Фотосинтез


Световая фаза фотосинтеза



страница3/6
Дата17.11.2018
Размер0.88 Mb.
1   2   3   4   5   6

Световая фаза фотосинтеза

Сущность световой фазы фотосинтеза состоит в поглощении лучистой энергии и ее трансформации в ассимиляционную силу (АТФ и НАДФ-Н), необходимую для восстановления углерода в темновых реакциях. Сложность процессов преобразования свето­вой энергии в химическую требует их строгой мембранной орга­низации. Световая фаза фотосинтеза происходит в гранах хлоро­пласта.

В состав фотохимически активных мембран хлоропластов вхо­дят пять согласованно функционирующих многокомпонентых белковых комплексов: светособирающий комплекс, фотосистемы I и II, цитохромный комплекс, участвующий в транспорте электронов, и АТФ-азный комплекс, обеспечивающий синтез АТФ.

Пигменты хлоропластов объединены в функциональные ком­плексы - пигментные системы, в которых реакционный центр - хлорофилл а, осуществляющий фотосенсибилизацию, связан процессами переноса энергии с фотоантенной, состоящей из светособирающих пигментов. Современная схема фотосинтеза высших растений включает две фотохимические реакции, осуществляе­мые с участием двух различных фотосистем. Предположение об их существовании было высказано Р. Эмерсоном в 1957г. на основании обнаруженного им эффекта усиления действия длин­новолнового красного света (700 нм) совместным освещением более коротковолновыми лучами (650 нм).

Установлено, что фотосистема II (ФСII) поглощает более коротковолновые лучи по сравнению с ФСI. Фотосинтез идет эффективно только при их совместном функционировании, что объясняет эффект усиления Эмерсона.

В состав ФСI в качестве реакционного центра входит димер хлорофилла а с максимумом поглощения света 700 нм (P700), а также хлорофиллы 675-695, играющие роль антенного компонен­та. Первичным акцептором электронов в этой системе является мономерная форма хлорофилла 695, вторичными акцепторами - железосерные белки (-FeS). Комплекс ФСI под действием света восстанавливает железосодержащий белок - ферредоксин (Фд) и окисляет медьсодержащий белок - пластоцианин (Пц).

ФСII включает реакционный центр, содержащий хлорофилл а 680) и антенные пигменты - хлорофиллы 670-683. Первичным акцептором электронов является феофитин (Фф), передающий электроны на пластохинон. В состав ФСII входит также белко­вый комплекс системы, окисляющий воду, и переносчик элек­тронов Z. Этот комплекс функционирует с участием марганца, хлора и магния. ФСII восстанавливает пластохинон (PQ) и окис­ляет воду с выделением О2 и протонов.

Связующим звеном между ФСII и ФСI служат фонд пластохинонов, белковый цитохромный комплекс и пластоциа­нин.

В хлоропластах растений на каждый реакционный центр при­ходится примерно 300 молекул пигментов, которые входят в состав антенных или светособирающих комплексов. Из ламелл хлоропластов выделен светособирающий белковый комплекс, со­держащий хлорофиллы а и b и каротиноиды (ССК), тесно свя­занный с ФСП, и антенные комплексы, непосредственно входя­щие в состав ФСI и ФСП (фокусирующие антенные компоненты фотосистем). Половина белка тилакоидов и около 60 % хлорофилла локализованы в ССК. В каждом ССК содержится от 120 до 240 молекул хлорофилла.

Антенный белковый комплекс ФСI содержит 110 молекул хлорофиллов 680 - 695 на один Р700 из них 60 молекул - компо­ненты антенного комплекса, который можно рассматривать как ССК ФСI. Антенный комплекс ФСI также содержит β-каротин.

Антенный белковый комплекс ФСП содержит 40 молекул хлорофиллов а с максимумом поглощения 670-683 нм на один P680 и β-каротин.

Хромопротеины антенных комплексов не обладают фотохи­мической активностью. Их роль состоит в поглощении и переда­че энергии квантов на небольшое количество молекул реакцион­ных центров P700 и P680, каждая из которых связана с цепью транспорта электронов и осуществляет фотохимическую реак­цию. Организация электронно-транспортных цепей (ЭТЦ) при всех молекулах хлорофилла нерациональна, так как даже на пря­мом солнечном свету на молекулу пигмента кванты света попа­дают не чаще одного раза за 0,1 с.

Передача энергии в светособирающих комплексах и фото­системах происходит путем индуктивного резонанса. Условиями для резонансного переноса энергии служат сближенное распо­ложение и перекрытие частот осциллирующих электронных систем у двух взаимодействующих молекул. Причем миграция энергии осуществляется от коротковолновых пигментов к более длинноволновым. Квант света мигрирует в фотосистеме, пока не попадет в стоковую молекулу (ловушку) - пигмент реакционного центра, который является самым длинноволновым и поэтому неспособным возбуждать соседние молекулы. Энергия возбужденного пигмента реакционного центра расходуется на фотохимическую работу. Квант света обычно передается на стоковую молекулу через несколько сотен передач, каждая передача осуществляется за 10-12с, 100 передач - соответст­венно за 10-10 с. Экспериментально установлено, что 90 % энергии возбуждения хлорофилла а может быть передано на Р700 менее чем за 10-9 с.

Фотосинтетическое фосфорилирование, т.е. образование АТФ в хлоропластах в ходе реакций, активируемых светом, может осуществляться циклическим и нециклическим путями.

Циклическое фотофосфорилирование является более простым и эволюционно более древним. При циклическом фотофосфорилировании функционирует только ФСI и ее единственным про­дуктом является АТФ.

Циклическое фотофосфорилирование было открыто в 1954 г. Арноном, Алленом и Френкелем на изолированных хлоропластах шпината.

Сущность циклического фотофосфорилирования заключается в следующем. При поглощении кванта света один их электронов пигмента реакционного центра (Р700) перехо­дит на более высокий энергети­ческий уровень. В этом состоя­нии он захватывается белком, содержащим железо и серу (Fe-S-центр), а затем передается на железосодержащий белок ферредоксин. Дальнейший путь элек­трона - поэтапный, его транс­порт обратно к Р700 через ряд промежуточных переносчиков, среди которых имеются флавопротеиды и цитохромы. По мере транспорта электрона его энер­гия высвобождается и использу­ется на присоединение Фн к АДФ с образованием АТФ. Число молекул АТФ, образую­щихся при переносе одного электрона, до сих пор не установлено. Причина в том, что из двух необходимых величин относи­тельно легко измерить только количество АТФ, синтезированное за определенное время, тогда как оценить число электронов, перенесенных по циклической цепи за тот же промежуток вре­мени, не представляется возможным.

Итак, при циклическом фотофосфорилировании энергия света расходуется на перенос электрона на высоковосстановлен­ное соединение, т.е. против градиента окислительно-восстановительного потенциала, а затем электрон «скатывается с горки», образованной переносчиками с убывающим уровнем восстановленности, и, обедненный энер­гией, возвращается на ФСI. Механизмы сопряжения (АТФ-азный комплекс) обеспечивают на этом отрезке пути запасание энергии в виде АТФ. У простейших автотрофов - бактерий - это единственный путь фотофосфорилирования.

У высших растений в процессе эволюции появился более сложный путь, который осуществляется при участии двух фото­систем и обеспечивает восстановление НАДФ за счет фотоокис­ления воды. Причем восстановление НАДФ осуществляет ФСI, а фотоокисление воды - ФСII. Эти две системы функционируют одновременно и взаимосвязанно. Р. Хиллом и Ф. Бендаллом (1960) разработана схема последовательности реакций, которая получила название схемы нециклического транспорта электронов, или Z-схемы Хилла. Рассмотрим ее основные моменты.

