16941

Фотосинтез

Лекция

Биология и генетика

Фотосинтез. Хлорофилл. Красный свет. Если перевести это в моль квантов то будет порядка 17 моль т.е. если поставить равенство между окислительновосстановительным потенциалом то вы видите что энергия одного моля квантов Эйнштейна достаточно высока – 17 эВ. Синий с

Русский

2013-06-28

90.5 KB

0 чел.

Фотосинтез.

Хлорофилл.

Красный свет. Если перевести это в моль квантов, то будет порядка 1,7 моль, т.е. если поставить равенство между окислительно-восстановительным потенциалом, то вы видите, что энергия одного моля квантов (Эйнштейна) достаточно высока – 1,7 эВ.

Синий свет. Порядка 400нм – это энергия порядка 3 эВ.

Почему именно видимый свет оказался эффективным для фотосинтеза?

  •  Во-первых, это оптимальный уровень энергии, 1,7 – 3 эВ – это достаточно большая энергия, чтобы участвовать в преобразованиях уже химической энергии, в окислительно-восстановительных реакциях, сопоставима с перепадами, которые мы разбирали при дыхании. Инфракрасная область – очень маленькие энергии (0,2 эВ), явно не хватает для серьезных энергетических работ, а если взять ультрафиолет, это уже 5 – 6 эВ, это мощные энергии, которые могут вызвать повреждения органических молекул.
  •  На область видимого спектра приходится более 50% энергии солнечного света, который доходит до поверхности земли. УФ поглощается в атмосфере достаточно сильно.

Оба пика поглощения хлорофилла используются. Кстати, если это вот спектр поглощения хлорофилла а, то у хлорофилла b, спектр поглощения выглядит вот так (картинка на доске). Т.е. совсем небольшое изменение – метильная группа меняется на винильную, а изменяет довольно существенно спектр. Зачем? В общем-то, ответ достаточно очевиден, – нам выгодно получить как можно шире спектр поглощения, если у нас будет несколько пигментов, для того, чтобы как можно полнее использовать спектр солнечной энергии, которая доходит до земли. Более того, это спектр чистого хлорофилла в ацетоне, оказывается, что в листе или в любом фотосинтезирующем организме – там целый набор хлорофиллов, связанных с белком. Связь хлорофилла с белком достаточно сильно меняет спектр поглощения, так что in vivo в листе существуют хл. а 661, 668, 675, 681, 695, 698, т.е. весь спектр от 660нм до 700нм – перекрыт с помощью хлорофилл-белковых комплексов, которые вместе поглощают целую полосу. Это очень важно и выгодно.

Вся ли эта энергия используется? Нарисуем энергетическое состояние хлорофилла. Вы помните (из физики), что для любой молекулы положение электронов определяется квантовыми числами (основным, орбитальным, магнитным, спиновым,), и когда получается молекула – каждый электрон в ней может занимать только определенное энергетическое положение, которое соответствует этим четырем квантовым числам. (схема Яблонского) Основное энергетическое состояние для двух электронов, которые отличаются спинами – S0, при поглощении света энергия, на которую поднимается электрон точно соответствует энергии поглощенного кванта. S1 состояние соответствует красной полосе поглощения, энергия S2 – синей полосе поглощения. Если поглотится красный квант света (энергия 1,74 эВ), то разность между этими энергетическими уровнями (S0S1) будет точно соответствовать энергии кванта, т.е. 1,74 эВ.

Какова дальнейшая судьба этих возбужденных электронов:

  1.  Все они переходят на самый нижний возбужденный уровень S1, и работает в фотохимических реакциях всегда только эта энергия, соответствующая для хлорофилла энергии красного света (1,7эВ). Т.е. если у вас поглощается синий квант света, то все 3 эВ никогда не используются, они всегда переходят на самый нижний возбужденный подуровень (S1) за счет потери энергии в тепло.
  2.  Самый вероятный переход – возврат этого возбужденного электрона на основной уровень (S1 S0), с выделением кванта света, и это будет явление флуоресценции. Т.е. тут будет обратно высвечен квант света. И если вам будут на практикуме показывать хлорофилл, очень красивый эффект, зеленый хлорофилл, и вы его поднесете к лампе, смотрите сбоку - он будет у вас красным. Это значит, что идет интенсивная флуоресценция и только красного цвета, т.е. действительно работает только самый нижний возбужденный уровень.
  3.  Может быть безизлучательный переход – тепловой переход на основной подуровень, и вся энергия просто уйдет в тепло.

