Светозависимые реакции

Светозависимые реакции фотосинтеза на тилакоидной мембране

В фотосинтез, то светозависимый реакции происходят на тилакоидные мембраны. Внутренняя часть тилакоидной мембраны называется просвет, а за пределами тилакоидной мембраны находится строма, где протекают светонезависимые реакции. Тилакоидная мембрана содержит некоторые интегральный мембранный белок комплексы, катализирующие световые реакции. В тилакоидной мембране есть четыре основных белковых комплекса: Фотосистема II (PSII), Комплекс цитохрома b6f, Фотосистема I (PSI), и АТФ-синтаза. Эти четыре комплекса работают вместе, чтобы в конечном итоге создать продукты АТФ и НАДФН.

Четыре фотосистемы поглощают световую энергию через пигменты - в первую очередь хлорофиллы, отвечающие за зеленую окраску листьев. Светозависимые реакции начинаются в фотосистеме II. Когда хлорофилл а молекула внутри центр реакции ФСII поглощает фотон, электрон в этой молекуле достигает возбужденного уровень энергии. Поскольку это состояние электрона очень нестабильно, электрон передается от одной молекулы к другой, образуя цепочку окислительно-восстановительные реакции, называется электронная транспортная цепь (ТАК ДАЛЕЕ). Электронный поток идет от ФСII к цитохрому. б₆ж в PSI. В PSI электрон получает энергию от другого фотона. Конечный акцептор электронов - НАДФ. В кислородный фотосинтез, первым донором электронов является воды, создавая кислород как отходы производства. В аноксигенный фотосинтез используются различные доноры электронов.

Цитохром б₆ж и АТФ-синтаза работают вместе, чтобы создать АТФ. Этот процесс называется фотофосфорилирование, что происходит двумя разными способами. При нециклическом фотофосфорилировании цитохром б₆ж использует энергию электронов из ФСII для накачки протоны от строма к просвет. Градиент протонов через тилакоидную мембрану создает протонодвижущую силу, используемую АТФ-синтазой для образования АТФ. При циклическом фотофосфорилировании цитохром б₆ж использует энергию электронов не только из PSII, но и из PSI для создания большего количества АТФ и остановки производства НАДФН. Циклическое фосфорилирование важно для создания АТФ и поддержания НАДФН в правильной пропорции для светонезависимые реакции.

Итоговая реакция всех светозависимых реакций кислородного фотосинтеза:

2ЧАС
₂О + 2НАДФ⁺
+ 3ADP + 3P_я → О
₂ + 2НАДФН + 3АТФ

Два фотосистемы находятся белок комплексы, поглощающие фотоны и могут использовать эту энергию для создания фотосинтетическая цепь переноса электронов. Фотосистемы I и II очень похожи по структуре и функциям. В них используются специальные белки, называемые светоуборочные комплексы, чтобы поглощать фотоны с очень высокой эффективностью. Если особая молекула пигмента в фотосинтетическом центр реакции поглощает фотон, электрон в этом пигменте достигается возбужденное состояние а затем передается другому молекула в реакционном центре. Эта реакция, называемая фотоиндуцированное разделение зарядов, является началом потока электронов и уникален тем, что преобразует световую энергию в химические формы.

В химия, многие реакции зависят от поглощения фотонов, чтобы обеспечить энергию, необходимую для преодоления энергия активации барьер и, следовательно, может быть назван светозависимым. Такие реакции варьируются от галогенид серебра реакции, используемые в фотопленке, на создание и разрушение озон в верхняя атмосфера. В этой статье обсуждается конкретная подгруппа из них, серия светозависимых реакций, связанных с фотосинтез в живых организмах.

Центр реакции

Реакционный центр находится в тилакоидной мембране. Он передает световую энергию димер из хлорофилл молекулы пигмента вблизи периплазматической (или тилакоидной) стороны мембраны. Этот димер называют особой парой из-за его фундаментальной роли в фотосинтезе. Эта особая пара немного отличается в реакционном центре PSI и PSII. В PSII он поглощает фотоны с длиной волны 680 нм, поэтому его называют P680. В PSI он поглощает фотоны на длине волны 700 нм и называется P700. У бактерий специальная пара называется P760, P840, P870 или P960. «P» здесь означает пигмент, а число, следующее за ним, - это длина волны поглощенного света.

Если электрон специальной пары в реакционном центре возбуждается, она не может передать эту энергию другому пигменту, используя резонансная передача энергии. В обычных условиях электрон должен вернуться в основное состояние, но, поскольку реакционный центр расположен так, что поблизости находится подходящий акцептор электронов, возбужденный электрон может перемещаться от исходной молекулы к акцептору. Этот процесс приводит к образованию положительного заряда на специальной паре (из-за потери электрона) и отрицательного заряда на акцепторе и, следовательно, называется фотоиндуцированное разделение зарядов. Другими словами, электроны в молекулах пигмента могут существовать на определенных уровнях энергии. В нормальных условиях они существуют на самом низком уровне энергии, на котором они могут. Однако, если энергии достаточно, чтобы переместить их на следующий энергетический уровень, они могут поглотить эту энергию и занять этот более высокий энергетический уровень. Поглощаемый ими свет содержит необходимое количество энергии, чтобы подтолкнуть их к следующему уровню. Любой свет, которому не хватает или слишком много энергии, не может быть поглощен и отражается. Однако электрон на более высоком энергетическом уровне не хочет там находиться; электрон нестабилен и должен вернуться на свой нормальный более низкий энергетический уровень. Для этого он должен высвободить энергию, которая с самого начала перевела его в более высокое энергетическое состояние. Это может происходить разными способами. Дополнительная энергия может быть преобразована в движение молекул и потеряна в виде тепла. Часть дополнительной энергии может быть потеряна в виде тепловой энергии, а остальная часть - в виде света. (Это переизлучение световой энергии называется флуоресценцией.) Энергия, но не сама электронная энергия, может передаваться другой молекуле. (Это называется резонансом.) Энергия и электронная энергия могут передаваться другой молекуле. Растительные пигменты обычно используют две последние реакции для преобразования солнечной энергии в свою собственную.

Это начальное разделение заряда происходит менее чем за 10 пикосекунды (10⁻¹¹ секунд). В своих высокоэнергетических состояниях специальный пигмент и акцептор могут подвергаться рекомбинации заряда; это электрон на акцепторе можно было сдвинуть назад, чтобы нейтрализовать положительный заряд на специальной паре. Его возвращение к специальной паре приведет к потере ценного высокоэнергетического электрона и просто преобразует поглощенную световую энергию в тепло. В случае ФС II этот обратный поток электронов может производить активные формы кислорода, что приводит к фотоингибирование.^[1]^[2] Три фактора в структуре реакционного центра работают вместе, чтобы почти полностью подавить рекомбинацию зарядов.

Другой акцептор электронов меньше 10 Å от первого акцептора, и поэтому электрон быстро перемещается дальше от специальной пары.
Донор электронов меньше 10 Å от специальной пары, и поэтому положительный заряд нейтрализуется переносом другого электрона
Передача электрона обратно от акцептора электронов к положительно заряженной специальной паре происходит особенно медленно. Скорость реакции переноса электрона увеличивается с термодинамическая благоприятность до точки, а затем уменьшается. Обратный перевод настолько выгоден, что проходит в перевернутая область где скорость передачи электронов становится медленнее.^[1]

Таким образом, перенос электронов эффективно осуществляется от первого акцептора электронов к следующему, создавая цепочку переноса электронов, которая заканчивается, если достигает НАДФН.

В хлоропластах

В фотосинтез процесс в хлоропласты начинается, когда электрон из P680 из PSII достигает более энергичный уровень. Эта энергия используется для сокращения цепочки акцепторы электронов которые впоследствии снизили редокс -потенциалы. Эта цепочка акцепторов электронов известна как электронная транспортная цепь. Когда эта цепочка достигает PS я, электрон снова возбуждается, создавая высокий окислительно-восстановительный потенциал. Электронную транспортную цепь фотосинтеза часто изображают на диаграмме, называемой z-схема, поскольку редокс диаграмма от P680 до P700 напоминает букву Z.^[3]

Конечный продукт PSII - это пластохинол, переносчик мобильных электронов в мембране. Пластохинол передает электрон от ФСII к протонному насосу, цитохром b6f. Конечным донором электронов ФСII является вода. Цитохром b₆f передает электронную цепочку в PSI через пластоцианин молекулы. PSI может продолжать перенос электронов двумя разными способами. Он может переносить электроны либо снова в пластохинол, создавая циклический поток электронов, либо в фермент, называемый FNR (Ферредоксин — НАДФ (+) редуктаза ), создавая нециклический электронный поток. PSI выпускает FNR в строма, где уменьшается НАДФ⁺
к НАДФН.

Активность цепи переноса электронов, особенно цитохрома б₆ж, приводят к откачке протоны от стромы к просвету. Полученный трансмембранный протонный градиент используется для превращения АТФ через АТФ-синтаза.