При возбуждении Р700 в реакционном центре ФСI электрон захватывается мономерной формой хлорофилла а и затем после­довательно передается через железосерные белки, ферридоксин, флавопротеиды на восстановление НАДФ. Р700, не получив элек­трона обратно, как в случае циклического фосфорилирования, приобретает положительный заряд, который компенсируется электроном ФСП.

В ФСП Р680, возбужденный квантом света, передает электрон феофитину. От феофитина электрон, теряя энергию, последова­тельно передается на пластохиноны, железосерный белок, цитохром f, пластоцианин и, наконец, на Р700 ФСI. Энергия, освобож­дающаяся при транспорте электрона от возбужденной ФСП на ФСI, используется для синтеза АТФ из АДФ и Фн, т.е. здесь имеет место фотофосфорилирование.

Р680, оставшись без электрона, приобретает способность полу­чать электрон от воды. Несмотря на активное исследование, детально механизм процесса фотоокисления воды не установлен. Показано участие белкового комплекса и переносчика электро­нов Z, для функционирования которых необходимы Mn, Cl и Са.

Таким образом, при нециклическом пути происходит линей­ный или открытый, т.е. не замкнутый по циклу, транспорт электронов. Донором электронов является вода, конечным ак­цептором - НАДФ. Причем происходит одновременно двухэлек­тронный транспорт. Передача электронов осуществляется при участии двух фотосистем, поэтому для переноса каждого элек­трона расходуются два кванта света. На участке между ФСП и ФСI транспорт электрона идет по убывающему градиенту окис­лительно-восстановительного потенциала с высвобождением энергии и запасанием ее в АТФ.

Наряду с нециклическим в мембранах хлоропластов высших растений функционирует циклический транспорт электронов. Причем ферридоксин выполняет роль регулятора потока элек­тронов. При возрастании потребности в АТФ часть электронов от ферридоксина через систему цитохромов возвращается к Р700 c образованием АТФ. Восстановление НАДФ в этом случае не идет, и фотоокисления воды при участии ФСП не требуется.

Белковые комплексы, участвующие в фотохимических реак­циях фотосинтеза, в мембранах хлоропластов распределены не­равномерно. Наибольшие различия наблюдаются между теми мембранами, которые плотно состыкованы друг с другом в гра­нах, и теми участками мембран, которые контактируют со стромой, - закругленные участки тилакоидов гран и мембраны тилакоидов стромы.

Светособирающий комплекс и ФСП находятся в основном в плотносостыкованных мембранах гран. ФСI со своим светособирающим комплексом и АТФ-азный комплекс находятся на несо­стыкованных участках мембран. Взаимодействие между ними осуществляется с помощью легко подвижного в липидной фазе пластохинона, а также благодаря перемещению водорастворимо­го пластоцианина вдоль внутренних поверхностей ламелл и во­дорастворимого ферридоксина вдоль наружных поверхностей.

К латеральным перемещениям способны и пигмент-белковые комплексы. Например, восстановление в избыточных количест­вах пластохинона ФСП способствует перемещению ССК в стромальную область мембраны и возрастанию миграции поглощен­ной энергии света с ФСI. Возросшая фотохимическая активность ФСI усиливает окисление пластохинона, что приводит к обрат­ному перемещению ССК. Таким образом, система взаимной регуляции активности ФСI и ФСП включает латеральный транс­порт белковых комплексов в мембранах хлоропластов.


Темновая фаза фотосинтеза

Продукты световой фазы фотосинтеза АТФ и НАДФ-Н ис­пользуются в темновой фазе для восстановления СО2 до уровня углеводов. Реакции восстановления происходят настолько бы­стро, что с помощью обычных методов химического анализа чрезвычайно трудно обнаружить промежуточные продукты и практически невозможно установить последовательность их превращений. Только использование радиоактивных изотопов, в первую очередь 14С, в качестве метки, хроматографии и электро­фореза позволило установить последовательность реакций при фотосинтезе, множественность путей метаболизма углерода. В настоящее время известны С3- и С4-пути фиксации СО2, фото­синтез по типу толстянковых (САМ-метаболизм) и фотодыхание.



