Главная > Разное > Фотобиология
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

7. ДВЕ ФОТОСИСТЕМЫ. ТРАНСПОРТ ЭЛЕКТРОНОВ

Перенос одного электрона от воды к восстановленному идентифицированному переносчику электронов в цепи транспорта — ферредоксину связан с изменениями окислительно-восстановительного потенциала от 0,8 до —0,4 В, что соответствует затрате энергии в 1,2 эВ, или 28 ккал/моль. Поэтому одного кванта света (40 ккал) вполне достаточно для энергетического обеспечения

электронного транспорта. В действительности картина гораздо сложнее.

Крупнейшее достижение в области фотосинтеза — открытие двух фотохимических реакций хлорофилла, включенных в относительно автономные пространственно разделенные фотосистемы. По данным Парка, в ламеллах гран локализованы обе фотосистемы, а в ламеллах стромы только первая. Совместная деятельность фотосистем обеспечивает не одноактный, а двухактный подъем электрона:

Каждая из фотосистем включает фотохимически неактивные пигменты-светосборщики (100—1000 молекул), фотохимически активный хлорофилл (1—2 молекулы) — реакционный центр — и переносчики электронов. Реакционные центры (или ловушки мигрирующей энергии первой и второй фотосистем) представляют собой две дискретные формы хлорофилла а обычно называемые в литературе (по положению максимумов поглощения).

При температурах 4 и 77 К хлорофилл 2 флуоресцирует при 698, а хлорофилл 1 — при Максимумы флуоресценции при принадлежат формам хлорофилла а пигментам-светосборщикам фотосистемы II. Характерно, что пигменты фотосистемы II обладают большим квантовым выходом флуоресценции и меньшей степенью поляризации свечения, чем пигменты фотосистемы Данные поляризованной люминесценции для отдельного хлоропласта, а также дихроизм при указывают на то, что небольшая доля молекул хлорофилла, дающего свечение при , находится в мембране в ориентированном состоянии.

Общепринятые ныне представления о двух формах хлорофилла, фотохимические превращения которых управляют транспортом электрона, сформировались под влиянием классических работ Эмерсона.

Эффект красного падения. При освещении растений монохроматическим светом в области длинноволнового спада спектра поглощения хлорофилла а в листе наблюдается уменьшение квантового выхода фотосинтеза —

красное падение (рис. 15). Фотосинтез практически прекращается при хотя полоса поглощения хлорофилла простирается вплоть до рис. 10). Характерно, что этот эффект усиливается по мере формирования фотосинтетического аппарата. Все это свидетельствует о том, что для эффективного фотосинтеза недостаточно возбуждения лишь одного типа молекул хлорофилла.

Эффект усиления. Если к длинноволновому свету добавить коротковолновый, квантовый выход фотосинтеза возрастает, достигая в пределе его обычных значений — При этом наблюдается выраженная неаддитивность: скорость выделения кислорода при совместном освещении двумя лучами превышает сумму скоростей выделения кислорода под действием каждого из них в отдельности: длинноволнового и коротковолнового

Рис. 15. Зависимость квантового выхода фотосинтеза хлореллы от длины волны света (Emerson R., Lewis С., 1943)

Степень усиления фотосинтеза при одном и том же длинноволновом луче зависит от длины волны коротковолновой подсветки Зависимость называется спектром действия эффекта Эмерсона. Он имеет хорошо выраженные пики при 670, 650 и 560 нм, соответствующие максимумам поглощения хлорофиллов а и и фикобилинов.

Эффект усиления наводит на мысль о том, что каждый из лучей адресуется преимущественно только одной из двух пигментных систем, причем для полноценной деятельности фотосинтетичёского аппарата необходима их согласованная кооперация. Тот же вывод вытекает и из наблюдений Блинкса, Майерса, Френча.