Общий процесс фотосинтетической цепи переноса электронов в хлоропластах:

ЧАС
₂О → ФС II → пластохинон → цит б₆ж → пластоцианин → PS I → НАДФН

Фотосистема II

PS II - чрезвычайно сложная высокоорганизованная трансмембранная структура, содержащая водоразделительный комплекс, хлорофиллы и каротиноидные пигменты, а центр реакции (P680), феофитин (пигмент, похожий на хлорофилл) и два хинона. Он использует энергию солнечного света для передачи электронов от воды мобильному электронному носителю в мембране, называемой пластохинон:

ЧАС
₂О → P680 → P680^* → пластохинон

Пластохинон, в свою очередь, переносит электроны на cyt б₆ж, который передает их в PS I.

Водоразделительный комплекс

Шаг ЧАС
₂О → P680 выполняется плохо изученной структурой, встроенной в PS II, которая называется водоразделительный комплекс или кислород-выделяющий комплекс. Он катализирует реакцию, которая расщепляет воду на электроны, протоны и кислород:

2ЧАС
₂О → 4H⁺ + 4e⁻ + О
₂

Фактические шаги вышеуказанной реакции протекают следующим образом (диаграмма S-состояний Долая): (I) 2ЧАС
₂О(монооксид) (II) ОН. ЧАС
₂О (гидроксид) (III) ЧАС
₂О
₂(перекись) (IV)HO
₂(супероксид) (V) О
₂(дикислород).^{[нужна цитата ]} (Механизм Долая)

Электроны переносятся на специальные молекулы хлорофилла (встроенные в ФС II), которые переводятся в более высокоэнергетическое состояние за счет энергии фотоны.

Центр реакции

Возбуждение P680 → P680^*пигмента P680 реакционного центра. Эти особые молекулы хлорофилла, встроенные в ФС II, поглощают энергию фотонов с максимальным поглощением при 680 нм. Электроны внутри этих молекул переводятся в состояние с более высокой энергией. Это один из двух основных процессов фотосинтеза, и он происходит с поразительной эффективностью (более 90%), потому что, помимо прямого возбуждения светом с длиной волны 680 нм, энергия света, сначала собираемая антенные белки на других длинах волн светособирающей системы также передается этим особым молекулам хлорофилла.

Далее следует шаг P680^*→ феофитин, а затем на пластохинон, происходящий в реакционном центре ФС II. Электроны высокой энергии передаются пластохинону до того, как он впоследствии улавливает два протона и превращается в пластохинол. Затем пластохинол высвобождается в мембрану как переносчик мобильных электронов.

Это второй основной процесс фотосинтеза. Начальные этапы происходят в пикосекунды, с КПД 100%. Кажущаяся невозможной эффективность объясняется точным расположением молекул внутри реакционного центра. Это твердое состояние процесс, а не химическая реакция. Это происходит в практически кристаллической среде, созданной макромолекулярной структурой ФС II. Обычные правила химии (которые включают случайные столкновения и случайные распределения энергии) неприменимы в твердотельных средах.

Связь водоразделительного комплекса и возбуждения хлорофилла

Когда хлорофилл передает электрон феофитину, он получает электрон от P₆₈₀^*. В свою очередь, P₆₈₀^* может окислять Z (или Y_Z) молекула. После окисления молекула Z может получать электроны из кислород-выделяющий комплекс (OEC).^[4] Диаграммы S-состояния Долая показывают реакции расщепления воды в комплексе с выделением кислорода.

Резюме

PS II - это трансмембранная структура, обнаруженная во всех хлоропластах. Он расщепляет воду на электроны, протоны и молекулярный кислород. Электроны передаются пластохинону, который переносит их к протонному насосу. Молекулярный кислород выбрасывается в атмосферу.

Появление такой невероятно сложной структуры, макромолекулы, которая преобразует энергию солнечного света в потенциально полезную работу с эффективностью, невозможной в обычном опыте, на первый взгляд кажется почти волшебным. Таким образом, представляет значительный интерес, что, по сути, такая же структура обнаруживается в пурпурные бактерии.

Цитохром б₆ж

ПС II и ПС I связаны трансмембранным протонным насосом, цитохром б₆ж сложный (пластохинол - пластоцианинредуктаза; EC 1.10.99.1 ). Электроны от ФС II переносятся пластохинолом в цитокин. б₆ж, где они поэтапно удаляются (преобразование пластохинона) и переносятся на водорастворимый носитель электронов, называемый пластоцианин. Этот окислительно-восстановительный процесс связан с перекачкой четырех протонов через мембрану. Результирующий протонный градиент (вместе с протонным градиентом, продуцируемым комплексом расщепления воды в ФС II) используется для производства АТФ через АТФ-синтазу.

