Светозависимые реакции
Светозависимые реакции — это определенные фотохимические реакции , участвующие в фотосинтезе — основном процессе, посредством которого растения приобретают энергию. Существуют две светозависимые реакции: первая происходит в фотосистеме II (PSII) , а вторая происходит в фотосистеме I (PSI) .
PSII поглощает фотон с образованием так называемого высокоэнергетического электрона, который передается по цепи переноса электронов к цитохрому b 6 f , а затем к PSI. Восстановленный тогда PSI поглощает другой фотон, производя более сильно восстанавливающий электрон, который преобразует НАДФ. + к НАДФН. При оксигенном фотосинтезе первым донором электронов является вода , образующая кислород (O 2 ) в качестве побочного продукта. При аноксигенном фотосинтезе используются различные доноры электронов. Цитохром b 6 f и АТФ-синтаза работают вместе, производя АТФ ( фотофосфорилирование ) двумя разными способами. При нециклическом фотофосфорилировании цитохром b 6 f использует электроны от PSII и энергию от PSI. [ нужна ссылка ] перекачивать протоны из стромы в просвет . Возникающий в результате градиент протонов на тилакоидной мембране создает протондвижущую силу, используемую АТФ-синтазой для образования АТФ. При циклическом фотофосфорилировании цитохром b 6 f использует электроны и энергию PSI для создания большего количества АТФ и прекращения производства НАДФН. Циклическое фосфорилирование важно для создания АТФ и поддержания НАДФН в правильной пропорции для светонезависимых реакций .
Суммарная реакция всех светозависимых реакций кислородного фотосинтеза:
- 22Ч
2О + 2НАДФ +
+ 3АДФ + 3П я → О
2 + 2 ч + + 2НАДФН + 3АТФ
PSI и PSII — светособирающие комплексы . Если особая молекула пигмента в реакционном центре фотосинтеза поглощает фотон, электрон в этом пигменте достигает возбужденного состояния и затем передается другой молекуле в реакционном центре. Эта реакция, называемая фотоиндуцированным разделением зарядов , является началом потока электронов и преобразует световую энергию в химические формы.
Светозависимые реакции
[ редактировать ]В химии многие реакции зависят от поглощения фотонов, обеспечивающих энергию, необходимую для преодоления энергетического барьера активации , и, следовательно, их можно назвать светозависимыми. Такие реакции варьируются от реакций галогенида серебра , используемых в фотопленке, до создания и разрушения озона в верхних слоях атмосферы . В этой статье обсуждается конкретная их часть — серия светозависимых реакций, связанных с фотосинтезом в живых организмах.
Реакционный центр
[ редактировать ] | Эта статья читается как учебник . ( октябрь 2022 г. ) |
Реакционный центр находится в мембране тилакоида. Он передает поглощенную световую энергию димеру молекул пигмента хлорофилла вблизи периплазматической (или тилакоидной) стороны мембраны. Этот димер называется специальной парой из-за его фундаментальной роли в фотосинтезе. Эта специальная пара немного отличается в реакционных центрах PSI и PSII. В PSII он поглощает фотоны с длиной волны 680 нм, поэтому называется P680 . В PSI он поглощает фотоны с длиной волны 700 нм и называется P700 . У бактерий особая пара называется P760, P840, P870 или P960. «P» здесь означает пигмент, а число, следующее за ним, — это длина волны поглощаемого света.
Электроны в молекулах пигментов могут существовать на определенных энергетических уровнях. В нормальных условиях они находятся на самом низком энергетическом уровне, в основном состоянии. Однако поглощение света фотонов правильной энергии может поднять их на более высокий энергетический уровень. Любой свет, который имеет слишком мало или слишком много энергии, не может быть поглощен и отражается. Электрон на более высоком энергетическом уровне нестабилен и быстро вернется на свой нормальный более низкий энергетический уровень. Для этого он должен высвободить поглощенную энергию. Это может произойти по-разному. Дополнительная энергия может быть преобразована в молекулярное движение и потеряна в виде тепла или повторно излучена электроном в виде света ( флуоресценция ). Энергия, но не сам электрон, может быть передана другой молекуле; это называется резонансной передачей энергии . Если электрон специальной пары в реакционном центре возбуждается, он не может передать эту энергию другому пигменту с помощью резонансной передачи энергии. При нормальных обстоятельствах электрон вернулся бы в основное состояние, но поскольку реакционный центр устроен так, что подходящий акцептор электрона находится поблизости, возбужденный электрон захватывается акцептором. Потеря электрона придает специальной паре положительный заряд и, как процесс ионизации , еще больше повышает его энергию. [ нужна ссылка ] Образование положительного заряда на специальной паре и отрицательного заряда на акцепторе называется фотоиндуцированным разделением заряда . Электрон может быть передан другой молекуле. Когда ионизированный пигмент возвращается в основное состояние, он захватывает электрон и отдает энергию кислородно-выделяющему комплексу, чтобы он мог расщеплять воду на электроны, протоны и молекулярный кислород (после четырехкратного получения энергии от пигмента). Растительные пигменты обычно используют две последние из этих реакций для преобразования солнечной энергии в свою собственную.
Это первоначальное разделение зарядов происходит менее чем за 10 пикосекунд (10 -11 секунды). В своих высокоэнергетических состояниях специальный пигмент и акцептор могут подвергаться рекомбинации зарядов; то есть электрон на акцепторе может вернуться назад, чтобы нейтрализовать положительный заряд специальной пары. Его возвращение к специальной паре привело бы к потере ценного высокоэнергетического электрона и просто превратило бы поглощенную световую энергию в тепло. В случае PSII этот обратный поток электронов может производить активные формы кислорода, приводящие к фотоингибированию . [ 1 ] [ 2 ] Три фактора в структуре реакционного центра работают вместе, чтобы практически полностью подавить рекомбинацию заряда:
- Другой акцептор электронов находится на расстоянии менее 1 нанометра от первого акцептора, поэтому электрон быстро переносится дальше от специальной пары.
- Донор электронов находится на расстоянии менее 1 нм от специальной пары, поэтому положительный заряд нейтрализуется за счет переноса другого электрона.
- Обратный перенос электрона от акцептора электронов к положительно заряженной специальной паре происходит особенно медленно. Скорость реакции переноса электрона увеличивается с увеличением ее термодинамической выгодности до определенного момента, а затем снижается. Обратный перенос настолько благоприятен, что происходит в инвертированной области , где скорость переноса электронов замедляется. [ 1 ]
Таким образом, перенос электронов эффективно происходит от первого акцептора электронов к следующему, создавая цепь переноса электронов, которая заканчивается, когда он достигает НАДФН .
В хлоропластах
[ редактировать ]Процесс фотосинтеза в хлоропластах начинается, когда электрон Р680 уровня ФСII энергетического достигает более высокого . Эта энергия используется для восстановления цепочки акцепторов электронов , которые впоследствии имеют более высокий окислительно-восстановительный потенциал. Эта цепь акцепторов электронов известна как цепь переноса электронов . Когда эта цепочка достигает PSI , электрон снова возбуждается, создавая высокий окислительно-восстановительный потенциал. Цепь переноса электронов при фотосинтезе часто изображают на схеме, называемой Z-схемой , поскольку окислительно-восстановительная диаграмма от P680 до P700 напоминает букву Z. [ 3 ]
Конечным продуктом PSII является пластохинол , подвижный переносчик электронов в мембране. Пластохинол переносит электрон от ФСII к протонному насосу, цитохрому b6f . Конечным донором электронов PSII является вода. Цитохром b 6 f переносит электронную цепь на PSI через молекулы пластоцианина . PSI может продолжить перенос электрона двумя разными способами. Он может переносить электроны либо снова на пластохинол, создавая циклический поток электронов, либо на фермент под названием FNR ( ферредоксин-НАДФ(+) редуктаза ), создавая нециклический поток электронов. PSI высвобождает FNR в строму , где он снижает НАДФ. +
к НАДФН .
Активность цепи переноса электронов, особенно цитохрома b 6 f , приводит к перекачке протонов из стромы в просвет. Получающийся трансмембранный протонный градиент используется для производства АТФ посредством АТФ-синтазы .
Общий процесс фотосинтетической цепи переноса электронов в хлоропластах:
2 O → PSII → пластохинол → cyt b 6 f → пластоцианин → PSI → НАДФН
Фотосистема II
[ редактировать ]PSII представляет собой чрезвычайно сложную, высокоорганизованную трансмембранную структуру, содержащую водорасщепляющий комплекс , хлорофиллы и каротиноидные пигменты, реакционный центр (Р680), феофитин (пигмент, аналогичный хлорофиллу) и два хинона. Он использует энергию солнечного света для переноса электронов из воды на подвижный переносчик электронов в мембране, называемый пластохиноном :
2О → П680 → П680 * → пластохинол
Пластохинол, в свою очередь, передает электроны cyt b 6 f , который подает их в PSI.
Водоразделительный комплекс
[ редактировать ]Шаг Н
2 O → P680 осуществляется с помощью недостаточно изученной структуры, встроенной в PSII, называемой водорасщепляющим комплексом или комплексом, выделяющим кислород ( OEC ). Он катализирует реакцию, которая расщепляет воду на электроны, протоны и кислород.
2О → 4Н + + 4е - + О
2
используя энергию от P680 + . Реальные стадии описанной выше реакции, возможно, происходят следующим образом (диаграмма S-состояний Кока):
(Я) 2 ч
2 О (моноксид) (II) ОН. ЧАС
2 O (гидроксид) (III) H
22О
2 (перекись) (IV) HO
2 (super oxide)(V) O
2 (дикислород). [ нужна ссылка ] (механизм Долаи)
Электроны передаются специальным молекулам хлорофилла (встроенным в PSII), которые переводятся в состояние с более высокой энергией за счет энергии фотонов .
Реакционный центр
[ редактировать ]Возбуждение P680 → P680 * Здесь происходит пигмент реакционного центра P680. Эти специальные молекулы хлорофилла, встроенные в PSII, поглощают энергию фотонов с максимальным поглощением при 680 нм. Электроны внутри этих молекул переходят в состояние с более высокой энергией. Это один из двух основных процессов фотосинтеза, и он происходит с поразительной эффективностью (более 90%), поскольку, помимо прямого возбуждения светом с длиной волны 680 нм, энергия света сначала улавливается антенными белками на других длинах волн в световом диапазоне. Система сбора урожая также передается этим специальным молекулам хлорофилла.
Далее следует перенос электрона P680 * → феофитин , а затем пластохинол , который встречается в реакционном центре ФСII. Электроны передаются пластохинону и двум протонам, образуя пластохинол, который высвобождается в мембрану в качестве мобильного переносчика электронов. Это второй основной процесс фотосинтеза. Начальные этапы происходят в течение пикосекунд , с эффективностью 100%. Кажущаяся невозможной эффективность обусловлена точным расположением молекул внутри реакционного центра. Это твердотельный процесс, а не типичная химическая реакция. Это происходит в по существу кристаллической среде, созданной макромолекулярной структурой PSII. Обычные правила химии (которые включают случайные столкновения и случайное распределение энергии) не применимы к твердотельной среде.
Связь водорасщепляющего комплекса и возбуждения хлорофилла
[ редактировать ]Когда возбужденный хлорофилл Р 680 * передает электрон феофитину, он превращается в высокоэнергетический P 680 + , который может окислять молекулу тирозина Z (или Y Z ), отрывая один из ее атомов водорода. Высокоэнергетический окисленный тирозин отдает свою энергию и возвращается в основное состояние, принимая протон и удаляя электрон из комплекса, выделяющего кислород, и, в конечном итоге, из воды. [ 4 ] Диаграмма S-состояний Кока показывает реакции расщепления воды в кислородвыделяющем комплексе.
Краткое содержание
[ редактировать ]PSII представляет собой трансмембранную структуру, обнаруженную во всех хлоропластах. Он расщепляет воду на электроны, протоны и молекулярный кислород. Электроны передаются пластохинолу, который переносит их к протонному насосу. Кислород выбрасывается в атмосферу.
Появление такой невероятно сложной структуры, макромолекулы, которая преобразует энергию солнечного света в химическую энергию и, таким образом, потенциально полезно работает с эффективностью, невозможной в обычном опыте, на первый взгляд кажется почти волшебным. Таким образом, представляет значительный интерес тот факт, что, по существу, такая же структура обнаружена у пурпурных бактерий .
Цитохром b 6 f
[ редактировать ]PSII и PSI связаны трансмембранным протонным насосом, цитохрома b 6 f комплексом (пластохинол-пластоцианинредуктаза; КФ 1.10.99.1 ). Электроны от PSII переносятся пластохинолом на cyt b 6 f , где они ступенчато удаляются (реформируя пластохинон) и переносятся на водорастворимый переносчик электронов, называемый пластоцианином . Этот окислительно-восстановительный процесс связан с перекачкой четырех протонов через мембрану. Полученный протонный градиент (вместе с протонным градиентом, создаваемым водорасщепляющим комплексом в PSI) используется для производства АТФ посредством АТФ-синтазы.
По строению и функциям цитохром ( b6f в в хлоропластах) очень похож на цитохром ( bc1 Комплекс III митохондриях). Обе представляют собой трансмембранные структуры, которые отрывают электроны от подвижного жирорастворимого переносчика электронов (пластохинон в хлоропластах; убихинон в митохондриях) и переносят их на подвижный водорастворимый переносчик электронов (пластоцианин в хлоропластах; цитохром С в митохондриях). Оба являются протонными насосами, которые создают трансмембранный протонный градиент. Фактически цитохром b6 и субъединица IV гомологичны митохондриальному цитохрому b. [ 5 ] и железо-серные белки Риске двух комплексов гомологичны. [ 6 ] Однако цитохром f и цитохром с 1 не гомологичны. [ 7 ]
Фотосистема I
[ редактировать ]
PSI принимает электроны от пластоцианина и передает их либо НАДФН ( нециклический транспорт электронов ), либо обратно к цитохрому b 6 f ( циклический транспорт электронов ):
plastocyanin → P700 → P700* → FNR → NADPH
↑ ↓
b6f ← phylloquinone
PSI, как и PSII, представляет собой сложную, высокоорганизованную трансмембранную структуру, содержащую антенные хлорофиллы, реакционный центр (Р700), филлохинон и ряд железо-серных белков , служащих промежуточными окислительно-восстановительными переносчиками.
Система светособирания PSI использует несколько копий тех же трансмембранных белков, что и PSII. Энергия поглощенного света (в виде делокализованных высокоэнергетических электронов) направляется в реакционный центр, где возбуждает специальные молекулы хлорофилла (P700, с максимальным поглощением света при 700 нм) на более высокий энергетический уровень. Процесс происходит с поразительно высокой эффективностью.
Электроны удаляются от возбужденных молекул хлорофилла и передаются через ряд промежуточных переносчиков к ферредоксину , водорастворимому переносчику электронов. Как и в PSII, это твердотельный процесс, работающий со 100% эффективностью.
Существует два разных пути транспорта электронов в PSI. При нециклическом транспорте электронов ферредоксин переносит электрон к ферменту ферредоксину НАДФ. +
редуктаза (FNR), снижающая НАДФ +
к НАДФН. При циклическом транспорте электронов электроны от ферредоксина передаются (через пластохинол) к протонному насосу, цитохрому b 6 f . Затем их возвращают (через пластоцианин) в P700. НАДФН и АТФ используются для синтеза органических молекул из CO.
2 . Соотношение производства НАДФН и АТФ можно регулировать путем регулирования баланса между циклическим и нециклическим транспортом электронов.
Примечательно, что PSI очень напоминает фотосинтетические структуры, обнаруженные у зеленых серобактерий , так же, как PSII напоминает структуры, обнаруженные у пурпурных бактерий.
У бактерий
[ редактировать ]PSII, PSI и цитохром b 6 f обнаружены в хлоропластах. Все растения и все фотосинтезирующие водоросли содержат хлоропласты, которые производят НАДФН и АТФ по описанным выше механизмам. По сути, такие же трансмембранные структуры встречаются и у цианобактерий .
В отличие от растений и водорослей, цианобактерии являются прокариотами. Они не содержат хлоропластов; скорее, они имеют поразительное сходство с самими хлоропластами. Это говорит о том, что организмы, напоминающие цианобактерии, были эволюционными предшественниками хлоропластов. Можно представить, что примитивные эукариотические клетки поглощают цианобактерии в качестве внутриклеточных симбионтов в процессе, известном как эндосимбиоз .
Цианобактерии
[ редактировать ]Цианобактерии содержат как PSI, так и PSII. Их светособирающая система отличается от той, что обнаружена у растений (в качестве антенных пигментов они используют фикобилины , а не хлорофиллы), но их цепь переноса электронов
H
2O → PSII → plastoquinol → b6f → cytochrome c6 → PSI → ferredoxin → NADPH
↑ ↓
b6f ← plastoquinol
По сути, это то же самое, что и цепь переноса электронов в хлоропластах. Подвижным водорастворимым переносчиком электронов является цитохром С 6 у цианобактерий, у растений он заменен пластоцианином. [ 8 ]
Цианобактерии также могут синтезировать АТФ путем окислительного фосфорилирования, как и другие бактерии. Цепь переноса электронов представляет собой
NADH dehydrogenase → plastoquinol → b6f → cyt c6 → cyt aa3 → O
2
где переносчиками мобильных электронов являются пластохинол и цитохром с 6 , а протонными насосами - НАДН-дегидрогеназа, cyt b 6 f и цитохром аа 3 (член семейства ЦОГ3 ).
Цианобактерии — единственные бактерии, которые производят кислород в процессе фотосинтеза. Первичная атмосфера Земли была бескислородной. Организмы, подобные цианобактериям, создали нашу современную кислородсодержащую атмосферу.
Две другие основные группы фотосинтезирующих бактерий — пурпурные бактерии и зеленые серобактерии — содержат только одну фотосистему и не производят кислород.
Фиолетовые бактерии
[ редактировать ]Пурпурные бактерии содержат единственную фотосистему, структурно родственную ФСII у цианобактерий и хлоропластов:
- Р870 → Р870 * → убихинон → cyt bc 1 → cyt c 2 → P870
Это циклический процесс, при котором электроны отрываются от возбужденной молекулы хлорофилла ( бактериохлорофилла ; Р870), передаются по цепи переноса электронов к протонному насосу (комплексу цитохрома bc 1 ; аналогичен хлоропластическому ), а затем возвращаются в хлорофилл. молекула. В результате образуется протонный градиент, который используется для производства АТФ посредством АТФ-синтазы. Как и в цианобактериях и хлоропластах, это твердотельный процесс, который зависит от точной ориентации различных функциональных групп внутри сложной трансмембранной макромолекулярной структуры.
Чтобы создать НАДФН, пурпурные бактерии используют внешний донор электронов (водород, сероводород , сера, сульфит или органические молекулы, такие как сукцинат и лактат) для подачи электронов в цепь обратного переноса электронов.
Зеленые серные бактерии
[ редактировать ]Зеленые серобактерии содержат фотосистему, аналогичную PSI в хлоропластах:
P840 → P840* → ferredoxin → NADH
↑ ↓
cyt c553 ← bc1 ← menaquinol
Существует два пути переноса электронов. При циклическом переносе электронов электроны удаляются из возбужденной молекулы хлорофилла, проходят через цепь переноса электронов к протонному насосу, а затем возвращаются в хлорофилл. Переносчиками мобильных электронов, как обычно, являются жирорастворимый хинон и водорастворимый цитохром. Полученный протонный градиент используется для производства АТФ.
При нециклическом переносе электронов электроны удаляются из возбужденной молекулы хлорофилла и используются для восстановления НАД. + к НАДХ. Электроны, удаленные из P840, необходимо заменить. Это достигается за счет удаления электронов из H
2 S , который окисляется до серы (отсюда и название «зеленые серобактерии »).
Пурпурные бактерии и зеленые серобактерии занимают относительно небольшие экологические ниши в современной биосфере. Они представляют интерес из-за своей важности в докембрийской экологии, а также потому, что их методы фотосинтеза были вероятными эволюционными предшественниками методов фотосинтеза современных растений.
История
[ редактировать ]Первые идеи об использовании света в фотосинтезе были предложены Яном ИнгенХаусом в 1779 году. [ 9 ] который признал, что необходим солнечный свет, падающий на растения, хотя Джозеф Пристли в 1772 году заметил производство кислорода без связи со светом. [ 10 ] Корнелис Ван Ниль предположил в 1931 году, что фотосинтез - это случай общего механизма, когда фотон света используется для фоторазложения донора водорода, а водород используется для восстановления CO.
2 . [ 11 ]
Затем, в 1939 году, Робин Хилл продемонстрировал, что изолированные хлоропласты производят кислород, но не фиксируют CO.
2 , показывающий, что световые и темные реакции происходят в разных местах. Хотя их называют световой и темновой реакцией, обе они происходят только в присутствии света. [ 12 ] Позднее это привело к открытию фотосистем I и II.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Васс I, Цсер К (апрель 2009 г.). «Рекомбинации зарядов с лицом Януса в фотоингибировании фотосистемы II» . Тенденции в науке о растениях . 14 (4): 200–5. doi : 10.1016/j.tplants.2009.01.009 . ПМИД 19303349 .
- ^ Керен Н., Берг А., Леванон Х., Охад I (февраль 1997 г.). «Механизм фотоинактивации фотосистемы II и деградации белка D1 при слабом освещении: роль обратного потока электронов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 94 (4): 1579–84. Бибкод : 1997PNAS...94.1579K . дои : 10.1073/pnas.94.4.1579 . ЧВК 19834 . ПМИД 11038602 .
- ^ Раджни Говинджи. «Z-схема фотосинтеза» . Проверено 2 марта 2006 г.
- ^ «Фотосинтез». Энциклопедия науки и технологий Макгроу Хилла . 2007. с. 472.
- ^ Видгер В.Р., Крамер В.А., Херрманн Р.Г., Требст А. (февраль 1984 г.). «Гомология последовательностей и структурное сходство между цитохромом b митохондриального комплекса III и хлоропластным комплексом b6-f: положение гемов цитохрома b в мембране» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 81 (3): 674–8. Бибкод : 1984PNAS...81..674W . дои : 10.1073/pnas.81.3.674 . ПМЦ 344897 . ПМИД 6322162 .
- ^ Каррелл С.Дж., Чжан Х., Крамер В.А., Смит Дж.Л. (декабрь 1997 г.). «Биологическая идентичность и разнообразие фотосинтеза и дыхания: структура просветного домена хлоропластного белка Риске» . Структура . 5 (12): 1613–25. дои : 10.1016/s0969-2126(97)00309-2 . ПМИД 9438861 .
- ^ Мартинес С.Е., Хуанг Д., Щепаньяк А., Крамер В.А., Смит Дж.Л. (февраль 1994 г.). «Кристаллическая структура цитохрома f хлоропластов обнаруживает новую складку цитохрома и неожиданное лигирование гема» . Структура . 2 (2): 95–105. дои : 10.1016/s0969-2126(00)00012-5 . ПМИД 8081747 .
- ^ Торрадо, А; Рамирес-Монкайо, центральный; Наварро, Дж.А.; Маршал, В; Молина-Эредиа, ФП (январь 2019 г.). «Цитохром с 6 является основным респираторным и фотосинтетическим растворимым донором электронов в гетероцистах цианобактерии Anabaena sp. PCC 7120» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Биоэнергетика . 1860 (1): 60–68. дои : 10.1016/j.bbabio.2018.11.009 . hdl : 10261/172782 . ПМИД 30414412 . S2CID 53249935 .
- ^ Ингенхауз, Дж (1779). Опыты над овощами . Лондон: Элмсли и Пейн.
- ^ Пристли, Дж (1772). «Наблюдения за различными видами воздуха». Философские труды Лондонского королевского общества . 62 : 147–264. дои : 10.1098/rstl.1772.0021 . S2CID 186210131 .
- ^ ван Ниль, CB (1931). «О морфологии и физиологии пурпурных и зеленых серобактерий». Арх. Микробиол . 3 : 1–114. дои : 10.1007/BF00454965 . S2CID 19597530 .
- ^ Хилл, Р. (май 1939 г.). «Кислород, вырабатываемый изолированными хлоропластами». Труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 127 (847): 192–210. Бибкод : 1939РСПСБ.127..192Н . дои : 10.1098/rspb.1939.0017 . S2CID 84721851 .