Эффект Майерса и Френча заключается в сохранении усиления при прерывистом освещении с чередованием длинноволновых и коротковолновых импульсов даже тогда, когда темновой интервал между ними составляет несколько секунд. Очевидно, что этот интервал

значительно превышает время жизни электронно-возбужденных состояний пигмента. Иными словами, эффект Эмерсона имеет не физическую, а химическую природу: «длинноволновые» и «коротковолновые» формы хлорофилла а образуют некоторые длительно живущие, но различные по природе продукты, являющиеся участниками единой последовательной цепи реакций.

Эффект Блинкса. Опыты Блинкса проводились по следующей схеме. Растение освещалось светом с до установления стационарной скорости фотосинтеза После этого свет заменялся на более коротковолновый такой интенсивности, чтобы стационарная скорость фотосинтеза в обоих случаях была одинаковой, например, Казалось бы, это не должно отражаться на скорости фотосинтеза в момент смены одного монохроматического луча другим. Однако в эксперименте наблюдалось вполне достоверное временное его усиление с постепенным выходом на стационарный уровень: и т. д. Степень подобного усиления не одинакова для света различных длин волн второй подсветки. Зависимость получила название спектра действия эффекта Блинкса. Характерно, что спектры действия эффектов Эмерсона и Блинкса практически совпадают (рис. 16).

Итак, эффекты Эмерсона, Майерса-Френча и Блинкса определенно указывают на участие в процессе фотосинтеза не одной, а, по крайней мере, двух различающихся по спектрам поглощения пигментных систем, каждая из которых ответственна за образование определенных фотопродуктов, обладающих достаточно продолжительным временем жизни и необходимых для оптимального осуществления итоговой реакции фотосинтеза. В этой связи следует отметить еще два парадоксальных на первый взгляд явления. Во-первых, то, что свет, поглощаемый фикобилиновыми пигментами сине-зеленых и красных водорослей, обладает большей фотосинтетической активностью, чем свет, поглощаемый самим хлорофиллом а. Во-вторых, то, что при зеленении этиолированных проростков способность к фотосинтезу появляется только тогда, когда в них образуются длинноволновые формы пигмента, обнаруживающие максимум низкотемпературной люминесценции при 720 нм.

О различии промежуточных продуктов, образующихся в результате фотохимических реакций фотосистем I (длинноволновая) и II (коротковолновая), свидетельствуют и дифференциальные спектры поглощения (свет — темнота) фотосинтезирующих клеток, подвергаемых интенсивному длинноволновому и коротковолновому освещению. Анализ полученных спектров, как и темновых дифференциальных спектров окислительно-восстановительного титрования, возникающих при изменениях путем добавления окислителей и восстановителей, позволил выяснить химическую природу различных переносчиков электронов на участках пути между водой и хлорофиллом 2, хлорофиллом 2 и хлорофиллом 1, хлорофиллом 1 и НАДФН.

Рис. 16. Спектры действия эффекта Эмерсона (1) и эффекта Блинкса (2) (Mohr Н. 1969)

Были идентифицированы основные переносчики электронов в фотосинтетической цепи, способные существовать как в окисленной, так и в восстановленной форме.

Пластохиноны — переносчики, близкие к убихинону дыхательной цепи митохондрий. Пластохиноны обнаружены только у высших растений и водорослей, выделяющих в ходе фотосинтеза кислород. Их концентрация в хлоропластах довольно высока. Так, например, на 100 молекул хлорофилла приходится около 20 молекул плас-тохинонов. Известно четыре типа пластохинонов К пластохинонам иногда относят также токоферолы, токохиноны и витамин Как показали специальные опыты, критическое значение для транспорта электронов имеет пластохинон С. По структуре пластохиноны представляют собой метилированные производные -бензохинонов, соединенные с изопреновыми цепочками различной длины. Окислительно-восстановительные превращения происходят в бензольном кольце хинонной головки

Максимум поглощения окисленной формы восстановленной Пластохинон А имеет редокс-по-тенциал а пластохинон В.

Цитохромы — гемсодержащие белки, простетическая группа которых близка к гему пероксидазы и каталазы. Одноэлектронные окислительно-восстановительные превращения испытывает железо гема . У фотосинтетиков выявлены цитохромы трех типов: причем тип с наиболее широко распространен у микроорганизмов. Количественное соотношение цитохромов в хлоропластах высших растений составляет На одну молекулу цитохрома приходится около 400 молекул хлорофилла, а на две молекулы цитохрома около 118 молекул пигмента.