Это два самых вероятных пути электрона из возбужденного состояния. Электронные переходы при этом осуществляются без изменения спина. Возможно еще два варианта. Помимо основного и возбужденных синглетных состояний, существует еще так называемое триплетное вакантное состояние Т1, Т2, когда у вас сюда переходит электрон с поворотом спина (картинка!).

Что такое спин? Из физики должны помнить, что существует основное орбитальное квантовое число, которое показывает, на каком подуровне у вас находится электрон. Магнитное квантовое число определяет форму орбитали, s – шарообразное, p – гантелеобразное, и т.д. Есть спин, – на каждой орбитали, которая определенным образом расположена в пространстве, может существовать (находиться одновременно) только два электрона, и у них должны быть противоположные спины. Очень любят объяснять спины вращением электрона, вроде как один электрон вращается в одну сторону, а другой – в другую. Но это давно устарело, в принципе, если посчитать, с какой скоростью он должен крутиться, то получится около 300 скоростей света, поэтому просто вращением это объяснить нельзя. Считается, что это два направления спина – по полю и против поля. Так вот, если на одной орбитали находятся два электрона, у них обязательно должны быть разные спины. Запрещенное состояние, когда на одной орбитали два электрона с одинаковыми спинами.

Так вот, если это на пальцах объяснять, у нас в -системе 9 пар электронов, каждая пара – с разными спинами. На триплетное состояние может перейти электрон с поворотом спина. Если в синглетном возбужденном состоянии (S1) время жизни порядка 10-9 сек, то на триплетном состоянии (Т1) время жизни существенно больше – 10-3 – 10-4 сек. Почему так получается? Дело в том, что с триплетного уровня электрон тоже может вернуться в основное состояние, но для того, чтобы вернуться, ему нужно повернуть спин. И вот на изменение спина, оказывается, нужно достаточно большое время. Поэтому раньше считали, что поскольку здесь (S1) слишком малое время жизни, как можно успеть что-то сделать? И считали, что именно с триплетным состоянием, где время жизни больше связан фотосинтез. На самом деле, это была ошибка, это состояние как раз очень вредное, но мы еще будем об этом говорить. (Обидно, но именно эта ошибка – в учебнике Медведева).

Если у вас поглощается синий квант света, тоже можно перейти на Т2 с поворотом спина, потом на Т1, но возврат на основное состояние снова с изменением спина возможен только из Т1. Это явление называется фосфоресценцией. Она характеризуется большим временем жизни электрона вот в этом состоянии.

Все возможные пути электрона в возбужденном состоянии после поглощения кванта света, которые я вам нарисовал, нам сейчас не интересны. Для фотосинтеза – это получается работа хлорофилла вхолостую. Поэтому, самый основной и нам важный момент, – это если электрон с возбужденного состояния идет на фотосинтез. Очень трудно «заставить» электрон, который уходит от хлорофилла,  делать какую-то работу, - например, восстанавливать NADPH, - когда есть такой простой вариант – просто «упасть» на нижний уровень, тем более, что время жизни возбужденного состояния так мало. Для полезной работы электрона необходимо каким-то образом стабилизировать это состояние. И вот это оказывается очень сложной проблемой.

Резюме по хлорофиллу: хлорофилл является уникальной молекулой, которая имеет два основных свойства, т.е. возможность поглощать квант света и энергию возбужденного состояния преобразовывать в окислительно-восстановительных реакциях.

