е много по-широк. Това се обяснява с факта, че спектърът на поглъщане на агрегирани форми на хлорофил, които са част от антената за събиране на светлина, се измества към по-дълги дължини на вълните. Заедно с хлорофила, антената за събиране на светлина включва помощни пигменти, които повишават ефективността на нейната работа поради факта, че те абсорбират светлина в тези области на спектъра, в които молекулите на хлорофила, основният пигмент на антената за събиране на светлина, абсорбират светят сравнително слабо.

В растенията спомагателни пигменти са каротеноиди, които абсорбират светлина в областта на дължината на вълната λ ≈ 450–480 nm; в клетките на фотосинтезиращите водорасли това са червени и сини пигменти: фикоеритрини в червени водорасли (λ ≈ 495–565 nm) и фикоцианини в синьо-зелени водорасли (λ ≈ 550–615 nm).

Абсорбцията на квант светлина от молекула на хлорофил (Chl) или спомагателен пигмент води до нейното възбуждане (електронът преминава на по-високо енергийно ниво):

Chl + hν → Chl*.

Енергията на възбудената хлорофилна молекула Chl * се прехвърля към молекули на съседни пигменти, които от своя страна могат да я прехвърлят към други молекули на антената за събиране на светлина:

Chl* + Chl → Chl + Chl*.

По този начин енергията на възбуждане може да мигрира през пигментната матрица, докато възбуждането в крайна сметка достигне фотореакционния център P (схематично представяне на този процес е показано на фиг. 2):

Chl* + P → Chl + P*.

Имайте предвид, че продължителността на съществуване на молекулите на хлорофила и други пигменти във възбудено състояние е много кратка, τ ≈ 10 –10 –10 –9 s. Следователно има известна вероятност по пътя към реакционния център P енергията на такива краткотрайни възбудени състояния на пигменти да бъде безполезно загубена - разсеяна в топлина или освободена под формата на светлинен квант (флуоресцентен феномен). В действителност обаче ефективността на миграцията на енергия към фотосинтетичния реакционен център е много висока. В случай, че реакционният център е в активно състояние, вероятността от загуба на енергия е, като правило, не повече от 10–15%. Тази висока ефективност на използване на слънчевата енергия се дължи на факта, че антената за събиране на светлина е силно подредена структура, която осигурява много добро взаимодействие на пигментите един с друг. Благодарение на това се постига висока скорост на пренос на енергия на възбуждане от молекули, които абсорбират светлина, към фотореакционния център. Средното време за „скок“ на енергията на възбуждане от един пигмент към друг, като правило, е τ ≈ 10 –12 –10 –11 s. Общото време на миграция на възбуждане към реакционния център обикновено не надвишава 10 –10 –10 –9 s.

Фотохимичен реакционен център (трансфер на електрони, стабилизиране на отделените заряди)

Съвременните идеи за структурата на реакционния център и механизмите на първичните етапи на фотосинтезата са предшествани от трудовете на A.A. Красновски, който откри, че в присъствието на донори и акцептори на електрони, молекулите на хлорофила, възбудени от светлина, могат обратимо да се редуцират (приемат електрон) и окисляват (отдават електрон). Впоследствие Кок, Вит и Дуйзенс откриват в растенията, водораслите и фотосинтезиращите бактерии специални пигменти от хлорофилна природа, наречени реакционни центрове, които се окисляват под действието на светлината и всъщност са първичните донори на електрони по време на фотосинтезата.

Фотохимичният реакционен център P е специална двойка (димер) от хлорофилни молекули, които действат като капан за енергията на възбуждане, блуждаеща през пигментната матрица на антената за събиране на светлина (фиг. 2). Точно както течността тече от стените на широка фуния към нейното тясно гърло, енергията на светлината, погълната от всички пигменти на светлосъбиращата антена, се насочва към реакционния център. Възбуждането на реакционния център инициира верига от по-нататъшни трансформации на светлинна енергия по време на фотосинтезата.

Последователността на процесите, протичащи след възбуждането на реакционния център P, и диаграмата на съответните промени в енергията на фотосистемата са схематично изобразени на фиг. 3.