Строение и функция цитохрома б₆ж (в хлоропластах) очень похож на цитохром до н.э₁ (Комплекс III в митохондриях). Обе являются трансмембранными структурами, которые удаляют электроны из подвижного липидорастворимого переносчика электронов (пластохинон в хлоропластах; убихинон в митохондриях) и переносят их на мобильный водорастворимый переносчик электронов (пластоцианин в хлоропластах; цитохром c в митохондриях). Оба являются протонными насосами, которые создают трансмембранный протонный градиент. Фактически, цитохром b₆ и субъединица IV гомологичны митохондриальной цитохром b^[5] и железо-серные белки Риске этих двух комплексов гомологичны.^[6] Однако цитохром f и цитохром с₁ не гомологичны.^[7]

Фотосистема I

Циклические светозависимые реакции происходят только тогда, когда единственной используемой фотосистемой является фотосистема I. Фотосистема I возбуждает электроны, которые затем совершают цикл от транспортного белка, ферредоксина (Fd), к цитохромному комплексу b.₆f, к другому транспортному белку, пластоцианину (Pc), и обратно к фотосистеме I. Протонный градиент создается через тилакоидную мембрану (6), когда протоны (3) транспортируются от стромы хлоропласта (4) к просвету тилакоида (5). ). Через хемиосмос образуется АТФ (9), где АТФ-синтаза (1) связывает неорганическую фосфатную группу (8) с молекулой АДФ (7).

PS I принимает электроны от пластоцианина и передает их либо НАДФН (нециклический перенос электронов ) или обратно к цитохрому б₆ж (циклический перенос электронов ):

                        пластоцианин → P700 → P700^* → FNR → НАДФН                             ↑                ↓                           б₆ж        ←    филлохинон

ФС I, как и ФС II, представляет собой сложную высокоорганизованную трансмембранную структуру, которая содержит антенные хлорофиллы, реакционный центр (P700), филлохинон и ряд железо-серные белки которые служат промежуточными носителями окислительно-восстановительного потенциала.

Система сбора света PS I использует несколько копий одних и тех же трансмембранных белков, используемых PS II. Энергия поглощенного света (в форме делокализованных электронов высокой энергии) направляется в реакционный центр, где она возбуждает специальные молекулы хлорофилла (P700, максимальное поглощение света на 700 нм) на более высокий энергетический уровень. Процесс происходит с удивительно высокой эффективностью.

Электроны удаляются из возбужденных молекул хлорофилла и переносятся через ряд промежуточных носителей к ферредоксин, водорастворимый переносчик электронов. Как и в PS II, это твердотельный процесс, работающий со 100% эффективностью.

Существует два разных пути электронного транспорта в ФС I. нециклический перенос электронов, ферредоксин переносит электрон к ферменту ферредоксину НАДФ⁺
редуктаза (FNR), снижающая НАДФ⁺
в НАДФН. В циклический перенос электронов, электроны от ферредоксина переносятся (через пластохинон) на протонный насос, цитохром б₆ж. Затем они возвращаются (через пластоцианин) в P700.

НАДФН и АТФ используются для синтеза органических молекул из CO
₂. Отношение продукции НАДФН к АТФ можно регулировать, регулируя баланс между циклическим и нециклическим переносом электронов.

Примечательно, что PS I очень похож на фотосинтетические структуры, обнаруженные в зеленые серные бактерии, так же как PS II напоминает структуры, найденные в пурпурные бактерии.

В бактериях

PS II, PS I и цитохром б₆ж находятся в хлоропластах. Все растения и все фотосинтезирующие водоросли содержат хлоропласты, которые производят НАДФН и АТФ с помощью механизмов, описанных выше. По сути, те же самые трансмембранные структуры встречаются и в цианобактерии.

В отличие от растений и водорослей, цианобактерии - прокариоты. Они не содержат хлоропластов. Скорее они поразительно похожи на сами хлоропласты. Это говорит о том, что организмы, напоминающие цианобактерии, были эволюционными предшественниками хлоропластов. Можно представить себе примитивные эукариотические клетки, принимающие цианобактерии в качестве внутриклеточных симбионтов в процессе, известном как эндосимбиоз.

Цианобактерии

Цианобактерии содержат как PS I, так и PS II. Их система сбора света отличается от той, что есть у растений (они используют фикобилины, а не хлорофиллы, как антенные пигменты), но их электронно-транспортная цепь

         ЧАС
₂О → PS II → пластохинон → б₆ж→ цитохром c₆→ PS я → ферредоксин  →  НАДФН                                                  ↑                     ↓                                                 б₆ж      ←     пластохинон

по сути, такая же, как цепь переноса электронов в хлоропластах. Мобильный водорастворимый переносчик электронов - цитохром. c₆ у цианобактерий, пластоцианин у растений.

Цианобактерии могут также синтезировать АТФ путем окислительного фосфорилирования, как и другие бактерии. Цепь переноса электронов

           НАДН-дегидрогеназа → пластохинон → б₆ж→ cyt c₆→ cyt аа₃→ О
₂

где переносчиками подвижных электронов являются пластохинон и цитохром c₆, а протонные насосы - НАДН-дегидрогеназа, цит. б₆ж и цитохром аа₃ (член COX3 семья).

Цианобактерии - единственные бактерии, которые производят кислород во время фотосинтеза. Первоначальная атмосфера Земли была бескислородной. Такие организмы, как цианобактерии, создали нашу сегодняшнюю кислородсодержащую атмосферу.

Две другие основные группы фотосинтетических бактерий, пурпурные бактерии и зеленые серные бактерии, содержат только одну фотосистему и не производят кислород.

Фиолетовые бактерии

Фиолетовые бактерии содержат единственную фотосистему, структурно связанную с ФС II у цианобактерий и хлоропластов:

P870 → P870^* → убихинон → цит до н.э₁ → cyt c₂ → P870

Это циклический процесс, в котором электроны удаляются из возбужденной молекулы хлорофилла (бактериохлорофилл; P870), переданный по цепи переноса электронов к протонному насосу (цитохром до н.э₁ сложный; похожий на хлоропласт ), а затем вернулся к молекуле хлорофилла. Результатом является протонный градиент, который используется для производства АТФ через АТФ-синтазу. Как и в случае цианобактерий и хлоропластов, это твердотельный процесс, который зависит от точной ориентации различных функциональных групп в сложной трансмембранной макромолекулярной структуре.

Чтобы сделать НАДФН, пурпурные бактерии использовать внешний донор электронов (водород, сероводород, сера, сульфит или органические молекулы, такие как сукцинат и лактат) для подачи электронов в обратную цепь переноса электронов.

Зеленые серные бактерии

Зеленые серные бактерии содержат фотосистему, аналогичную ФС I в хлоропластах:

                            P840 → P840^* → ферредоксин → НАДН                              ↑                ↓                           cyt c₅₅₃← до н.э₁← менахинон

Есть два пути переноса электронов. В циклический перенос электрона, электроны удаляются из возбужденной молекулы хлорофилла, проходят через цепь переноса электронов к протонному насосу, а затем возвращаются в хлорофилл. Мобильные переносчики электронов, как правило, представляют собой жирорастворимый хинон и водорастворимый цитохром. Полученный протонный градиент используется для производства АТФ.

В нециклический перенос электрона, электроны удаляются из возбужденной молекулы хлорофилла и используются для восстановления НАД⁺ в НАДН. Электроны, удаленные из P840, необходимо заменить. Это достигается за счет удаления электронов из ЧАС
₂S, который окисляется до серы (отсюда и название «зеленый сера бактерии »).

Фиолетовые бактерии и зеленые серные бактерии занимают относительно второстепенные экологические ниши в современной биосфере. Они интересны своей важностью в докембрийский экологии, и потому что их методы фотосинтеза были вероятными эволюционными предшественниками методов современных растений.

История

Первые идеи об использовании света в фотосинтезе были предложены Колин Флэннери в 1779 г.^[8] кто узнал, что солнечный свет падает на растения, что необходимо, хотя Джозеф Пристли отметил производство кислорода без связи со светом в 1772 году.^[9] Корнелис Ван Ниль В 1931 году было предложено, что фотосинтез - это случай общего механизма, в котором фотон света используется для фоторазложения донора водорода, а водород используется для восстановления CO
₂.^[10]Затем в 1939 г. Робин Хилл показали, что изолированные хлоропласты производят кислород, но не фиксируют CO
₂ показывая, что светлые и темные реакции произошли в разных местах. Хотя их называют световой и темной реакциями, обе они происходят только в присутствии света.^[11] Позже это привело к открытию фотосистемы I и II.

Светозависимые реакции - Light-dependent reactions

Содержание