Т.о. теперь мы на бумаге можем осуществить процесс фотосинтеза, т.е. процесс образования восстановленных соединений за счет энергии кванта света. Предполагаем, что у нас есть хлорофилл, ему нужно восстановить NADPH. Хлорофилл поглощает квант света,  переходит в возбужденное  состояние, электрон переходит на S1 уровень, есть окисленный NADP+, и дальше этот хлорофилл в возбужденном состоянии (Хл*), поглотив достаточно большой квант (фактически он прибавил себе 1,7эВ, которые может потратить на реакцию), может окислиться и отдать электрон на NADP+. Протонов всегда много, поэтому может образоваться восстановленный NADPH. На самом деле надо два раза отдать электрон, понятно почему, поскольку NADPH у нас двухэлектронный переносчик. Естественно, что в этом случае, если Хл отдает электрон на восстановление NADP+, то сам он становится Хл+. Энергия его при этом существенно падает. Следующий вопрос – этот Хл+ должен откуда-то получить электрон. Это вторая мощная задача.

Откуда брать электрон? Помимо «сопрягающей» структуры, которой является хлорофилл, нужен источник электронов.

Требования к источнику электронов:

  •  во-первых, его должно быть много, трудно навосстанавливать NADPH на всю существующую жизнь, поэтому источник электронов должен быть практически неиссякаем;
  •  во-вторых, этот источник должен обладать определенным окислительно-восстановительным потенциалом. Потенциал Хл* должен быть не меньше –0,4, чтобы восстановить NADP+ (–0,32) чтобы электрон шел “под горочку” необходимо, чтобы энергии было с запасом, на самом нужно деле гораздо больше –0,4, потом обсудим, почему. Так вот, у донора электронов потенциал должен быть «выше» (то есть более отрицателен), чем потенциал окисленного хлорофилла (Хл+), т.е. тут энергия тоже должна идти “под горочку”.
  •  в-третьих, желательно, конечно, чтобы донор электронов был после окисления не токсичен.

Оказывается, например, что зеленые серные бактерии нашли себе источник электронов – сероводород. Все, что я написал – это основа фотосинтеза зеленых серных бактерий. H2S – замечательный источник электронов, потенциал порядка –0,23, т.е. не очень «низкий», затем хлорофилл, затем ферредоксин (один из переносчиков электронов, еще будем об этом говорить), и NADP+. (картинка на доске) Образуется сера в свободном состоянии. Проблема для маленькой группки организмов решена, нужен только хлорофилл, квант света и H2S. За счет этого можно прекрасно восстанавливать NADP+. Единственный минус – H2S всем хорош, окислительно-восстановительный потенциал подходит, сера не очень токсична, выделяется наружу. Если видели, серные бактерии осадочек серы в пробирке образуют. Все замечательно, кроме одного, H2S – это очень нераспространенное вещество, его мало. Вот это получилась неприятность… Было бы на Земле много сероводорода, у нас бы совсем все было по-другому.

Откуда же брать электрон? Самый доступный выход – это вода, но, если честно, он хорош только по одному показателю – воды много. А по остальным показателям – это кошмар. Окислительно-восстановительный потенциал +0,82, при этом сама вода – продукт окисления, горения водорода, т.е. надо окислять уже окисленную молекулу. Т.е. по окислительно-восстановительному потенциалу – плохо. По токсичности продуктов – еще хуже, фактически при окислении воды выделяется кислород, а кислород мощнейший окислитель. Вы помните, что жизнь зародилась в бескислородной среде, а тут вдруг кислород выделяется в атмосферу. Самым определяющим показателем оказалось то, что воды много – она практически неиссякаема.

Итак, донор электронов – водичка, поскольку ее много.

Сразу  серьезная проблема – это положительный окислительно-восстановительный потенциал воды. Что получается, – квант света несет энергию 1,7эВ, у воды +0,82, значит, максимум, на что можно поднять электроны – на 1,7эВ. Окислительно-восстановительный потенциал хлорофилла в окисленном состоянии должен быть еще ниже, чем у воды, чтобы электроны отнять, т.е. Хл+ должен иметь потенциал около +1,1. Нужно, чтобы перепад был хотя бы 0,2мВ, иначе энергии не хватит, чтобы оторвать электрон от воды. Итак, +1,1мВ прибавить –1,7, получится где-то –0,6мВ, т.е. после поглощения кванта света хлорофилл в возбужденном состоянии будет иметь где-то –0,6мВ, нам нужно восстановить NADP+, который имеет окислительно-восстановительный потенциал –0,32мВ. На первый взгляд вроде проходит – можем одним квантом света отнять электрон от воды и поднять его на NADP+.

Но оказалось, что то, что хорошо на бумаге в реальности не проходит. Почему? Проблема стабилизации. Мы уже говорили, что возбужденному электрону гораздо выгоднее уйти на основной уровень путем флуоресценции, или выделения энергии в виде тепла, но никак не путем фотохимии. И для того, чтобы оторвать электрон от хлорофилла необходимо очень жесткое структурирование пространства вокруг него. Т.е. рядом должна стоять молекула, которой хлорофиллу выгоднее отдать электрон, чем вернуть его в основное состояние. Это пикосекундный интервал времнеи. Т.е. для того, чтобы шел процесс фотосинтеза необходимо, чтобы все было очень жестко структурировано – это раз.

И, во-вторых, – электрон очень быстро должен потерять часть энергии, чтобы невозможно было вернуться обратно на хлорофилл. Т.е. фактически рядом должна быть мощная энергетическая “яма” – приемник энергии, чтобы возбужденному электрону от хлорофилла было бы выгодно упасть в эту яму и тем самым запретить обратный переход.

Другими словами, для стабилизации отрыва электрона необходима

  •  структурированность и
  •  энергетическая яма – то есть потеря части энергии.

Оказывается, что для стабилизации этого состояния, для эффективного переноса электрона необходима почти половина энергии кванта. В разных случаях по-разному, иногда больше, иногда чуть меньше. Т.е. половина энергии теряется на стабилизацию. (картинка бактериального РЦ пурпурных бактерий)

Очевидно, что –0,6 не хватит, т.е. энергии одного кванта света не хватит для того, чтобы отнять электрон от воды и восстановить NADP+.

Что делать? Получилась совершенно гениальная система, которая впервые возникла у сине-зеленых водорослей. Использовать два кванта света оказалось оптимальным вариантом. Т.е. взять две молекулы хлорофилла и сделать так, чтобы две фотосистемы были сдвинуты по шкале энергии, и чтобы эти две системы работали параллельно. Одна, чтобы была “пониже” и могла окислять воду, другая “повыше”, чтобы могла восстанавливать NADP+, и так их оптимально расположить, чтобы перепад в энергии использовать для синтеза АТФ. Все же два кванта – это уже достаточно много энергии. Можно сказать, что такая система была ароморфозом на уровне биохимии. В результате оказалось, что весь последующий фотосинтез пошел по этому пути, где работают две фотосистемы.

(картинка из С4-фотосинтеза)

Механический аналог фотосинтеза: джентльмен с кувалдой – эквивалент кванта света, подкидная досочка – хлорофилл, который забрасывает электрон на высокий уровень, затем идет система передатчиков электрона. Энергии одного джентльмена не хватает, чтобы забросить электрон в корзину. Корзиночка – это NADP+. Поэтому приходится поставить второго кувалдиста повыше, и его энергии уже хватает, чтобы забросить электрон в корзину, зато тут вот у нас получается хороший перепад, чтобы поставить какую-нибудь мельницу, которая могла бы еще и полезную работу выполнять, в данном случае – синтезировать АТФ.

В результате – в нормальном виде Z-схема выглядит именно вот таким образом: (картинка).

Две фотосистемы ФСI и ФСII.

ФСII: Р680 – димер хлорофилла а, поглощает квант 680нм, переходит в возбужденное состояние, отдает электрон на систему переносчиков, в конце концов электрон переходит на Р700 – это тоже димер хлорофилла а (уже в ФСI), Р700 поглощает еще один квант света, забрасывает электрон еще выше, получается практически –1мВ, отдает электрон еще на несколько переносчиков и в конце концов электрон переходит на NADP+. Окисленный Р680 забирает электрон от воды, в результате чего выделяется кислород, и вот тут получается у нас все очень красиво и замкнуто. Электрон от воды переходит на NADP+, т.е. без квантов света термодинамически получается совершенно невозможная вещь – окислить окислитель и восстановить восстановитель. Получается, что хлорофилл такой вот “двуликий Янус” окислительно-восстановительных реакций – он может окислять окисленные соединения и восстанавливать восстановленные за счет энергии квантов света.

Итак, Z-схема фотосинтеза похожа на дыхательную электронтранспортую цепь, но если в дыхании все идет под горочку, то здесь имеются две “подкидные доски”, а дальше так же все идет под горочку. Логично предположить, что компоненты ЭТЦ фотосинтеза должны быть похожи, а может быть и такими же, как и компоненты ЭТЦ дыхания.

Компоненты ЭТЦ фотосинтеза:

Железосерные белки – апопротеины отличаются, но не всегда, но работают так же, работает одно железо. Помните, что для железосерного белка Риске с кластером связан не цистеин, а гистидин, который обеспечивает его достаточно большой положительный потенциал.

Подвижным компонентом ЭТЦ дыхания были убихиноны, для ЭТЦ фотосинтеза – это пластохиноны, их достаточно много, 9 – 10 видов, отличаются тем, что у убихинонов были две метоксильные группы (-ОСH3), а у пластохинонов – метильные (-СH3). Еще есть один любопытный хинон – витамин К, у которого не одно, а два колечка, т.е. это бензохинон. Он имеет особую функцию, мы потом еще поговорим. Пластохиноны образуют пул хинонов для ЭТЦ.

Второй подвижный переносчик для ЭТЦ дыхания был цитохром с, маленький белочек 101АК, здесь тоже эту роль выполняет маленький белочек пластоцианин, цианин – потому что здесь есть медь. Все известно, как она там связана, но принцип действия – тот же самый.

Все компоненты, как вы видите, очень-очень похожи.

Начнем с фотосистемы II, 

Р680 – димер хлорофилла а, (помните а', там в цис-положении – т.е. у дополнительного 5-го колечка конформация), ученые фотосинтетики спорят сейчас димер это или тетрамер. Итак, это хлорофилл. Его окислительно-восстановительные потенциалы Р680+ +1,12, это очень большая опасность, такая молекула окисляет все, что только можно, может окислять и белки, т.е. это очень мощный окислитель, и с этим связана будет своеобразная структурная организация реакционного центра, но об этом будем говорить позже. Поглощает он квант 680 нм, таким, его восстановленное состояние – где-то –0,7 мВ.

Первичный акцептор, т.е. акцептор, принимающий электроны от хлорофилла реакционного центра Р680, это феофетин “а”, это та же самая молекула хлорофилла, из которой убрали магний. Система сопряженных связей сохраняется, он может принимать и отдавать электроны, но преобразовывать энергию кванта света в окислительно-восстановительный потенциал он не может. Потенциал где-то –0,6 мВ, т.е. перепад небольшой, около 0,1мВ. Когда электрон уходит на феофетин происходит так называемое первичное разделение зарядов. Картинка бактериального РЦ. 

Система очень жестко пространственно подогнана, у растений этого хлорофилла нет, сразу феофетин стоит, это возможно для повышения эффективности, хотя сейчас в связи с различными новыми и очень тонкими методами изучения возможны какие-то изменения в этой схеме, но пока не будем забегать вперед.

Следующим после феофетина находится прочно связанный хинон, так называемый Qa, он находится в белке и является одноэлектронным переносчиком, это семихинонная структура, стабилизированная белком. Окислительно-восстановительный потенциал где-то от –0,19 до –0,3, т.е. вы чувствуете сразу, какая большая яма, сразу теряется от –0,7 (у хлорофилла) до –0,1 (–0,2)мВ. За счет этого быстрого ухода на хинон происходит стабилизация состояния, - выгоден энергетически переход электрона от возбужденного хлорофилла на фотохимию, а не на флуоресценцию. Дальше Qb, это тоже хинон, но считается, что это фактически место на ФСII, куда могут хиноны просто приходить принимать электроны и уходить, т.е. обменный сайт связанных хинонов, благодаря которому пул пластохинонов забирает электроны от фотосистемы II.

А дальше все очень понятно – пул пластохинонов. Итак, фактически тут достаточно короткая система передачи электронов – феофетин, связанный хинон, который делает тут яму, где теряется сразу 0,4мВ, затем Qb – сайт связывания пластохинонов, и, наконец, пул пластохинонов.

Дальше все должно быть вам уже совершенно знакомо, в мембрану встроен просто нормальный b6/c1 комплекс, который очень похож на b/c1 комплекс митохондрий, только он тут называется b6/f комплекс. Потому что у митохондрий там сначала цитохром b с двумя гемами, затем железосерный белок Риске, цитохром с1 и, наконец, цитохром с – подвижный переносчик, тут тоже самое - цитохром b6 с двумя гемами (высоко- и низкопотенциальным), железосерный белок Риске (+0,28мВ), и цитохром f. Если у вас хорошая память, то вы можете вспомнить, что я говорил, что всего цитохромов сколько? Четыре – a, b, c, d. Откуда f взялся? На самом деле цитохром f – это замаскированный цитохром с, он называется так просто от слова folia – лист, потому, что его впервые выделили из листа. На самом деле это фактически цитохром с, который работает в фотосинтезе. Здесь абсолютный аналог b/c1 комплекса, и вы уже можете придумать, зачем он нужен, – т.е. это вот та самая машинка, которая качает протоны, т.е. использует  перепад между двумя фотосистемами для того, чтобы качать протоны.  Зачем нужно качать протон вы тоже уже знаете, – для того, чтобы потом синтезировать АТФ. Итак, вот эта часть Z-схемы (Z-схема – потому, что если ее перевернуть на 90º, то она напоминает букву Z) это b6/f комплекс фотосинтеза.

Затем пластоцианин (+0,37мВ)– это маленький белочек (10,5 кДа), аналог цитохрома с, подвижный латеральный переносчик, который переносит электроны от b6/f комплекса до фотосистемы I. Т.е. получается, что вот эта система – аналог дыхательной цепи митохондрий, после Qa – фактически нормальная митохондриальная цепь, только электрон сбрасывается не на кислород, а передается на фотосистему I следующему пигменту Р700. Это тоже димер, который тоже является реакционным центром, но уже ФСI. Потенциал окисленного состояния +0,52 мВ, т.е. вполне достаточно, чтобы забрать электрон от пластоцианина. Когда Р700 поглощает квант света, потенциал становится –1,2 мВ, (+0,5 + 1.7эв = -1,2) т.е. это очень много энергии.

Дальше идут переносчики, которые в литературе называют А0 и А1.

А0 это хлорофилл, который поглощает при 695нм, Хл а695 (–0,9 мВ), который тоже очень жестко пространственно подогнан к димеру Р700.

А1 – это филохинон, или бензохинон, это тот самый витамин К1 (–0,73 мВ), он тоже жестко подогнан к хлорофиллу а695,

Дальше расположены три железосерных центра Fx, Fa и Fb. Это железосерные центры 4Fe4S, т.е. кубические, все три. Окислительно-восстановительный потенциал Fх  –0,7мВ, получается та же самая яма, Fb –0,59 мВ, Fa –0,53 мВ. Эта разница в несколько сотых между Fa и Fb обычно нивелируется, и считается, что они могут параллельно работать. Тут тоже теряется почти 0,5 мВ на стабилизацию.

Дальше электрон переходит на ферредоксин (–0,43 мВ), это маленький подвижный белок, у которого есть 2Fe2S центр, 10 – 12 кДа. И этот ферредоксин является основным продуктом фотосинтеза. Дело в том, что он может передавать электрон самым разным потребителям, и на нитратредуктазу, которая участвует в азотном метаболизме, он может отдавать электроны сразу на b6/f комплекс, т.е. он для фотосинтеза является основным распорядителем электронов. Но все-таки магистральный путь от ферредоксина – это на NADP+ окисленный, чтобы сделать NADPH. Фермент, который обеспечивает передачу электронов от ферредоксина на NADP+ известен, это FAD-зависимая NADPH-оксидоредуктаза. картинка: гантелеобразной формы, сюда вот садится ферредоксин, а вот тут вот связанный NADP+, вот тут вот есть FAD – кофермент ферредоксин-NADPH-оксидоредуктазы, которая обеспечивает передачу электрона через FAD на NADP+.

Вот вся Z-схема, в результате образуется восстановленный ферредоксин, который магистральным путем предает электрон на NADPH. Все хорошо, только у нас остался окисленным Р680, осталась “дырка”, ее надо заполнить электроном от воды. И на самом деле водоокисляющий комплекс был камнем преткновения для всех фотосинтетиков, дело в том, что достаточно сложно это сделать, и вот эта часть системы – самая капризная, поскольку окислить воду с +0,82мВ, – это задача не для слабонервных. Каким образом это все происходит?

Пространственная организация в мембране – вы уже знаете, что хлоропласты, в отличие от митохондрий, имеют три компартмента, и внутритилакоидное пространство – это третье пространство хлоропластов. Вся игра идет на мембранах тилакоидов (гранальных и ламеллярных). В мембране устройство фотосинтетического аппарата почти полный аналог системы организации митохондриальной ЭТЦ. Принцип тот же самый – отдельные белковые комплексы, которые выполняют каждый свою функцию и которые связаны подвижными маленькими переносчиками. (картинка) Вот это комплекс ФСII, b6/f-комплекс, комплекс ФСI, и FAD-содержащий фермент, который получает электроны от ферредоксина и отдает на NADPH. Подвижные переносчики – пул пластохинонов соединяет ФСII и b6/f-комплекс, пластоцианин – медьсодержащий белочек, который соединяет b6/f-комплекс с ФСI, и, наконец, ферредоксин, который является распорядителем электронов, соединяя ФСI с NADPH-восстанавливающим комплексом. Как устроены эти комплексы?

Р680, Р700 должны образовывать реакционный центр и должны быть очень жестко связаны с другими элементами ЭТЦ, вся система передачи энергии идет с постоянно увеличивающимися временными интервалами, т.е. если возбуждение электрона и возврат его в основное состояние либо на фотохимию, это пикосекундные интервалы. Процесс первичного разделения зарядов – того же порядка, несколько пикосекунд – десятки пикосекунд, процесс окисления связанных хинонов в ФСII и передача электронов на пластохиноны – это уже микросекундные интервалы. Перепад энергии уже состоялся, возврат электрона назад маловероятен, можно позволить себе “отдышаться”. Дальнейшая передача электронов с пластохинонов – миллисекундные интервалы. Т.е. после фотофизического процесса, когда происходит трансформация электромагнитной энергии в химическую, в Red/Ox-энергию – тут пикосекунды, потом, когда идет передача электронов – там уже поспокойнее. Поэтому весь первичный акт разделения зарядов и передачи электрона на первый подвижный переносчик – это миллисекунды. Пока происходит перенос электрона, реакционный центр закрыт, т.е. если Р680 поглотил квант света, то реакционный центр закрывается и уже не способен принимать следующие кванты света. Проходит несколько микросекунд, пока электрон от него ушел, “дырка” заполнилась электроном от воды, а это тоже долгий процесс, РЦ закрывается. Т.е. мало того, что на нем такая фотохимическая нагрузка, он должен еще и ловить кванты света. Поэтому когда РЦ открывается, желательно, чтобы он не простаивал, и не ждал этот квант света, а тут же получал следующий. Т.е. желательно, чтобы Р680 снабжался квантами света беспрерывно. Естественно вы можете предположить, что это довольно здоровый комплекс, и вероятность того, что как только он открылся, туда сразу попал нужный квант света, – очень невысока. Т.е. помимо снабжения электронами и проблемы жесткой структурированности и стабилизации, необходимо еще и эффективное и достаточно полное снабжение РЦ квантами света. Как это делается? Хлорофиллы РЦ составляют всего лишь 1% или даже меньше от всех хлорофиллов, которые находятся в листе. И вот теперь можно связать все факты, которые я вам говорил. Помните, что в листе есть хлорофиллы, которые за счет связывания с белками имеют максимумы поглощения 661, 663, 671нм, и т.д. Т.е. это все так называемые антенны, это хлорофиллы, которые никогда не участвуют в разделении зарядов, никому не отдают свои электроны, они только поглощают кванты света. Обратите внимание, они все более коротковолновые, чем хлорофилл РЦ, а вы помните, что чем меньше длина волны, тем большую энергию имеет квант. Поэтому получается, что вокруг РЦ находится очень большое количество - до нескольких сотен хлорофиллов, которые имеют другой спектр поглощения, и которые фактически являются антеннами. (Картинка) Вот тут у нас специальная пара молекул хлорофилла РЦ, а тут антенна – “воронка” для энергии. Квант света, поглощенный одним хлорофиллом может перейти “под горочку”, хлорофилл 661нм может передать энергию возбуждения на хлорофилл 673нм, тот – на 678, 680, и т.д., до Р700. Р700 – самый длинноволновый хлорофилл. Передача энергии может проходить по-разному. Может быть методом индуктивного резонанса: если рядом находятся две молекулы хлорофилла, то если одна молекула перешла в возбужденное состояние, а рядом другая сопряженная система соседнего хлорофилла, то возврат возбужденного электрона на основной уровень будет сопровождаться не потерей энергии в тепло, а возбуждением электрона соседней молекулы. Потом этот электрон возвращается на основной уровень, другой соседний возбуждается, и т.д. Таким образом этот переход может осуществляться по кругу антенных хлорофиллов вокруг ФС, пока в конце концов одно из возбужденных состояний антенного комплекса передается на открытый РЦ, он опять закрывается и идет фотохимия. Таким образом, помимо самого РЦ в состав ФСI и ФСII обязательно входят антенны. Хлорофилл b – является для высших растений основным пигментом антенных комплексов, для некоторых водорослей это хлорофиллы с и d. На самом деле гораздо интереснее, для цианобактерий и синезеленых водорослей такими антенными системами могут быть открытые тетрапирролы, это тоже система из четырех пиррольных колец, связанных метиновыми мостиками, но не замкнутых, это так называемые фикобилины. Они связаны с белком, получаются фикобилипротеины, они отличаются немного, фикоэритрин – красного цвета, фикоцианин – синего. В этих организмах пигменты организованы очень интересным образом – такой вот бляшкой, это так называемая фикобилисома. Т.е. вот тут (картинка) хлорофилл а нормальный - РЦ, а вот антенный комплекс представляет собой “шапочку”, в которой послойно расположены фикобилины. Фикоэритрин самый коротковолновый, затем фикоцианин 630нм, потом аллофикоциан 670нм, и, наконец, хлорофилл РЦ. Любопытно, что такой вот открытый тетрапиррол, как фикобилин, у высших растений в антенном комплексе не используется, но растения приспособили их для других целей - в фоторецепторной системе, но об этом поговорим позже.

Антеннами могут выступать каротиноиды, это тетратерпены (С40-соединения), они тоже могут поглощать свет. Но их эффективность, как антенн, очень невысока, если хлорофиллы передают энергию с практически 90 – 95% эффективностью, то эффективность каротиноидов существенно ниже, в лучшем случае 60 – 70%.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34262. Гаструляция 25 KB
  Зародыш на этой стадии состоит из явно разделенных пластов клеток зародышевых листков: наружного эктодерма и внутреннего энтодерма. Деляминация характерна для кишечнополостных клетки находящиеся снаружи преобразуются в эпителиальный пласт эктодермы а из оставшихся клеток формируется энтодерма. Обычно деляминация сопровождается делениями клеток бластулы плоскость которых проходит по касательной к поверхности. Иммиграция миграция отдельных клеток стенки бластулы внутрь бластоцеля.