Наред с димера на хлорофила Р, фотосинтетичният комплекс включва молекули на първичните и вторичните акцептори на електрони, които условно ще обозначим като А и В, както и първичния донор на електрони, молекулата D. Възбуденият реакционен център Р* има ниска афинитет към електрони и следователно лесно дарява на близкия първичен акцептор на електрони А:

D(P*A)B → D(P + A –)B.

По този начин, в резултат на много бърз (t ≈10–12 s) трансфер на електрони от P * към A, се осъществява вторият фундаментално важен етап от преобразуването на слънчевата енергия по време на фотосинтезата - разделяне на заряда в реакционния център. В този случай се образува силен редуциращ агент А – (донор на електрони) и силен окислител Р + (акцептор на електрони).

Молекулите P + и A – са разположени асиметрично в мембраната: в хлоропластите реакционният център P + е разположен по-близо до повърхността на мембраната, обърната към вътрешността на тилакоида, а акцепторът A – е разположен по-близо до външната страна. Следователно, в резултат на фотоиндуцираното разделяне на заряда, възниква разлика в електрическия потенциал на мембраната. Индуцираното от светлина разделяне на заряда в реакционния център е подобно на генерирането на електрическа потенциална разлика в конвенционална фотоклетка. Трябва обаче да се подчертае, че за разлика от всички известни и широко използвани в техниката енергийни фотопреобразуватели, ефективността на работа на фотосинтетичните реакционни центрове е много висока. Ефективността на разделяне на заряда в активните фотосинтетични реакционни центрове, като правило, надвишава 90–95% (най-добрите примери за слънчеви клетки имат ефективност не повече от 30%).

Какви механизми осигуряват такава висока ефективност на преобразуване на енергия в реакционните центрове? Защо електронът, прехвърлен към акцептора А, не се връща обратно в положително заредения окислен център P +? Стабилизирането на отделените заряди се осигурява главно поради вторични процеси на електронен транспорт след прехвърлянето на електрон от P* към A. От възстановения първичен акцептор A електронът много бързо (за 10–10–10–9 s) отива в вторичен електронен акцептор B:

D(P + A –)B → D(P + A)B – .

В този случай не само електронът се отдалечава от положително заредения реакционен център P +, но и енергията на цялата система значително намалява (фиг. 3). Това означава, че за да прехвърли електрон в обратна посока (преход B – → A), той ще трябва да преодолее доста висока енергийна бариера ΔE ≈ 0,3–0,4 eV, където ΔE е разликата в енергийните нива за двете състояния на система, в която електронът е съответно на носителя А или В. Поради тази причина, за да се върне електрона обратно, от редуцираната молекула В - към окислената молекула А, ще отнеме много повече време, отколкото за директния преход А - → B. С други думи, в посока напред електронът се пренася много по-бързо, отколкото в обратна посока. Следователно, след като електронът бъде прехвърлен към вторичния акцептор B, вероятността за връщането му обратно и рекомбинацията с положително заредената „дупка“ P + намалява значително.

Вторият фактор, допринасящ за стабилизирането на отделените заряди, е бързото неутрализиране на окисления фотореакционен център P + поради електрона, доставен на P + от донора на електрон D:

D(P + A)B – → D + (PA)B – .

След като е получил електрон от донорната молекула D и се е върнал в първоначалното си редуцирано състояние P, реакционният център вече няма да може да приеме електрон от редуцираните акцептори, но сега е готов да изстреля отново - да даде електрон на разположен до него окислен първичен акцептор А. Това е последователността от събития, които се случват във фотореакционните центрове на всички фотосинтетични системи.

Хлоропластна електротранспортна верига

В хлоропластите на висшите растения има две фотосистеми: фотосистема 1 (PS1) и фотосистема 2 (PS2), които се различават по състава на протеини, пигменти и оптични свойства. Антената за събиране на светлина FS1 абсорбира светлина с дължина на вълната λ ≤ 700–730 nm, а FS2 абсорбира светлина с дължина на вълната λ ≤ 680–700 nm. Индуцираното от светлина окисление на реакционните центрове на PS1 и PS2 е придружено от тяхното избелване, което се характеризира с промени в техните абсорбционни спектри при λ ≈ 700 и 680 nm. В съответствие с техните оптични характеристики, реакционните центрове на PS1 и PS2 бяха наречени P 700 и P 680.

Двете фотосистеми са свързани помежду си чрез верига от електронни носители (фиг. 4). PS2 е източник на електрони за PS1. Светлинно инициираното разделяне на заряда във фотореакционните центрове P 700 и P 680 осигурява прехвърлянето на електрон от вода, разложен в PS2, до крайния акцептор на електрони - молекулата NADP +. Електронно-транспортната верига (ETC), свързваща двете фотосистеми, включва молекули пластохинон, отделен електронно-транспортен протеинов комплекс (т.нар. b/f комплекс) и водоразтворимия протеин пластоцианин (P c) като носители на електрони. На фиг. 4.

В PS2, от възбудения център P* 680, един електрон се прехвърля първо към първичния акцептор феофетин (Phe), а след това към молекулата на пластохинона Q A, тясно свързана с един от PS2 протеините,

Y(P* 680 Phe)Q A Q B → Y(P + 680 Phe –)Q A Q B →Y(P + 680 Phe)Q A – Q B .

След това електронът се прехвърля към втора пластохинонова молекула QB и P 680 получава електрон от първичния електронен донор Y:

Y(P + 680 Phe)Q A – Q B → Y + (P 680 Phe)Q A Q B – .

Молекула на пластохинон, чиято химична формула и нейното местоположение в липидната двуслойна мембрана са показани на фиг. 5, е в състояние да приеме два електрона. След като реакционният център PS2 се запали два пъти, молекулата на пластохинона Q B ще получи два електрона:

Q B + 2е – → Q B 2– .

Отрицателно заредената Q B 2– молекула има висок афинитет към водородните йони, които улавя от стромалното пространство. След протониране на редуцирания пластохинон Q B 2– (Q B 2– + 2H + → QH 2) се образува електрически неутрална форма на тази молекула QH 2, която се нарича пластохинол (фиг. 5). Пластохинолът действа като мобилен носител на два електрона и два протона: след като напусне PS2, молекулата QH 2 може лесно да се движи вътре в тилакоидната мембрана, осигурявайки връзката на PS2 с други транспортни комплекси за електрони.

Окисленият реакционен център PS2 R 680 има изключително висок електронен афинитет, т.е. е много силен окислител. Благодарение на това PS2 разгражда водата, химически стабилно съединение. Комплексът за разделяне на водата (WSC), който е част от PS2, съдържа в активния си център група манганови йони (Mn 2+), които служат като донори на електрони за P680. Дарявайки електрони на окисления реакционен център, мангановите йони стават „акумулатори“ на положителни заряди, които участват пряко в реакцията на окисление на водата. В резултат на последователно четворно активиране на реакционния център P 680, четири силни окислителни еквивалента (или четири „дупки“) се натрупват в Mn-съдържащия активен център на VRC под формата на окислени манганови йони (Mn 4+), които , взаимодействайки с две водни молекули, катализират реакционната вода на разлагане:

2Mn 4+ + 2H 2 O → 2Mn 2+ + 4H + + O 2.

По този начин, след последователното прехвърляне на четири електрона от VRC към P 680, настъпва синхронно разлагане на две водни молекули наведнъж, придружено от освобождаване на една кислородна молекула и четири водородни йона, които навлизат в интратилакоидното пространство на хлоропласта.

Молекулата QH 2 пластохинол, образувана по време на функционирането на PS2, дифундира в липидния двоен слой на тилакоидната мембрана до b/f комплекса (фиг. 4 и 5). Когато срещне b/f комплекс, молекулата QH 2 се свързва с него и след това прехвърля два електрона към него. В този случай, за всяка молекула пластохинол, окислена от b/f комплекса, два водородни йона се освобождават вътре в тилакоида. На свой ред b/f комплексът служи като донор на електрони за пластоцианин (P c), сравнително малък водоразтворим протеин, чийто активен център включва меден йон (реакциите на редукция и окисление на пластоцианина са придружени от промени във валентността на меден йон Cu 2+ + e – ↔ Cu+). Пластоцианинът действа като връзка между b/f комплекса и PS1. Молекулата на пластоцианина бързо се придвижва вътре в тилакоида, осигурявайки трансфер на електрони от b/f комплекса към PS1. От редуцирания пластоцианин, електронът отива директно в окислените реакционни центрове на PS1 – P 700 + (виж фиг. 4). По този начин, в резултат на комбинираното действие на PS1 и PS2, два електрона от водната молекула, разложена в PS2, в крайна сметка се прехвърлят през електронната транспортна верига към NADP + молекулата, осигурявайки образуването на силния редуциращ агент NADP H.

Защо хлоропластите се нуждаят от две фотосистеми? Известно е, че фотосинтетичните бактерии, които използват различни органични и неорганични съединения (например H 2 S) като донор на електрони за възстановяване на окислени реакционни центрове, успешно функционират с една фотосистема. Появата на две фотосистеми най-вероятно се дължи на факта, че енергията на един квант видима светлина не е достатъчна, за да осигури разлагането на водата и ефективното преминаване на електрон по веригата от молекули носители от вода до NADP +. Преди около 3 милиарда години на Земята се появиха синьо-зелени водорасли или цианобактерии, които придобиха способността да използват водата като източник на електрони за намаляване на въглеродния диоксид. В момента се смята, че PS1 произхожда от зелени бактерии, а PS2 от лилави бактерии. След като по време на еволюционния процес PS2 беше „включен“ в една верига за пренос на електрони заедно с PS1, стана възможно да се реши енергийният проблем - да се преодолее доста голямата разлика в редокс потенциалите на двойките кислород/вода и NADP + / NADP H. Появата на фотосинтезиращи организми, способни да окисляват водата, се превърна в един от най-важните етапи в развитието на живата природа на Земята. Първо, водораслите и зелените растения, след като са се „научили“ да окисляват водата, са усвоили неизчерпаем източник на електрони за редуциране на NADP +. Второ, чрез разграждането на водата те изпълват земната атмосфера с молекулярен кислород, създавайки условия за бързо еволюционно развитие на организми, чиято енергия е свързана с аеробно дишане.

Свързване на процесите на транспорт на електрони с трансфер на протони и синтез на АТФ в хлоропластите

Преносът на електрони през ETC обикновено е придружен от намаляване на енергията. Този процес може да се оприличи на спонтанно движение на тяло по наклонена равнина. Намаляването на енергийното ниво на електрона по време на неговото движение по ETC изобщо не означава, че трансферът на електрони винаги е енергийно безполезен процес. При нормални условия на функциониране на хлоропласта по-голямата част от енергията, освободена по време на транспорта на електрони, не се губи безполезно, а се използва за работата на специален енергопреобразуващ комплекс, наречен АТФ синтаза. Този комплекс катализира енергийно неблагоприятния процес на образуване на АТФ от ADP и неорганичен фосфат P i (реакция ADP + P i → ATP + H 2 O). В тази връзка е обичайно да се казва, че процесите на енергоотдаване на електронен транспорт са свързани с енергийно-акцепторните процеси на синтеза на АТФ.

Най-важната роля в осигуряването на енергийно свързване в тилакоидните мембрани, както във всички други енергопреобразуващи органели (митохондрии, хроматофори на фотосинтезиращи бактерии), играят процесите на транспортиране на протони. Синтезът на АТФ е тясно свързан с прехвърлянето на три протона от тилакоидите (3Н в +) към стромата (3Н навън +) чрез АТФ синтаза:

ADP + Ф i + 3H in + → ATP + H 2 O + 3H out + .

Този процес става възможен, тъй като поради асиметричното подреждане на носителите в мембраната, функционирането на ETC на хлоропластите води до натрупване на излишно количество протони вътре в тилакоида: водородните йони се абсорбират отвън на етапите на NADP + редукция и образуване на пластохинол и се освобождават вътре в тилакоидите на етапите на разлагане на водата и окисление на пластохинол (фиг. 4). Осветяването на хлоропластите води до значително (100-1000 пъти) увеличение на концентрацията на водородни йони вътре в тилакоидите.

И така, ние разгледахме веригата от събития, по време на които енергията на слънчевата светлина се съхранява под формата на енергия на високоенергийни химични съединения - ATP и NADP H. Тези продукти от светлия етап на фотосинтезата се използват в тъмните етапи за образуване на органични съединения (въглехидрати) от въглероден диоксид и вода. Основните етапи на преобразуване на енергия, водещи до образуването на ATP и NADP H, включват следните процеси: 1) абсорбция на светлинна енергия от пигменти на антената за събиране на светлина; 2) прехвърляне на енергия на възбуждане към фотореакционния център; 3) окисляване на фотореакционния център и стабилизиране на отделените заряди; 4) пренос на електрони по електротранспортната верига, образуване на NADP H; 5) трансмембранен пренос на водородни йони; 6) Синтез на АТФ.

1. Албъртс Б., Брей Д., Луис Дж., Робъртс К., Уотсън Дж.Молекулярна биология на клетките. Т. 1. – М.: Мир, 1994. 2-ро изд.
2. Кукушкин А.К., Тихонов А.Н.Лекции по биофизика на фотосинтезата на растенията. – М.: Издателство на Московския държавен университет, 1988 г.
3. Никълс Д.Д.Биоенергия. Въведение в хемиосмотичната теория. – М.: Мир, 1985.
4. Скулачев В.П.Енергия на биологичните мембрани. – М.: Наука, 1989.

Как енергията на слънчевата светлина се преобразува в светлата и тъмната фаза на фотосинтезата в енергията на химичните връзки на глюкозата? Обяснете отговора си.

Отговор

В светлинната фаза на фотосинтезата енергията на слънчевата светлина се преобразува в енергията на възбудените електрони, а след това енергията на възбудените електрони се преобразува в енергията на АТФ и NADP-H2. В тъмната фаза на фотосинтезата енергията на АТФ и NADP-H2 се преобразува в енергията на химичните връзки на глюкозата.

Какво се случва по време на светлинната фаза на фотосинтезата?

Отговор

Електроните на хлорофила, възбудени от светлинна енергия, пътуват по вериги за транспортиране на електрони, тяхната енергия се съхранява в ATP и NADP-H2. Настъпва фотолиза на водата и се освобождава кислород.

Какви основни процеси протичат по време на тъмната фаза на фотосинтезата?

Отговор

От въглероден диоксид, получен от атмосферата, и водород, получен в светлинната фаза, се образува глюкоза поради енергията на АТФ, получена в светлинната фаза.

Каква е функцията на хлорофила в растителната клетка?

Отговор

Хлорофилът участва в процеса на фотосинтеза: в светлинната фаза хлорофилът абсорбира светлина, хлорофилният електрон получава светлинна енергия, откъсва се и преминава по веригата за транспортиране на електрони.

Каква роля играят електроните на хлорофилните молекули във фотосинтезата?

Отговор

Електроните на хлорофила, възбудени от слънчевата светлина, преминават през електронните транспортни вериги и предават енергията си за образуването на ATP и NADP-H2.

На кой етап от фотосинтезата се образува свободен кислород?

Отговор

В светлинната фаза, по време на фотолизата на водата.

По време на коя фаза на фотосинтезата се извършва синтеза на АТФ?

Отговор

Предсветлинна фаза.

Какво вещество служи като източник на кислород по време на фотосинтеза?

Отговор

Вода (по време на фотолизата на водата се отделя кислород).

Скоростта на фотосинтезата зависи от ограничаващи фактори, включително светлина, концентрация на въглероден диоксид и температура. Защо тези фактори са ограничаващи реакциите на фотосинтезата?

Отговор

Светлината е необходима за възбуждане на хлорофила, тя доставя енергия за процеса на фотосинтеза. Въглеродният диоксид е необходим в тъмната фаза на фотосинтезата; от него се синтезира глюкоза. Температурните промени водят до денатурация на ензимите и фотосинтетичните реакции се забавят.

При какви метаболитни реакции в растенията въглеродният диоксид е изходен материал за синтеза на въглехидрати?

Отговор

В реакции на фотосинтеза.

Процесът на фотосинтеза протича интензивно в листата на растенията. Среща ли се в зрели и неузрели плодове? Обяснете отговора си.

Отговор

Фотосинтезата се извършва в зелените части на растенията на светлина. По този начин фотосинтезата се извършва в кожата на зелените плодове. Фотосинтезата не се извършва вътре в плода или в кожата на зрели (не зелени) плодове.

Структурата на хлорофила е много добре адаптирана да служи като посредник във фотохимичните процеси по време на фотосинтезата. Хлорофилът е добър сенсибилизатор- лесно се възбужда при поглъщане на светлина и има способността да пренася енергия (служи като донор на енергия) към други молекули (акцептори на енергия).