С3-путь фотосинтеза (цикл Кальвина). Этот способ ассимиляции СО2, присущий всем растениям, был расшифрован американскими исследователями во главе с М. Кальвиным. Схема последовательности реакций по­лучила название цикла Кальвина. Характерной особенностью фотосинтетического восстановления СО2 являются цикличность и разветвленность этого процесса. Цикличность обеспечивает высокую производительность, саморегуляцию и непрерывность образования углеводов. Разветвленность - образование разнооб­разных продуктов, дублирование путей регенерации акцептора СО2. Цикл состоит из трех этапов: карбоксилирования, восста­новления и регенерации акцептора СО2.

Карбоксилирование. Первой реакцией, вводящей СО2 в цикл Кальвина, является карбоксилирование рибулезо-1,5-дифосфата (1,5-РДФ) с участием фермента рибулезодифосфаткарбоксилазы (РДФ-карбоксилазы). Образующееся при этом нестойкое шести­углеродное соединение быстро распадается на триозы - две мо­лекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК). Поэтому 3-ФГК можно считать первичным продуктом фотосинтеза.

Фаза восстановления. Восстановление 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК) до 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА) происходит в два этапа. Сначала при участии АТФ и фосфоглицераткиназы 3-ФГК присоединяет остаток фосфорной кислоты с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-дФГК). Этим достигается повышение реакционной способности соеди­нения и возможность его восстановления с помощью НАДФ-Н до 3-ФГА. Это единственная восстановительная реакция цикла, фосфоглицериновый альдегид по уровню восстановленности уг­лерода соответствует углеводу с общей формулой (СН2О)3. Фаза восстановления является центральным звеном цикла. Именно здесь скрещиваются световая и темновая фазы фотосинтеза. Все остальные превращения идут на уровне сахаров, одинаковых по степени восстановленности.

Фаза регенерации первичного акцептора СО2 и синтеза конеч­ных продуктов фотосинтеза. В результате рассмотренных ранее реакций при фиксации трех молекул СО2 образуются 6 молекул восстановленных 3-фосфотриоз, пять из них используются затем для регенерации рибулезодифосфата, а одна - для синтеза глю­козы. Это достигается следующей последовательностью реакций.

Часть молекул 3-ФГА под действием триозофосфатизомеразы превращается в фосфодиоксиацетон (ФДА). Затем два изомера (ФГА и ФДА) подвергаются конденсации при участии фермента альдолазы, образуя фруктозо-1,6-дифосфат, у которого затем от­щепляется один фосфат. В дальнейших реакциях, связанных с регенерацией акцептора СО2, возникает цепь фосфорных эфиров сахаров, содержащих в своем составе 4, 5 или 7 атомов углерода. В этих реакциях последовательно принимают участие транскетолазы и альдолазы. Транскетолаза катализирует перенос двухугле­родной группировки от фруктозо-6-фосфата на 3-ФГА, при этом образуются эритрозо-4-фосфат (С4) и ксилулозо-5-фосфат (С5). Затем альдолаза осуществляет перенос трехуглеродного остатка ФДА на эритро-4-фосфат, в результате чего синтезируется седогептулозо-1,7-дифосфат (С7). От последнего отщепляется один остаток фосфорной кислоты и под действием транскетолазы из него и 3-ФГА образуются ксилулозо-5-фосфат (С5) и рибозо-5-фосфат (С5). Две молекулы ксилулозо-5-фосфата путем эпимериции (фермент – фосфокетопентоэпимераза) и одна молекула рибозо-5-фосфата за счет изомеризации превращаются в три молекулы рибулозо-5-фосфата (С5). Это соединение подвергается фосфорилированию за счет АТФ, которую поставляет световая фаза фотосинтеза, с образованием рибулозо-1,5-дифосфата. Цикл при этом замыкается.

