NB! Молекула, отдающая протон или электрон, окисляется (донор), а молекула, воспри­нимающая протон или электрон, восстанавливается (акцептор).

Различают два типа потока электронов — циклический и нециклический, соответственно этому – циклическое и нециклическое фотофосфорилирование.

Процесс преоб­разования энергии света в энергию АТФ получил название фотосинтетического фосфорилирования (Д. Арнон).

При нециклическом потоке электронов принимают участие две фотосистемы. Энергия квантов света стекается к молекуле пигмента П₇₀₀, который входит в состав РЦ ФС I (фотосистема I).

Слайд 1. Электрон в молекуле П₇₀₀ Фотосистемы I переходит на более высокий энергетический уровень (S*₁). При поглощении кванта света молекула П₇₀₀ переходит в возбужденное состояние

2. и легко отдает электрон первичному акцептору (фотохимическая реакция). Отдавая электрон, молекула П₇₀₀ окисляется и остается в виде положительно заряженной молекулы

Хл + hv→ Хл*, Хл* → (Хл)⁺ + ē, где

Хл* — возбужденная форма хлорофилла, (Хл)⁺ — окисленная форма хлоро­филла.

 

3. Электрон с первичного акцептора – хло­рофилла а, передвигается через ряд переносчиков, расположенных в порядке возрастания окислительно-восстановилельного (О/В) потенциала.

4. Первичный акцептор, воспринимающий электрон от П₇₀₀, передает электрон на вторичные акцепторы – железосерные белки.

5. Следующим переносчиком является железосодержащий белок ферредоксин (Е₀—0,43), от которого электрон переносится

6. конечный акцептор НАДФ (Е₀—0,32). Этот перенос осу­ществляется с помощью специфического белка-фермента (ферредоксин НАДФ-редуктазы), коферментом которого является флавинадениндинуклеотид (ФАД).

Слайд Отдав электрон, П₇₀₀ остается в виде ионизированной молекулы и является акцептором электронов. Источником электрона, за­полняющего эту «дырку», является фотосистема II. Она ответственна за реакции, связанные с разложением воды и выделением кислорода.

Слайд В состав реакционного центра Фотосистемы II входит хлорофилл а, погло­щающий свет с длиной волны — λ₆₈₀ (П₆₈₀).

Слайд 1. Под влиянием поглощенного кванта света возбужденный электрон от П₆₈₀ воспринимается первичным акцептором и передается дальше по цепи переносчиков.

Образовавшаяся электронная «дыр­ка» в молекуле П₆₈₀ действует как сильный окислитель и через ряд переносчиков при участии ионов Мn²⁺ и хлора отнимает электрон от воды. Этот электрон заполняет электронную «дыр­ку» в молекуле П₆₈₀. Происходит разложение воды (фотолиз) и выделение О₂.

Слайд Н₂О → OH + Н⁺

2Н₂О →4Н⁺ + 4ē + О₂

Слайд Рассмотрим более подробно путь переноса электрона от фотосистемы II к фотосистеме I.

3. Полученные П₆₈₀ от воды электроны передаются на молекулу феофитина, который является первичным акцептором,

4. затем на пластохиноны, переносящие как электроны, так и протоны.

5. затем на b/f-комплекс через железосерный белок передаются на

6. цитохром f, который воспринимая электрон восстанавливается: Fe³⁺ + ē → Fe²⁺,

7. следующий пере­носчик — пластоцианин — медьсодержащий белок, от которого электрон заполняет электронную «дырку» у П₇₀₀.

Входящий в состав ФС II водорасщепляющий комплекс (ВРК) содержит в своем активном центре ионы марганца (Мn), которые служат донорами электрона для П₆₈₀⁺. Отдавая электроны окисленному реакционному центру П₆₈₀⁺, ионы марганца накапливают положитель­ные заряды, которые непосредственно участвуют в реакции окисления воды:

2Мn⁴⁺ + 2Н₂О → 2Мn²⁺ + 4Н⁺ + 4е +О₂

После последовательной передачи четырех электронов от водорасщепляющего комплекса ВРК к П₆₈₀⁺ про­исходит разложение сразу двух молекул воды, сопровождающееся выделением одной молекулы кислорода и четырех ионов водорода, которые попадают во внутритилакоидное пространство хлоропласта.

Слайд Перенос электрона по цепи переносчиков от фотосистемы II к фотосистеме I сопровождается образованием АТФ из АДФ и неорганического Фн (АДФ + Фн→АТФ).