В порфириновото ядро ​​молекулата на хлорофила се редува. Тази система от 18 конюгирани двойни връзки служи като основен хромофор и е отговорна за селективното поглъщане на светлинна енергия.

Времето на живот на възбудено състояние на хлорофилните молекули може да бъде 10 -8 s. Най-стабилните състояния на атомите са тези, при които валентните електрони заемат най-ниските енергийни нива и са разпределени по тях според принципа на Паули, т.е. общият спин на всички електрони на атома е 0. Това състояние се нарича основно състояние синглет(С= 0).

Ако броят на електроните в един атом е четен, но спиновете на два електрона са успоредни, тогава общият спин е 1 ( С= 1), такова състояние се нарича триплет.Играе основна роля в светлинните реакции на фотосинтезата. синглетно възбудено състояние.

Ако при поглъщане на светлинен квант спиновете на електрона останат антипаралелни, молекулата на хлорофила преминава в синглетно възбудено състояние ( С 1 или С 2). Единично възбудено състояние С 2 е много нестабилен, електронът бързо (в рамките на 10 -12 s) губи част от енергията под формата на топлина и отива на по-ниско ниво ( С 1), където може да остане за 10 -9 - 10 -8 s. Връщането на молекулата на хлорофила в първоначалното й състояние може да стане по няколко начина.

Първо, отдавайки част от енергията под формата на топлина и излъчвайки квант светлина, молекулата може да премине в основно състояние ( С 0). Това явление се нарича флуоресценция. Дължината на вълната на флуоресценцията е по-дълга от съответната дължина на вълната на абсорбция.

Второ, в единично възбудено състояние С 1 може да настъпи промяна в знака на въртенето на електрона и молекулата на хлорофила да стане метастабилна триплетно състояние(T), който има много по-дълъг живот - около 10 -5 - 10 -3 s. Според принципа на Паули не може да има два електрона с еднакви спинове на едно и също енергийно ниво. Това не позволява на възбуден електрон в триплетно състояние да заеме електронна „дупка“ на основното енергийно ниво ( С 0), докато знакът за въртене се промени.

От триплетното състояние молекулата може да се върне в основното енергийно състояние, излъчвайки светлинен квант с по-дълги дължини на вълната, отколкото по време на флуоресценция. Това сияние се нарича фосфоресценция.

Трето,Енергията на синглетното възбудено състояние на молекулата на хлорофила може да се използва по време на фотосинтезата във фотохимични реакции и да се трансформира в енергията на химичните връзки на органичните съединения.

- синтез на органични вещества от въглероден диоксид и вода със задължително използване на светлинна енергия:

6CO 2 + 6H 2 O + Q светлина → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

При висшите растения органът на фотосинтезата е листът, а органелите на фотосинтезата са хлоропластите (устройство на хлоропластите – лекция No7). Мембраните на хлоропластните тилакоиди съдържат фотосинтетични пигменти: хлорофили и каротеноиди. Има няколко различни вида хлорофил ( a, b, c, d), основният е хлорофилът а. В молекулата на хлорофила може да се различи порфиринова „глава” с магнезиев атом в центъра и фитолова „опашка”. Порфириновата „глава“ е плоска структура, хидрофилна е и следователно лежи върху повърхността на мембраната, която е обърната към водната среда на стромата. Фитоловата “опашка” е хидрофобна и благодарение на това задържа хлорофилната молекула в мембраната.

Хлорофилите абсорбират червената и синьо-виолетовата светлина, отразяват зелената и следователно придават на растенията техния характерен зелен цвят. Молекулите на хлорофила в тилакоидните мембрани са организирани в фотосистеми. Растенията и синьо-зелените водорасли имат фотосистема-1 и фотосистема-2, докато фотосинтезиращите бактерии имат фотосистема-1. Само фотосистема-2 може да разложи водата, за да освободи кислород и да вземе електрони от водорода на водата.

Фотосинтезата е сложен многоетапен процес; реакциите на фотосинтезата се делят на две групи: реакции светлинна фазаи реакции тъмна фаза.

Светлинна фаза

Тази фаза протича само при наличие на светлина в тилакоидните мембрани с участието на хлорофил, електронтранспортни протеини и ензима АТФ синтетаза. Под въздействието на квант светлина електроните на хлорофила се възбуждат, напускат молекулата и навлизат във външната страна на тилакоидната мембрана, която в крайна сметка става отрицателно заредена. Окислените хлорофилни молекули се редуцират, отнемайки електрони от водата, разположена в интратилакоидното пространство. Това води до разграждане или фотолиза на водата:

H 2 O + Q светлина → H + + OH - .

Хидроксилните йони се отказват от своите електрони, превръщайки се в реактивни радикали. OH:

OH - → .OH + e - .

OH радикалите се комбинират, за да образуват вода и свободен кислород:

4НЕ. → 2H 2 O + O 2.

В този случай кислородът се отстранява във външната среда и протоните се натрупват вътре в тилакоида в „протонния резервоар“. В резултат на това тилакоидната мембрана, от една страна, се зарежда положително поради Н +, а от друга, поради електроните, се зарежда отрицателно. Когато потенциалната разлика между външната и вътрешната страна на тилакоидната мембрана достигне 200 mV, протоните се изтласкват през ATP синтетазните канали и ADP се фосфорилира до ATP; Атомният водород се използва за възстановяване на специфичния носител NADP + (никотинамид аденин динуклеотид фосфат) до NADPH 2:

2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.

По този начин в светлинната фаза настъпва фотолиза на водата, която е придружена от три важни процеса: 1) синтез на АТФ; 2) образуването на NADPH 2; 3) образуването на кислород. Кислородът дифундира в атмосферата, ATP и NADPH 2 се транспортират в стромата на хлоропласта и участват в процесите на тъмната фаза.

1 - строма на хлоропласт; 2 - грана тилакоид.

Тъмна фаза

Тази фаза настъпва в стромата на хлоропласта. Неговите реакции не изискват светлинна енергия, така че протичат не само на светло, но и на тъмно. Реакциите на тъмната фаза са верига от последователни трансформации на въглероден диоксид (идващ от въздуха), водещи до образуването на глюкоза и други органични вещества.

Първата реакция в тази верига е фиксирането на въглероден диоксид; Акцепторът на въглероден диоксид е захар с пет въглерода. рибулоза бифосфат(RiBF); ензимът катализира реакцията Рибулоза бифосфат карбоксилаза(RiBP карбоксилаза). В резултат на карбоксилирането на рибулозния бифосфат се образува нестабилно шествъглеродно съединение, което веднага се разпада на две молекули фосфоглицеринова киселина(FGK). След това възниква цикъл от реакции, при които фосфоглицериновата киселина се превръща чрез серия от междинни продукти в глюкоза. Тези реакции използват енергията на ATP и NADPH 2, образувани в светлинната фаза; Цикълът на тези реакции се нарича "цикъл на Калвин":

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

В допълнение към глюкозата, по време на фотосинтезата се образуват и други мономери на сложни органични съединения - аминокиселини, глицерол и мастни киселини, нуклеотиди. Понастоящем има два вида фотосинтеза: С 3 - и С 4 фотосинтеза.

С 3-фотосинтеза

Това е вид фотосинтеза, при която първият продукт е тривъглеродни (C3) съединения. С 3 фотосинтезата е открита преди С 4 фотосинтезата (М. Калвин). Това е C 3 фотосинтезата, която е описана по-горе, под заглавието „Тъмна фаза“. Характеристики на С3 фотосинтезата: 1) акцепторът на въглеродния диоксид е RiBP, 2) реакцията на карбоксилиране на RiBP се катализира от RiBP карбоксилаза, 3) в резултат на карбоксилирането на RiBP се образува съединение с шест въглерода, което се разлага на два PGA. ФГК се възстановява на триозофосфати(TF). Част от TF се използва за регенерирането на RiBP, а част се превръща в глюкоза.

1 - хлоропласт; 2 - пероксизома; 3 - митохондрии.

Това е зависима от светлината абсорбция на кислород и освобождаване на въглероден диоксид. В началото на миналия век е установено, че кислородът потиска фотосинтезата. Както се оказа, за RiBP карбоксилаза субстратът може да бъде не само въглероден диоксид, но и кислород:

O 2 + RiBP → фосфогликолат (2C) + PGA (3C).

Ензимът се нарича RiBP оксигеназа. Кислородът е конкурентен инхибитор на фиксирането на въглероден диоксид. Фосфатната група се отделя и фосфогликолатът става гликолат, който растението трябва да използва. Той навлиза в пероксизомите, където се окислява до глицин. Глицинът навлиза в митохондриите, където се окислява до серин, със загуба на вече фиксиран въглерод под формата на CO2. В резултат на това две молекули гликолат (2C + 2C) се превръщат в една PGA (3C) и CO 2. Фотодишането води до намаляване на добива на растения С3 с 30-40% ( С 3 растения- растения, характеризиращи се с С 3 фотосинтеза).

C4 фотосинтезата е фотосинтеза, при която първият продукт е четиривъглеродни (C4) съединения. През 1965 г. е установено, че в някои растения (захарна тръстика, царевица, сорго, просо) първите продукти на фотосинтезата са четиривъглеродни киселини. Тези растения бяха наречени С 4 растения. През 1966 г. австралийските учени Hatch и Slack показаха, че C4 растенията практически нямат фотодишане и абсорбират въглеродния диоксид много по-ефективно. Пътят на въглеродните трансформации в С4 растенията започва да се нарича от Hatch-Slack.

С 4 растенията се характеризират със специална анатомична структура на листа. Всички съдови снопове са заобиколени от двоен слой клетки: външният слой е мезофилни клетки, вътрешният слой е обвивни клетки. Въглеродният диоксид се фиксира в цитоплазмата на мезофилните клетки, акцепторът е фосфоенолпируват(PEP, 3C), в резултат на карбоксилиране на PEP се образува оксалоацетат (4C). Процесът се катализира PEP карбоксилаза. За разлика от RiBP карбоксилазата, PEP карбоксилазата има по-голям афинитет към CO 2 и, най-важното, не взаимодейства с O 2 . Мезофилните хлоропласти имат много зърна, където активно протичат светлинни фазови реакции. Реакциите на тъмната фаза протичат в хлоропластите на обвивните клетки.

Оксалоацетатът (4C) се превръща в малат, който се транспортира през плазмодесмата в клетките на обвивката. Тук той се декарбоксилира и дехидрогенира до образуване на пируват, CO 2 и NADPH 2 .

Пируватът се връща в клетките на мезофила и се регенерира с помощта на енергията на АТФ в PEP. CO 2 отново се фиксира от RiBP карбоксилаза, за да се образува PGA. Регенерирането на PEP изисква ATP енергия, така че изисква почти два пъти повече енергия от С3 фотосинтезата.

Значението на фотосинтезата

Благодарение на фотосинтезата милиарди тонове въглероден диоксид се абсорбират от атмосферата всяка година и се отделят милиарди тонове кислород; фотосинтезата е основният източник на образуване на органични вещества. Кислородът образува озоновия слой, който предпазва живите организми от късовълнова ултравиолетова радиация.

По време на фотосинтезата зеленото листо използва само около 1% от слънчевата енергия, която пада върху него, производителността е около 1 g органична материя на 1 m2 повърхност на час.

Хемосинтеза

Синтезът на органични съединения от въглероден диоксид и вода, извършван не поради енергията на светлината, а поради енергията на окисление на неорганични вещества, се нарича хемосинтеза. Хемосинтезиращите организми включват някои видове бактерии.

Нитрифициращи бактерииамонякът се окислява до азотиста и след това до азотна киселина (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Железни бактериипревръщат двувалентното желязо в железен оксид (Fe 2+ → Fe 3+).

Серни бактерииокисляват сероводорода до сяра или сярна киселина (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

В резултат на окислителните реакции на неорганичните вещества се освобождава енергия, която се съхранява от бактериите под формата на високоенергийни АТФ връзки. АТФ се използва за синтеза на органични вещества, който протича подобно на реакциите на тъмната фаза на фотосинтезата.

Хемосинтетичните бактерии допринасят за натрупването на минерали в почвата, подобряват плодородието на почвата, насърчават пречистването на отпадъчни води и др.

Отидете на лекции No11„Концепцията за метаболизма. Биосинтеза на протеини"

Отидете на лекции No13„Методи на делене на еукариотни клетки: митоза, мейоза, амитоза“