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 специальная 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 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 ]- ^ Перейти обратно: 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 И. (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 хлоропласта 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 .