Из оставшейся неиспользованной шестой молекулы 3-ФГА при повторении цикла под действием альдолазы синтезируется фруктозо-1,6-дифосфат, из которого могут образоваться глюкоза, сахароза или крахмал.

Таким образом, для синтеза одной молекулы глюкозы (C6) должно произойти два оборота цикла. В каждом обороте цикла используются три молекулы АТФ (две для активирования двух молекул ФГК и одна при регенерации акцептора СО2 1,5-РДФ) и две молекулы НАДФ-Н для восстановления ФГК до ФГА. Поэтому для синтеза одной молекулы глюкозы в цикле Кальвина необходимо 12 НАДФ-Н и 18 АТФ. Таков энергетичес­кий вклад световой фазы в темновую фиксацию СО2.

В цикле Кальвина первичными продуктами включения СО2 в органические вещества и восстановления являются трехуглерод­ные соединения (3-ФГК, 3-ФГА, ФДА). Поэтому этот способ фиксации СО2 носит название С3-пути фотосинтеза. Большинст­во растений, особенно произрастающих в умеренной зоне, ис­пользуют именно этот путь восстановления СО2 и называются С3-растениями.



С4-путь фотосинтеза (цикл Хетча-Слэка-Карпилова). Путь усвоения СО2, установленный М. Кальвиным, является основным. Но существует большая группа растений, включаю­щая более 500 видов покрытосеменных, у которых первичными продуктами фиксации СО2 и восстановления являются четырех­углеродные соединения. Их называют С4-растениями. Основы для биохимического исследования фотосинтеза у С4-растений были заложены в работах Л.А. Незговоровой, Ю.С. Карпилова и И.А. Тарчевского, а также ав­стралийских ученых Хетча и Слэка. В 1966 г. Хетч и Слэк преддожили законченную схему цикла темновых реакций у С4-расте­ний, которая получила название цикла Хетча и Слэка.

К С4-растениям относится ряд культурных растений преиму­щественно тропического и субтропического происхождения - кукуруза, просо, сорго, сахарный тростник и многие злостные сорняки - свинорой, сыть округлая, ежовник крестьянский, просо куриное, просо крупное, гумай (сорго алепское), щирица, щетинник и др. Как правило, это высокопродуктивные растения, устойчиво осуществляющие фотосинтез при значительных по­вышениях температуры и в засушливых условиях.

Для листьев С4-растений характерно анатомическое строение кранц-типа (от нем. Kranz - венок, корона), т.е. наличие явно отличающихся друг от друга фотосинтезирующих клеток двух типов, которые располагаются концентрическими кругами: радиально расположенные вокруг проводящих пучков клетки обклад­ки и основной мезофилл.

Клетки обкладки проводящего пучка содержат крупные, ли­шенные гран (агранальные) хлоропласты. В клетках мезофилла находятся более мелкие гранальные хлоропласты. Эти два типа клеток физиологически не равноценны и специализируются на выполнении разных звеньев фотосинтеза. С4-цикл можно разде­лить на две стадии: карбоксилирование, происходящее в клетках мезофилла, и декарбоксилирование и синтез углеводов, идущие в клетках обкладки проводящих пучков. Общим для всех С4-расте­ний является то, что карбоксилированию подвергается фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП) при участии ФЕП-карбоксилазы и образуется щавелевоуксусная кислота (ЩУК), которая восстанавливается до яблочной кислоты или аминируется с образованием аспарагиновой кислоты.

Щавелевоуксусная, яблочная и аспарагиновая кислоты являются четырехуглеродными со­единениями.

По способу декарбоксилирования при участии НАДФ-Н или НАД-малатдегидрогеназы (МДГ, называемой также маликэнзимом и яблочным фермен­том) или ФЕП-карбоксикиназы (ФЕП-КК) у С4-растений можно выделить три группы: НАДФ-МДГ, НАД-МДГ и ФЕП-КК-типы соответственно.

У НАДФ-МДГ-растений глав­ными метаболитами, вовлечен­ными в обмен между клетками, являются малат и пируват (ПВК), у НАД-МДГ-растений - аспартат и аланин и у ФЕП-КК-растений - аспартат и ФЕП. Важ­нейшие сельскохозяйственные культуры - кукуруза, сорго, са­харный тростник и такие распространенные сорняки, как сыть, ежовник, щетинник, гумай, относятся к НАДФ-МДГ-типу.

Рассмотрим С4-цикл восстановления СО2 на примере этих растений. СО2, поступающий в лист через устьица, попадает в цитоплазму клеток мезофилла, где при участии ФЕП-карбоксилазы вступает в реакцию с ФЕП, образуя щавелевоуксусную кислоту (оксалоацетат, или ЩУК). Затем уже в хлоропластах оксалоацетат восстанавливается до яблочной кислоты (малата) за счет НАДФ-Н, образующегося в ходе световой фазы фотосинтеза; ЩУК в присутствии NH4 может превращаться также в аспартат.



Затем малат переносится в хлоропласты клеток обкладки со­судистого пучка, где он подвергается окислительному декарбоксилированию, продуктом которого является пировиноградная кислота (ПВК). Последняя снова диффундирует в мезофилл, где при участии АТФ, образованной в световой фазе, происходит регенерация ФЕП, после чего цикл карбоксилирования повторя­ется с участием новой молекулы СО2. Образовавшиеся в резуль­тате окислительного декарбоксилирования малата СО2 и НАДФ-Н поступают в цикл Кальвина, что приводит к образова­нию ФГК и других продуктов, свойственных С3-растениям. Сле­довательно, именно клетки обкладки выполняют роль основной ассимилирующей ткани, поставляющей сахара в проводящую систему. Клетки мезофилла выполняют вспомогательную функ­цию - подкачку СО2 для цикла Кальвина. Таким образом, С4-путь обеспечивает более полное усвоение СО2, что особенно важно для тропических растений, где основным лимитирующим фактором фотосинтеза является концентрация СО2. Эффективность усвоения СО2 С4-растениями увеличивается также за счет подачи НАДФ-Н в хлоропласты клеток обкладки. Эти хлороплас­ты имеют агранальное строение и специализируются на темновой фазе фотосинтеза, здесь практически не происходит нецик­лическое фотофосфорилирование. На один агранальный хлоро­пласт в среднем приходится 8-10 гранальных хлоропластов, осуществляющих первичную фиксацию СО2 и нециклическое фотофосфорилирование. Такая компартментация процессов и кооперация функционирования тканей обеспечивают повышение продуктивности растений и позволяют накапливать СО2 в орга­нических кислотах для осуществления фотосинтеза даже при закрытых устьицах в наиболее жаркое время дня. Это сокращает потери воды на транспирацию. Эффективность использования воды С4-растениями вдвое выше, чем у С3-растений. Физиолого-биохимические различия между С3 и С4-растениями системати­зированы в таблице.
Сравнительная характеристика С3- и С4-растений


Признак

С3 – растения

С4 – растения

Происхождение и основное местообитание

Умеренная зона

Тропическая и субтропическая зона

Мезофилл

Дифференцирован на столбчатую и губчатую ткань

Дифференцирован на основной мезофилл и клетки обкладки сосудистого пучка

Хлоропласты

Гранальные

Гранальные и агранальные

Первичные продукты фотосинтеза

Рибулезодифосфат

Фосфоенолпируват

Ключевой фермент

РДФ-карбоксилаза

ФЕП-карбоксилаза

СО2-компенсационный пункт

0.003 – 0.01%

0 – 0.0005%

Световое насыщение фотосинтеза

При средней освещенности

Не достигается даже при полном солнечном свете

Наблюдаемое фотодыхание

Есть

Нет

Отток ассимилятов

Медленный

Быстрый

Продуктивность

Средняя (20 – 30 т/га)

Высокая (80 т/га)




Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница