Механизм аноксигенного фотосинтеза

Фотосинтез – это процесс преобразования световой энергии, приводящий к синтезу АТФ и образованию восстановителя (НАДФ∙Н₂), необходимого для фиксации СО₂, а также связанный с этим синтез клеточных компонентов.

Аноксигенный (бактериальный) фотосинтез существенно отличается от фотосинтеза высших растений:

1. Вода здесь не может служить донором водорода и поэтому такой фотосинтез не сопровождается выделением О₂.

2. В качестве доноров водорода используют Н₂S; Н₂ или органические соединения.

 

Фотосинтетический аппарат состоит из трех основных компонентов:

1. Светособирающие антенные комплексы – необходимы для улавливания света. Состоят из светособирающих пигментов, поглощающих энергию света, и передающие ее в реакционные центры. Функцию «антенны» выполняют пигменты: бактериохлорофиллы а, с, d, e, а также каротиноиды. У некоторых пурпурных бактерий, содержащих бактериохлорофилл в, он же выполняет функцию «антенны». Светособирающие пигменты организованы в виде комплексов с молекулами белков и локализованы или в ЦПМ и ее производных - тилакоидах (у пурпурных бактерий), или в хлоросомах (у зеленых бактерий), или в ЦПМ (у гелиобактерий).

2. Фотохимические реакционные центры (РЦ) – это трансмембранные белково-пигментные комплексы, локализованный в тилакоидах или ЦПМ. В РЦ происходит превращение электромагнитной формы энергии в химическую.

В состав РЦ входят первичный донор электронов, первичный акцептор электронов, вторичный акцептор электронов, вторичный донор электронов, а также каротиноиды и специфические белки.

Первичным донором электронов всегда является длинноволновая форма бактериохлорофилла.

Первичный акцептор электронов различен у разных групп фототрофных бактерий: может быть бхл с (у зеленых серных), бактериофеофитин а или в (у пурпурных серных и несерных).

Природа вторичного акцептора электронов также различна у разных групп: может быть убихинон, или менахинон (как у пурпурных бактерий) или железосероцентры (у зеленых серных бактерий). Их может быть один или более.

В роли вторичного донора электронов выступают цитохромы типа с.

3. Третий компонент фотосинтетического аппарата – это фотосинтетические электронтранспортные системы. Обеспечивают перенос электронов, сопряженный с запасанием энергии в молекулах АТФ. Состоит из переносчиков электронов – цитохромов. [Цитохромы – это белки, содержащие железопорфириновые простетические группы] Электронтранспортные цепи локализованы в мембранах (тилакоидах или ЦПМ).

 

Рассмотрим механизм фотосинтеза у пурпурных бактерий.

Светособирающие пигменты у пурпурных бактерий: бхл с, d, e и каротиноиды поглощают энергию света, которая передается в реакционный центр на бактериохлорофилл а. Молекула бактериохлорофилла переходит в электронновозбужденное состояние и окисляется (подвергается фотоокислению), отдавая электрон через ряд других пигментов – первичных акцепторов (бактериохлорофилл, бактериофеофитин) на убихинон – вторичный акцептор электронов. Убихинон прочно связан с мембраной: длинный гидрофобный хвост удерживает убихинон в мембране.

(В пластидах у растений – пластохинон). [Хинон – это циклическое карбонильное соединение, содержит две карбоксильные группы.]

В результате фотоокисления молекула бактериохлорофилла вновь способна акцептировать электроны, (в ней образуется положительно заряженная «дырка», обладающая большим сродством к электронам). Восстановление молекулы бактериохлорофилла происходит за счет захвата электрона от ближайшего цитохрома с – это вторичный донор электронов (это переносчик электронов, является слабым донором электронов). Это предотвращает возвращение электрона на бактериохлорофилл.

Из РЦ высокоэнергетический электрон переносится свободной молекулой хинона на электоронтранспортную цепь, которая находится в непосредственной близости от РЦ. Различают циклический и нециклический пути передачи электронов по электоронтранспортной цепи.

Для пурпурных бактерий характерен циклический путь передачи электронов. В этом случае электрон передается через переносчики электронов по электоронтранспортной цепи и возвращается на «свое место» в молекуле бактериохлорофилла (теперь уже с низкой энергией). Фотосинтетический перенос электронов приводит к созданию трасмембранного электрохимического градиента протонов и последующему синтезу АТФ с помощью мембранного фермента АТФ-синтетазы. В процессе фотосинтеза энергия света преобразуется в электрохимическую, а затем в химическую форму энергии (образуется АТФ). Этот процесс называется фотофосфорилирование.

Кроме АТФ клетке необходим восстановитель для биосинтетических целей. Фототрофные бактерии в качестве источника С в основном используют СО₂. СО₂ восстанавливается до углеводов, белков, липидов, из которых затем строятся структурные компоненты клетки.

При циклическом переносе электронов (у пурпурных, зеленых нитчатых бактерий) для образования восстановителя НАД(Ф)∙Н₂ необходимы экзогенные доноры электронов. Для этих целей пурпурные бактерии используют cоединения серы: Н₂S, S, тиосульфат (S₂O₃^2ֿ), сульфит SO₃^{2 ֿ}, или H₂ или органические соединения. Электроны от экзогенных доноров переносятся на НАД⁺ (и ферредоксин), который восстанавливается до НАД∙Н₂. Перенос электронов происходит против электрохимического градиента за счет энергии, генерируемой в процессе циклического переноса. Затем НАД∙Н₂ превращается в НАД(Ф)∙Н₂ при помощи фермента трансгидрогеназы.

Нециклический путь переноса электронов встречается у зеленых бактерий. Он заключается в следующем: электрон, оторванный от молекулы бактериохлорофилла РЦ, не возвращается к ней, а передается на первичный акцептор (бактериофеофитин), затем передается через переносчики электоронтранспортной цепи на окисленный НАД⁺, который восстанавливается до НАД∙Н₂.

Но зеленые бактерии также нуждаются в экзогенных донорах электронов (Н₂S и др.) – для восстановления бактериохлорофилла реакционных центров.

 

Усвоение СО₂ у пурпурных бактерий происходит в цикле Кальвина – восстановительный пентозофосфатный цикл (как у зеленых растений). Акцептором СО₂ в этом цикле выступает активированная молекула пентозы (рибулозо-1,5-фосфат). Фермент рибулозодифосфаткарбоксилаза катализирует реакцию акцептирования пентозой СО₂ и последующее расщепление образовавшейся гексозы на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты, которые затем подвергаются серии последовательных ферментативных превращений, ведущих к образованию молекулы глюкозы.

У зеленых бактерий усвоение СО₂ происходит в цикле Арнона (восстановительный цикл трикарбоновых кислот). При этом СО₂ акцептируется органическими кислотами (ПВК, ФЕП), в результате образуется ЩУК (щавелевоуксусная кислота) – конечный продукт цикла.

Суммарную реакцию бактериального фотосинтеза при использовании сероводорода можно выразить следующим уравнением:

 

H₂S + 2 CO₂ + 2 H₂O → H₂SO₄ + 2 (CH₂O)

 

где (CH₂O) – обобщенная формула орг. в-ва, образуемого из СО₂.