Слайд Суммарное уравнение процесса нециклического фотофосфорилирования выражается следующим образом:

2НАДФ + 2Н₂0 + 2АДФ + 2Н₃Р0₄ → 2НАДФН + 2Н⁺ + 2АТФ + 0₂.

Таким образом, для нециклического фотосин­тетического фосфорилирования характерно:

1) участие двух фотосистем;

2) окисление двух молекул воды;

3) передача электронов от молекул воды (первичный донор) через электронтранспортную цепь на НАДФ (конечный акцептор).

Продуктами процесса нециклического фотофосфорилирования являются восстановленный никотанамид-аденин-динуклеотид-фосфат (НАДФН + Н⁺) и АТФ. Эти соединения в дальнейшем используются в темновой фазе фотосинтеза.

Слайд При циклическом фотофосфорилировании принимает участие лишь Фотосистема I. В ре­зультате поглощения кванта света молекула П₇₀₀ отдает возбужденный электрон сначала первичному переносчику, а затем от ферредоксина возвращается к П₇₀₀. На участке электронтранспортной цепи между цитохромом b и цитохромом f образуется АТФ. Таким образом, в этом случае П₇₀₀ является и донором, и ак­цептором электрона. Суммарное уравнение циклического фотосинтетического фосфорилирования выглядит следующим образом:

Слайд АДФ + Н₃Р0₄ + hv → АТФ + Н₂0.

Cвязь между переносом возбужденного светом элек­трона по цепи переносчиков и образованием АТФ за счет выделяющейся при этом энергии идет по теории, раз­работанной английским биохимиком П. Митчеллом.

Темновая стадия фотосинтеза — это совокупность биохимических реакций, в ре­зультате которых происходит усвоение растениями углекислого газа атмосферы (С0₂) и образование углеводов. Ферменты, катализирующие темновые реакции растворены в строме. Сущность темновых реакций процесса фотосинтеза была раскры­та благодаря исследованиям американского ученого Мелвина Кальвина. За эту работу в 1961 г. Кальвину с сотрудниками была присуждена Нобелевская пре­мия. Он использовал следующие методы.

Первый метод — радиоактивного углерода. Принимая участие в реакциях, радиоактивные изотопы как бы помечают те соедине­ния, в которые входят.

Второй метод — хроматография на бумаге. Если вещества, разогнанные на хроматограмме, содержат радиоактивные атомы, то их легко обнаружить с по­мощью радиоавтографии.

В качестве объекта исследований была взята зеленая водоросль хлорелла.

Слайд Фазы темновой стадии фотосинтеза С₃-путь фотосинтеза (цикл Кальвина):

1 фаза. Карбоксилирование СО2 акцептором РБФ и образование ФГК.

2 фаза. Восстановление ФГК до ФГА.

3 фаза. Регенерация РДФ.

4 фаза. Образование продуктов фотосинтеза – углеводов.

 

Первая фаза — карбоксилирование.

1. Вещество-акцептор – рибулезо-1,5-бифосфат РБФ, присоединяя СO₂,, сначала образует промежуточное нестойкое шестиуглеродное соединение, которое затем распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты ФГК (акцептор + С0₂ →ФГК). На слайде показано в два раза больше молекул.

Эта реакция катализируется специфиче­ским ферментом рибулозо-бисфосфат-карбоксилазой/оксигеназой (РБФ-карбоксилаза/оксигеназа, или Rubisco). Осо­бенностью фермента является то, что катализируемая им реакция является самой медленной стадией в цикле фиксации углекислоты. В листьях Rubisco содер­жится в больших количествах и является основной фракцией белка хлоропластов. В активное состояние фермент переходит только при освещении хлоропластов.

Образовавшаяся фосфоглицериновая кислота ФГК — это органическая кислота, и ее энергетический уро­вень ниже уровня сахаров. Это соединение не может непосредственно превращаться в углеводы. Необходимо превращение его в трехуглеродный са­хар.

Вторая фаза — восстановление ФГК в фосфоглицериновый альдегид (ФГА). Это превращение ФГК требуют учас­тия продуктов световой фазы фотосинтеза: АТФ и НАДФН + Н⁺.

Реакция идет в два этапа.

1. Прежде всего, происходит реакция фосфорилирования 3-ФГК. Донором фосфатной группы является АТФ. АТФ требуется здесь в качестве дополнительного источника энергии. Образуется 1,3-дифосфоглицериновая ки­слота (1,3-диФГК). Реакция катализируется ферментом фосфоглицерокиназой. Образовавшееся в этой реакции соединение — дифосфоглицериновая кислота — обладает более высокой реакционной способностью, содержит макроэргическую связь, полученную от АТФ.

2. Затем карбоксильная группировка этого соедине­ния восстанавливается до альдегидной с помощью триозофосфат-дегидрогеназы, коферментом (переносит группировки энергии) которой служит НАДФ. Образуется фосфоглицериновый альдегид (ФГА), который по уровню восстановленности является углеводом. Это соединение вступает в две последние фазы.

Третья фаза — регенерация. В процессе регенерации акцептора используется 5 молекул фосфоглицеринового альдегида ФГА, в результате образуется 3 молекулы рибулезо-5-фосфат (РБФ) для того, чтобы фиксация С0₂ могла снова осуще­ствляться.

Слайд Этот процесс идет через образование 4-, 5-, 6-, 7-углеродных соединений.

Первая молекула ФГА изомеризуется до фосфодиоксиацетона (ФДА). Процесс катализируется ферментом триозофосфатизомеразой:

Слайд вторая молекула ФГА взаимодействует с фосфодиоксиацетоном ФДА образованием фруктозодифосфата (ФДФ).

Слайд От ФДФ отщепляется фосфат, и он превращается во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф).

От Ф-6-Ф (С₆) отщепляется 2-углеродный фрагмент (—СО— СН₂ОН), который переносится на следующую (третью) триозу. Эта реакция идет при участии фермента транскетолазы. В результате обра­зуется 1-пентоза (С₅)-рибулезофосфат.

От Ф-6-Ф остается 4-углеродный сахар эритрозофосфат (С₄), который конденсируется с четвертой триозой с об­разованием седогептулезо-ди-фосфата (С₇).

После отщепления фосфата седогептулезодифосфат превращается в седогептулезофосфат.

Далее снова происходит реакция, в результате которой от седогептулезофосфата отще­пляется 2-углеродный фрагмент, который переносится на пятую триозу.

Образу­ются еще две молекулы рибулезофосфата РБФ).

Таким образом, в результате рассмот­ренных реакций получаются 3 молекулы рибулезофосфата. Для образования из них акцептора (РБФ) необходимо их фосфорилирование. Для этого использу­ются три молекулы АТФ, образовавшиеся в результате световых реакций.

Слайд Общее суммарное уравнение цикла следующее:

ЗРБФ + ЗС0₂+ 9АТФ + 6НАДФН + 6Н⁺ →

ЗРБФ + ФГА + 9АДФ + 8Ф_Н + ЗН₂0 + НАДФ

Четвертая фаза образованиие продуктов фотосинтеза. В нее вступает оставшаяся шестая молекула триозофосфат (ФГА), превращается в более сложные соединения (углеводы, аминокислоты и др.).

При прохождении двух циклов из 12 молекул образовавшегося ФГА две мо­лекулы выходят из них, образуя одну молекулу фруктозодифосфата (ФДФ). Из двух молекул фруктозодифосфата (Ф-1,6-диФ) образуются фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф) и глюкозо-1-фосфат (Г-1-Ф).

Слайд Уридин-трифосфат (УТФ), с взаимодействуя глюкозо-1-фосфат, дает уридин-дифосфо-глюкозу (УДФГ).

В свою очередь УДФГ, реагируя с фруктозо-6-фосфатом Ф-6-Ф, дает сахарозо-дифосфат, из которого путем дефосфорилирования образуется сахароза.

Для образования одной молекулы са­харозы необходимо, чтобы прошли четыре цикла Кальвина.

Именно сахароза является первым свободным сахаром, обра­зующимся в процессе фотосинтеза. Из сахарозы образуются нефосфорилированные моносахара (глюкоза и фруктоза).

Слайд Крахмал образуется из аденозин-дифосфо-глюкозы (АДФГ) или уридин-дифосфо-глюкозы (УДФГ), процесс катализируется ферментом амилосинтетазой.

Слайд Другие продукты фотосинтеза:

Среди первых продуктов фотосинтеза обнаружены аминокислоты. По-види­мому, ФГК, образовавшаяся на первом этапе цикла Кальвина, может превра­щаться в пировиноградную кислоту. Этот процесс идет особенно интенсивно при недостатке НАДФН, из-за чего задерживается преобразование ФГК в ФГА (обычный путь в цикле Кальвина). Пировиноградная кислота в присутствии NH₃ дает аминокислоту аланин.

Показано, что скорость включения ¹⁴С0₂ в аланин в клетках хлореллы при некоторых условиях может даже превышать скорость ее включения в сахарозу. Из пировиноградной кислоты может образоваться еще ряд органических кислот (в цикле Кребса). Образовавшиеся органические ки­слоты в процессе аминирования или переаминирования дают аминокислоты. Сам по себе синтез аминокислот еще не означает образование белков.

Наконец, из промежуточных продуктов цикла Кальвина могут образовываться липиды и другие продукты. Состав продуктов, образующихся при фото­синтезе, может быть определен исходя из величин фотосинтетического коэффи­циента.

Под фотосинтетическим коэффициентом понимается отношение выделен­ного в процессе фотосинтеза кислорода к поглощенному С0₂. Если в процессе фотосинтеза образуются углеводы, то, согласно приведенному суммарному уравнению, фотосинтетический коэффициент должен быть равен единице: 60₂/6С0₂ = 1.

При образовании соединений, более восстановленных (содер­жащих меньше кислорода) по сравнению с углеводами, фотосинтетический коэффициент должен быть больше единицы.

В случае образования белков фото­синтетический коэффициент равен 1,25, в случае жира —1,44. Средняя величина фотосинтетического коэффициента для 27 видов растений оказалась равной 1,04. Расчеты показали, что такая величина фотосинтетического коэффициента указы­вает на образование наряду с углеводами некоторого количества белка (примерно 12%).

Слайд Установлено, что величина фотосинтетического коэффициента меняется в зависимости от условий. Все же основным продуктом фотосин­теза являются сахара. В связи с этим можно следующим образом расшифровать суммарное уравнение фотосинтеза.

Световые реакции:

12НАДФ + 12АДФ + 12Ф_Н + 12Н₂0 →12НАДФН +12Н⁺ + 12АТФ + 60₂

нециклическое фосфорилирование

6АДФ + 6Ф_н → 6АТФ циклическое фосфорилирование

 

Темновые реакции:

6РБФ(рибулезо-бифосфат) + 6С0₂ + 12НАДФН + 12Н⁺ + 18 АТФ →6РБФ + С_бН₁₂0₆ + 6Н₂0 + 12НАДФ + 18АДФ + 18Ф_Н

Путь ассимиляции углерода при фотосинтезе, установленный Кальвином и предложенный в виде цикла Кальвина, является общим для всех автотрофных организмов. Однако существуют разные пути передачи С0₂ в цикл Кальвина. Так, австралийские ученые М.Д. Хетч и К.Р. Слэк (1966) и советский ученый Ю.С. Карпилов (1960) показали, что у некоторых растений, преимущественно тропических и субтропических (в том числе кукуруза, сахарный тростник, ама­рант, просо, сорго), фотосинтез идет несколько по-иному.

В этом случае первым продуктом карбоксилирования является соединение, содержащее 4 атома углерода. Поэтому этот путь получил название С₄-пути, в отличие от цикла Кальвина, в котором образуется ФГК, содержащая 3 атома углерода (С₃-путь).

 

светособирательных комплексов (ССК)

реакционных центров (РЦ)

синглетное состояние (S₀)

первого и второго синглетного состояния ( S*₁S*₂)

триплетное состояние (Т*₁)

никотин-амид-аденин-динуклеотид-фосфат (НАДФ)

восстановленный никотин-амид-аденин-динуклеотид-фосфат (НАДФН)

фотосистема I (ФС I)

возбужденная форма хлорофилла (Хл*)

окисленная форма хлоро­филла (Хл)⁺

флавинадениндинуклеотид (ФАД)

рибулезо-1,5-бифосфат (РБФ)

фосфоглицериновая кислота (ФГК)

фосфоглицериновый альдегид (ФГА)

1,3-дифосфоглицериновая ки­слота (1,3-диФГК)

фосфодиоксиацетона (ФДА)

фруктозодифосфата (ФДФ)

фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф)

глюкозо-1-фосфат (Г-1-Ф)

У ридин-трифосфат (УТФ)

уридин-дифосфо-глюкозу (УДФГ)

аденозин-дифосфо-глюкозы (АДФГ)