Цитохром высших растений имеет молекулярный вес белкового носителя 110 000 и содержит две простети-ческие группы. Три полосы поглощения цитохрома располагаются при 554, 524 и 424 нм. Его редокс-потенциал равен .

Цитохром 6559. Обнаружены две формы цитохрома низкопотенциальная с величиной окислительно-восстановительного потенциала В и высокопотенциальная — с потенциалом В.

Цитохром Длинноволновый максимум поглощения восстановленной формы окислительно-восстано-вительный потенциал — 0,04 В.

Цитохром с. Известно несколько видов цитохрома Редокс-потенциал равен В.

Пластоцианин. Белок, содержащий два атома меди

с максимумом поглощения при в. На одну молекулу пластоцианина в хлоропласте приходится примерно 300 молекул хлорофилла. Окисленная форма пластоцианина синего, восстановленная зеленого цвета. Окислительно-восстановительные превращения обусловлены реакцией

Ферредоксин. Белок, содержащий негеминовое железо. Молекулярный вес ферредоксина 12 000. Окисленная форма ферредоксина имеет максимум поглощения при В. У бактерий обнаружены другие негеминовые железопротеиды: с равным В (рубредоксин).

Ферредоксин-НАДФ-редуктаза - флавопротеид с молекулярным весом около 50 000. Максимумы поглощения 456, 385 и 275 нм. Окислительно-восстановительные превращения происходят в изоаллоксазиновом кольце простетической группировки — флавинаденинди-нуклеотида:

( переносчика около —0,4 В.)

Кроме перечисленных идентифицированных участников транспорта электронов в хлоропластах обнаружены еще четыре чрезвычайно важных переносчика электронов, природа которых окончательно не выяснена. Их принято обозначать символами и Есть все основания предполагать, что именно эти переносчики, выступая в роли доноров или акцепторов электронов, непосредственно взаимодействуют с фотохимически активными формами пигментов — хлорофиллом 1 и хлорофиллом 2.

Переносчик Предполагается, что он является марганецсодержащим белком и выступает в роли посредника

при передаче электрона от воды к хлорофиллу 2. Величина окислительно-восстановительного потенциала не установлена.

Переносчики Обнаружены по тушению флуоресценции хлорофилла и индуцированному светом обратимому уменьшению поглощения при Считается, что изменение этих свойств является отражением активности одного и того же вещества. В мутантах, дефицитных по не удается обнаружить Кривые окислительно-восстановительного титрования этих переносчиков близки. С другой стороны, высказывается предположение, что железосодержащий белок, а комплекс белка с каротиноидом.

Переносчик Ему приписывается главный максимум в дифференциальных спектрах при Окислительно-восстановительный потенциал приблизительно равен —0,6 В. Предполагается, что по химической природе он может быть отнесен к флавинам или птеридинам.

Таким образом, транспорт электронов от воды к НАДФ осуществляется с помощью последовательных окислительно-восстановительных превращений большого числа переносчиков. Не только значения редокс-потенциалов, но и ряд других соображений, которые будут изложены ниже, позволяют конкретизировать приведенную раньше схему: . Крайне существенно, что длинноволновая и коротковолновая системы индуцируют антагонистические окислительновосстановительные превращения ряда переносчиков электронов. Так, длинноволновое освещение сопровождается окислением цитохрома или пластоцианина с восстановлением НАДФ. Коротковолновая подсветка приводит к обратной реакции.

В работах Витта, Кушковского и Фока показано, что свет, поглощаемый преимущественно фотосистемой II (хлорофилл 2), приводит к восстановлению, а длинноволновый свет (фотосистема I) — к окислению пластохинона и пластоцианина. Описаны аналогичные

восстановительные превращения экзогенных редокс-соединений (например, хинонов). В пользу обратимых окислительно-восстановительных превращений переносчиков электронов свидетельствуют также опыты Батлера. При освещении хлоропластов красным светом, адресованным преимущественно хлорофиллу 2, наблюдается возгорание его флуоресценции во времени. Противоположным образом действует дальний красный свет, преимущественно адресованный хлорофиллу 1. При этом наблюдается развивающееся во времени тушение флуоресценции хлорофилла 2. Эти эффекты могут быть объяснены тем, что окисленная форма переносчика является эффективным тушителем флуоресценции хлорофилла 2 в хлоропласте в соответствии со схемой

Своеобразие этого тушения состоит в том, что энергия возбуждения хлорофилла растрачивается не на тепло, а на фотохимическую реакцию («движение» электронов). Восстановление означает «запирание» стока энергии на фотохимию: все уже восстановлено, и хлорофилл беспрепятственно флуоресцирует, поскольку отсутствует конкуренция.

Окисленный может собирать энергию от всех молекул хлорофилла в фотосинтетической единице по схеме пигменты-светосборщики фотохимически активный хлорофилл (реакционный центр) фотовосстановление

Таким образом, приведенные данные по спектральному «зондированию» фотосинтеза уже подтверждают мысль о двух фотохимических системах, содержащих различные формы хлорофилла. Фотохимические окислительно-восстановительные превращения активных форм хлорофилла индуцируют последовательное движение электронов в общей цепи переносчиков. Электрон, отрываемый при фотолизе воды фотосистемой II и передаваемый ее конечному восстановленному переносчику пластоцианину или цитохрому служит донором для терминального участка электронного каскада, управляемого фотосистемой

Более вескими доказательствами существования двух фотосистем являются опыты по разделению систем с помощью ингибиторов фотосинтеза (химическое разделение) и дифференциального центрифугирования раздробленных хлоропластов (механическое разделение).

При химическом разделении используются вещества, блокирующие электронный транспорт на его различных участках (моноурон, диурон, фтиокол, дихлорфенилдиме-тилмочевина, фенантролин и др.). Ингибирование электронного транспорта сопровождается исчезновением индуцированных светом обратимых окислительно-восстановительных превращений переносчиков. Одновременно прекращается фотосинтез. Хлоропласты перестают синтезировать НАДФН и выделять кислород. Это прямо указывает на электронную природу процессов, вызываемых фотохимическими превращениями пигментов. Однако блокирование фотосинтеза может быть снято добавлением экзогенных доноров или акцепторов электронов. Если после разобщения двух фотосистем диуроном ввести акцептор электронов для фотосистемы II, последняя при коротковолновом освещении будет нормально функционировать. Естественно, что при этом акцептор (краситель), воспринимая электрон воды, восстанавливается. И наоборот, в присутствии доноров электрона (аскорбиновая кислота) работает фотосистема I, о чем свидетельствует образование НАДФН. В этом случае донор электронов окисляется, отдавая свой электрон НАДФ.

К утрате свойственных хлоропласту функций приводит также избирательное удаление отдельных компонентов электронно-транспортной цепи. Для этого используют сравнительно мягкие воздействия на хлоропласт: малополярные растворители, детергенты, ультразвук, ферменты. Например, вымывание из лиофилизированных хлоропластов пластоцианина при воздействии на них гептаном приводит к утрате функций фотосистемы Эти функции восстанавливаются после добавления препарата пластоцианина.

Остановимся теперь более подробно на механическом разделении двух фотосистем. В 1964 г. Бордману после разрушения хлоропластов детергентом дигитонином с помощью дифференциального центрифугирования удалось выделить легкие и тяжелые фрагменты ламелл при

144 000 и 10 000 g соответственно. Оказалось, что легкие и тяжелые фрагменты резко различаются по химическому составу. Для легких фракций характерны соотношение равное 5,3, высокое содержание цитохрома и железа. В тяжелых фракциях соотношение равняется 2,3, они содержат мало но много марганца и цитохрома Иными словами, химический состав свидетельствует о преимущественной обогащенности легких фрагментов компонентами фотосистемы I, а тяжелых — фотосистемы II (табл. 5).

Таблица 5. Характеристики легких ( и тяжелых (10 фрагментов хлоропластов

Тяжелая фракция обладает также способностью восстанавливать красители на свету с выделением но плохо восстанавливает НАДФ за счет электрона воды. Легкая же фракция в присутствии восстановленного дихлорфенолиндофенола энергично восстанавливала НАДФ, но не восстанавливала окисленную форму этого красителя. Следовательно, и по функциональным признакам легкая фракция включала в себя молекулярный аппарат фотосистемы I, а тяжелая — молекулярный аппарат фотосистемы II.

Этот вывод подкрепляется люминесцентными измерениями. Тяжелые фракции в опытах Бордмана обладали в пять раз более интенсивной, но менее поляризованной флуоресценцией, чем легкие При температуре жидкого азота в спектрах люминесценции легких фракций преобладал компонент который составлял 97% от общей интенсивности свечения.

В отличие от этого низкотемпературная люминесценция тяжелой фракции в значительной мере была представлена полосой Для тяжелых фрагментов наблюдалось также -секундное возгорание флуоресценции при освещении красным светом, что, как отмечалось ранее, связано с восстановлением переносчика в фотосистеме II. Естественно, что легкие фрагменты хлоропластов таким свойством не обладали, поскольку фотосистема I не содержит способного в окисленной форме тушить свечение.

Рис. 17. Спектры флуоресценции хлоропластов (1) и их легких (2) и тяжелых (3) фрагментов (Кок В., Rurainski Н., 1966)

Вполне понятно, что легкие и тяжелые фрагменты не представляют собой чистые фотосистемы I и II, а лишь в той или иной мере обогащены ими, чем и объясняется смешанный характер спектров флуоресценции (рис. 17). Вслед за Бордманом фрагменты хлоропластов, обогащенные фотосистемами I и II, были получены рядом авторов (Вернон, Митчел, Шлык и др.). Они использовали для дезинтеграции хлоропластов не только дигитонин, но и другие детергенты (тритон додецилсульфат натрия), ультразвук, а также простое механическое раздробление хлоропластов. Затем фрагменты разделялись методами гельэлектрофореза или ультрацентрифугирования в градиенте плотности.

При определенных условиях удается осуществить реконструкцию мембранных структур из легких и тяжелых фрагментов с частичным восстановлением функций, свойственных фотосинтетическому аппарату.

Наконец, необходимо упомянуть о «генетическом» разделении двух фотосистем — использовании мутантов, дефицитных по переносчикам электронов. Был, например, получен мутантный штамм водоросли Chlamidomonas reinhardii, хлоропласты которого не содержали пластоцианина. Как и ожидалось, фрагменты хлоропластов

этого мутанта не обладали способностью к восстановлению НАДФ, но приобретали ее после добавления экзогенного пластоцианина.

Итак, «восходящий» транспорт электронов «питается» энергией света, поглощаемого двумя фотосистемами. Перенос каждого электрона от воды к НАДФ через цепь переносчиков требует поглощения не одного, а, по крайней мере, двух квантов света двумя различными формами хлорофилла а — и

К настоящему времени мы располагаем сведениями о природе партнеров в цепи транспорта электрона, об их относительной концентрации Последовательность расположения переносчиков электронов и места их стыковки с пигментами первой и второй фотохимических систем были установлены на основании величин стандартных редокс-потенциалов различных переносчиков (нисходящий транспорт электрона возможен только в направлении увеличения и временных параметров их окислительно-восстановительных превращений, показывающих, какой переносчик раньше, а какой позже испытывает подобные превращения после возбуждения (рис. 18). Кроме того, информация о строении цепи транспорта электрона была получена при изучении фотоиндуцированных превращений переносчиков при химическом, механическом и генетическом разделении двух фотосистем фотосинтеза.

Проанализировав обширный фактический материал, Хилл и Бендалл предложили схему электронной стадии фотосинтетического процесса, которая после ряда уточнений и модификаций получила название -схемы (рис. 19). Как в фотосистеме II, так и в фотосистеме I передача электронов по цепи переносчиков осуществляется по одноэлектронному механизму.

При поглощении одного кванта света фотосистема II за время менее 10—5 с поднимает один электрон от воды через первичный переносчик электрона к первичному акцептору электронов. Измерены квантовые выходы реакций его восстановления фотосистемой II и окисления фотосистемой I, которые оказались равными 1, т. е. Подъем электрона сопровождается изменениями редокс-потенциала от до 0,0 В, т. е. восстановленный временно запасает в себе энергию 18 ккал/моль,

являющуюся частью световой энергии, заключенной в электронно-возбужденном состоянии хлорофилла а. Следовательно, основная функция фотосистемы II — фотолиз воды с образованием кислорода и богатых энергией электронов:

В механизме фотолиза воды до сих пор остается много неясного. Очевидно, что отрыв электрона от воды может произойти только в том случае, если сродство к электрону у возбужденного хлорофилла будет выше, чем у воды.

Рис. 18. Две фотосистемы и цепь переноса электронов при фотосинтезе (Witt Н., 1971) В верхней части схемы — времена жизни промежуточных продуктов, в нижней — максимумы в дифференциальных спектрах поглощения,

Возможно, что роль переносчика сводится к облегчению донор-акцепторных взаимодействий между неполярной молекулой хлорофилла и полярной молекулой воды.

При добавлении экзогенных красителей, являющихся

акцепторами электронов хлорофилла 2, происходит фотолиз воды с выделением кислорода и восстановление красителя. Эта реакция была описана Хиллом в 1937 г. и получила название реакции Хилла. Пигментный фонд фотосистемы II включает наряду с фотохимически активной формой хлорофилла а и пигменты-светосборщики: хлорофилл хлорофилл , хлорофилл и фикобилины, миграционным путем передающие энергию в реакционный центр.

Рис. 19. -схема фотосинтеза: дихлорфеиолиидофенол, -аскорбиновая кислота, ферри-цианид, — диурон

Электрон от с постепенным уменьшением свободной энергии последовательно передается пластохинону, пластоцианину или цитохрому

Второй «антитермодинамический» подброс электрона происходит в пределах фотосистемы II при поглощении света формой электрон, отрываясь от цитохрома восстанавливает неидентифицированный интермедиат X, окислительно-восстановительный потенциал которого равен —0,6 В. Восстановленная форма интермедиата X временно запасает в себе избыточную энергию 32 ккал/моль. Квантовый выход этой реакции равняется 1. Именно эта величина была получена при

окислении доноров электронов фрагментами фотосистемы I в присутствии метилового красного какакцептора электронов для света с

Пигментный фонд фотосистемы прежде исего фотохимически активную форму хлорофилла — Предполагается, что является агрегированной формой хлорофилла а, находящейся, возможно, в комплексе с цитохромом Кроме того, в пигментный фонд фотосистемы I входят пигменты-светосборщики, к которым относятся хлорофилл хлорофилл и каротиноиды. В фотосистему I входят также белки — переносчики электронов ферредоксин и ферредоксин-НАДФ-редуктаза, через окислительно-восстановительные превра-

Рис. 20. Молекулярный состав фотосистем I и II (Vernon L. et al., 1971)

щения которых электрон с некоторой потерей энергии спускается к НАДФ и восстанавливает его.

Ориентироводное представление о молекулярном составе фотосистем I и II дает схема Вернона, в основу которой легли данные, полученные при химическом анализе легких и тяжелых фрагментов ламелл хлоропластов (рис. 20).

Таким образом, согласованная деятельность двух фотосистем обеспечивает превращение «бедного» энергией электрона, возникающего при окислении воды, в «богатый» энергией электрон НАДФН, который является источником активированного водорода — восстановительной силы, используемой в дальнейшем для синтеза углеводов из углекислого газа.

Транспорт электронов представляет собой одноэлектронный процесс и требует для своего завершения поглощения, по крайней мере, двух квантов света, по одному в каждой из фотосистем. В ходе транспорта электронов часть энергии квантов света запасается также в макро-эргических соединениях — АТФ (фотосинтетическое фосфорилирование).

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление