Первичные реакции фотосинтеза (фотофизический и фотохимический этапы). Представление о ССК и РЦ

На первом этапе происходит поглощение квантов света пигментами, их переход в возбуждённое состояние и передача энергии к другим молекулам фотосистемы. На втором этапе происходит разделение зарядов в реакционном центре, перенос электронов по фотосинтетической электронотранспортной цепи, что заканчивается синтезом АТФ и НАДФН. Первые два этапа вместе называют светозависимой стадией фотосинтеза.

Хлорофилл способен поглощать энергию квантов света и при этом возбуждаться. Возбужденное состояние является короткоживущим. Для возвращения электронов на более низшую орбиталь используется энергия возбужденного хлорофилла.

Под миграцией энергии понимают то, что одна молекула пигмента может возбудить другие. Этот путь используется в работе светособирающего комплекса.

В результате отрыва электрона от молекулы хлорофилла образуется фотоокисленный продукт (окисленный хлорофилл) и фотовосстановленный продукт, который принял электрон от хлорофилла. В таких преобразованиях суть фотохимической работы.

Исходя из продолжительного времени нахождения хлорофилла в триплетном состоянии (Т*), его считают запускающим фотосинтез. Однако это достаточно редкое состояние и хлорофилл, испустивший электрон в триплетном состоянии, не восстанавливается. Триплетное состояние хлорофилла гасится, его могут брать на себя каротиноиды. Работающим является первое возбужденное синглетное состояние (S₁*).

Благодаря своим свойствам молекула хлорофилла способна выполнять следующие функции:

10) избирательно поглощать часть света;

11) запасать поглощенный свет в виде энергии возбужденных электронов;

12) фотохимически преобразовывать энергию возбужденного состояния электронов в химическую энергию первичных фотоокисленных и фотовосстановленных соединений.

Роль фитольного хвоста хлорофилла состоит в заякоривании молекулы в тилакоидной мембране через образование связей с мембранными белками. Порфириновое ядро при таком фиксировании молекулы может менять свое положение с целью поглощения максимального количества квантов света.

Для процесса биосинтеза хлорофилла необходимы:

13) свет;

14) аминокислоты: глютаминовая кислота и аланин;

15) ацетилкофермент-А (источник фитола);

16) возможно также нужны α-кетоглутаровая кислота и глицин.

Известно 5 разных типов хлорофиллов: a, b, c₁, c₂, d. Структура порфиринового ядра у всех хлорофиллов одинакова, у хлорофиллов с отсутствует фитольный хвост. Хлорофилл а имеется у всех фотосинтезирующих организмов, у высших растений его концентрация наибольшая. Только хлорофилл а способен запускать фотохимическую работу, что было доказано в 40-х гг. ХХ в. ученым Красновским. Хлорофилл b есть у наземных растений, а также у хлорококковых и эвгленовых водорослей. Хлорофиллы c₁ и c₂ – у бурых, золотистых, диатомовых водорослей; у криптофитовых водорослей обнаружен только хлорофилл c₂. Хлорофилл d есть у красных водорослей.

ССК – это макромолекулярный комплекс, предназначенный для эффективного улавливания квантов света. Необходимость в нем связана с тем, что даже на ярком солнечном свету отдельная молекула хлорофилла способна поглощать квант света не чаще, чем 10 раз в секунду, что связано с прерывистой природой света. Благодаря работе ССК реакционный центр практически непрерывно обеспечивается энергией. На одну молекулу, которая осуществляет запуск дальнейших процессов световой фазы приходится 200 – 400 молекул хлорофилла а, b и различных каротиноидов. Передача энергии в пределах ССК происходит по принципу индуктивного резонанса. Возбужденная молекула хлорофилла представляет собой молекулярный ассоциатор. Вокруг возбужденной молекулы возникает переменное электрическое поле с определенной частотой колебаний, которое вызывает возбуждение соседних молекул при условии близких значений собственной частоты колебаний. В результате возбужденная молекула «успокаивается», а возбуждение передается к молекуле, которая не поглотила квант. Условием резонансной передачи является близкое расстояние между пигментами ССК, упаковка в тилакоидах позволяет снизить его до 1 нм.

Гомогенный перенос – между пигментами одного класса; гетерогенный – между пигментами разных классов. Поскольку часть энергии растрачивается, то принцип работы ССК – от коротковолновых пигментов к длинноволновым. Эффективность гомогенного переноса энергии близка к 100 %, гетерогенного – 10 – 50 %.

Существуют особые молекулы хлорофилла, к которым стекается энергия ССК и которые переходят в возбужденное состояние и отдают свои электроны на восстановление какого-то акцептора электрофонов. Для этого необходимо, чтобы пространственно рядом с ними находились соединения (акцепторы), которые примут эти электроны. Спецификой молекулы, которая входит в реакционный центр является димерность. Молекулы, составляющие димер, находятся достаточно близко друг к другу, их π-орбитали взаимоперекрываются.

События в реакционном центре:

Д Р А₁ А₂ Д Р* А₁ А₂ Д Р⁺ А₁^– А₂ Д⁺ Р А₁ А₂^–

Р – хлорофилл реакционного центра;

А₁ – первичный акцептор электронов;

А₂ – вторичный акцептор электронов;

Д – донор электронов.

Время передачи от Р* на А₁ составляет 10^-12 сек, время обратного перехода – 10^-6 сек, т. к. происходит частичная растрата энергии. В результате событий в реакционном центре пространственно разделяются разноименные заряды. Отмечается очень высокая эффективность разделения зарядов. Квантовая эффективность близка к 100 %, энергетическая эффективность для первого этапа – 90 %, для второго этапа – 50 – 70 %.

Энергия разделения зарядов – это выделение химической энергии, которая преобразуется в энергию химических связей.

ССК с реакционным центром представляют фотосинтетическую единицу – функциональный комплекс, включающий пигменты и белки, способные поглотить энергию и трансформировать ее в виде энергии разделенных зарядов. Работа ССК – фотофизический этап световой фазы, работа реакционного центра – фотохимический этап. Конечным акцептором электронов от возбужденной молекулы хлорофилла является НАДФ⁺. Для восстановления НАДФ⁺ требуется поглотить 4 кванта света, которые собираются двумя ССК и передаются на два реакционных центра, т. е. происходит не одна, а две фотореакции, осуществляемые двумя разными фотосистемами.

Поиск по сайту: