Эффект усиления Эмерсона. Понятие о фотосистемах

Впервые идею о существовании двух фотосистем высказал американский биохимик Роберт Эмерсон в 1959 г. Он экспериментировал с хлореллой по изучению скорости фотосинтеза, используя показатель квантового выхода фотосинтеза:

Данные этого эксперимента легли в основу гипотезы о существовании двух фотореакций, которые индуцируются красным светом различной длины волны. Эта гипотеза в 60-х гг была подтверждена экспериментально. Из тилакоидов мембран были выделены компоненты ФСI и ФСII. Каждая из этих фотосистем имеет собственные ССК, реакционный центр и свой отрезок ЭТЦ.

Компоненты ЭТЦ организованы последовательно в тилакоидных мембранах. Все переносчики содержат функциональные группировки, способные к окислительно-восстановительным превращениям. Одни переносчики электронной природы, другие – атомной природы. Различаются переносчики степенью сродства к электронам, о которой судят по окислительно-восстановительному потенциалу (Е) – это количественная мера сродства к электронам, измеряется в вольтах и относится к паре. Разные окислительно-восстановительные пары обладают разной степенью сродства к электронам, величина окислительно-восстановительного потенциала изменяется от – до +, место расположения переносчиков в ЭТЦ определяется величиной окислительно-восстановительного потенциала.

Характеристика основных переносчиков

1) Цитохромы – электронные переносчики, функциональной группировкой которых является железо. Цитохромы представляют собой гемопротеины. Существуют разные цитохромы: а, b, c, d; они отличаются друг от друга по структуре гема и по аминокислотному составу. В ЭТЦ фотосинтеза есть цитохром b и цитохром c (f).

2)

В ЭТЦ фотосинтеза три вида хинонов: мембрансвязанные хиноны Q_A и Q_B, липидорастворимый, свободно мигрирующий по тилакоидной мембране пластохинон (Пх).

3) Пиридиннуклеотиды (НАД, НАДФ) – атомные переносчики. Окислительные цепи используют НАД, а восстановительные – НАДФ.

4) Флавопротеиды (ФАД) – атомные переносчики. ФАД входит в состав оксидоредуктазы, которая восстанавливает НАДФ.

5) Железопротеиды – электронные переносчики, функциональной группировкой которых является железо в негеминовой (в отличие от цитохромов) форме. К ним относят железо-серные белки (Fe-S) и ферредоксин (Фд).

6) Медьпротеиды – электронные переносчики. В ЭТЦ фотосинтеза представлены пластоцианином (Пц).

7) Марганецпротеиды – электронные переносчики. Входят в состав водорасщепляющего комплекса.

Схема ЭТЦ предложена учеными Хиллом и Бенданом в 1960 г., она получила название Z-схема.

Фотосистема I.

В реакционном центре фотосистемы I находится димерная форма хлорофилла а с максимумом поглощения 700 нм (Р₇₀₀). Первичным акцептором электронов (А₁) является специфическая мономерная форма хлорофилла а. В роли вторичного акцептора электронов выступает железо-серный белок (А₂ = Fe-S). Со вторичного акцептора электроны последовательно поступают на две формы ферредоксина (Фд): мембрансвязанную и водорастворимую. Ферредоксин образует комплекс с соединением, простетической группой которого является ФАД. ФАД-содержащая оксидоредуктаза, в свою очередь, способна восстанавливать НАДФ⁺.

Фотосистема II.

В реакционном центре – димерная форма хлорофилла а с максимумом поглощения 680 нм (Р₆₈₀). Первичный акцептор – безмагниевый аналог хлорофилла феофитин (Фф). Восстановленный феофитин передает электроны на пластохинон. Пластохинон находится в тилакоидах в количестве, превышающем концентрации всех других переносчиков, и образует пул пластохинонов (Q_A, Q_B, Пх). Восстановление пластохинонов происходит после присоединения двух электронов. В восстановленном виде пластохиноны проявляют очень высокое сродство к протонам, которые поступают из стромы хлоропласта. Пластохиноны обеспечивают связь фотосистем I и II через цитохромный комплекс, который включает цитохром b₆, белок Риске (Fe-S) и цитохром c (f). От цитохромного комплекса электроны идут на пластоцианин (Пц). Помимо прочих в фотосистему II входят следующие кофакторы: Са²⁺, Сl^-, СО₂^2-.

Особняком стоит участок ЭТЦ, который передает электроны на восстановление окисленного Р₆₈₀ от воды, так называемый, водорасщепляющий комплекс. При передаче электронов с Р₆₈₀ на феофитин образуется окисленный хлорофилл, который обладает исключительно высоким сродством к электронам и является самым сильным биологическим окислителем. Благодаря этому происходит фотолиз воды, его осуществляет водорасщепляющий комплекс, который в активном центре содержит группу ионов марганца. Ионы марганца служат донором электронов для восстановления окисленного Р₆₈₀. Отдавая электроны, ионы марганца становятся накопителями положительных зарядов, которые участвуют в окислении воды. После четырехкратного срабатывания в водорасщепляющем комплексе накапливается 4 сильных окисленных эквивалента в виде двух окисленных ионов марганца. Эти ионы взаимодействуют с двумя молекулами воды, отнимая от них 4 электрона, тем самым, вызывая разложение воды.

Фотосистема II является наиболее уязвимым звеном фотосинтетического аппарата, который чаще всего повреждается в стрессовых ситуациях. Молекулярные механизмы ключевого этапа фотолиза воды до сих пор не ясны.

Р680

Р680

*

Фф

Р700

Пх

Пц

ē

ē

ē

ē

ē

Н+

Н+

Известны следующие виды фосфорилирования:

1) окислительное;

2) субстратное (осуществляется посредством киназ);

3) фотофосфорилирование.

Фотофосфорилирование – это процесс образования АТФ в ходе световой фазы фотосинтеза за счет энергии выделения электронов. Известны разные пути фотофосфорилирования:

1) Нециклический путь связан с нециклическим транспортом электронов от воды к НАДФ+:

Н₂О + НАДФ⁺ + АДФ + Фн → НАДФН₂ + АТФ + О₂↑

2) Циклический путь. Иногда электроны от ферредоксина идут не на ФАД, а на восстановленный пластохинон. В этом случае НАДФ+ не восстанавливается, но протонный градиент создается и синтез АТФ идет. Часть хлоропластных белков синтезируется непосредственно в хлоропластах, для этого нужна АТФ, поэтому даже при нормальной длине волны иногда происходит переключение на циклический путь фотофосфорилирования.

3) Псевдоциклический путь. Иногда оксидоредуктаза восстанавливает не НАДФ⁺, а кислород, в результате этого образуется вода.

В процессах, связанных с окислительно-восстановительными реакциями, происходит изменение свободной энергии, которое рассчитывается по формуле Нернста:

Δσ° = – nFΔE₀,

где Δσ° – изменение свободной энергии;

n – количество переносимых электронов (n = 2);

F – число Фарадея (F = 23 ккал/моль);

Е_{НАДФ /НАДФН} = – 0,32 В (электроноакцепторная система)

Δσ° = – 2 · 23 (– 0,32 – 0,82) = 52,44 ккал

В процессе передачи электронов с воды на НАДФ⁺ энергия поглощается. Для образования одной макроэргической связи АТФ требуется 7,3 ккал/моль. Таким образом, во время фотофизического и фотохимического этапов световой фазы фотосинтеза происходит запасание 52,44 ккал энергии, часть этой энергии расходуется на синтез АТФ в ходе энзиматического этапа.

19. Характеристика основных компонентов фотосистем и принцип их последовательности в ЭТЦ.

Характеристика основных переносчиков

3) Цитохромы – электронные переносчики, функциональной группировкой которых является железо. Цитохромы представляют собой гемопротеины. Существуют разные цитохромы: а, b, c, d; они отличаются друг от друга по структуре гема и по аминокислотному составу. В ЭТЦ фотосинтеза есть цитохром b и цитохром c (f).

4)

В ЭТЦ фотосинтеза три вида хинонов: мембрансвязанные хиноны Q_A и Q_B, липидорастворимый, свободно мигрирующий по тилакоидной мембране пластохинон (Пх).

8) Пиридиннуклеотиды (НАД, НАДФ) – атомные переносчики. Окислительные цепи используют НАД, а восстановительные – НАДФ.

9) Флавопротеиды (ФАД) – атомные переносчики. ФАД входит в состав оксидоредуктазы, которая восстанавливает НАДФ.

10)Железопротеиды – электронные переносчики, функциональной группировкой которых является железо в негеминовой (в отличие от цитохромов) форме. К ним относят железо-серные белки (Fe-S) и ферредоксин (Фд).

11)Медьпротеиды – электронные переносчики. В ЭТЦ фотосинтеза представлены пластоцианином (Пц).

12)Марганецпротеиды – электронные переносчики. Входят в состав водорасщепляющего комплекса.

Схема ЭТЦ предложена учеными Хиллом и Бенданом в 1960 г., она получила название Z-схема.

Фотосистема I.

В реакционном центре фотосистемы I находится димерная форма хлорофилла а с максимумом поглощения 700 нм (Р₇₀₀). Первичным акцептором электронов (А₁) является специфическая мономерная форма хлорофилла а. В роли вторичного акцептора электронов выступает железо-серный белок (А₂ = Fe-S). Со вторичного акцептора электроны последовательно поступают на две формы ферредоксина (Фд): мембрансвязанную и водорастворимую. Ферредоксин образует комплекс с соединением, простетической группой которого является ФАД. ФАД-содержащая оксидоредуктаза, в свою очередь, способна восстанавливать НАДФ⁺.

Фотосистема II.

В реакционном центре – димерная форма хлорофилла а с максимумом поглощения 680 нм (Р₆₈₀). Первичный акцептор – безмагниевый аналог хлорофилла феофитин (Фф). Восстановленный феофитин передает электроны на пластохинон. Пластохинон находится в тилакоидах в количестве, превышающем концентрации всех других переносчиков, и образует пул пластохинонов (Q_A, Q_B, Пх). Восстановление пластохинонов происходит после присоединения двух электронов. В восстановленном виде пластохиноны проявляют очень высокое сродство к протонам, которые поступают из стромы хлоропласта. Пластохиноны обеспечивают связь фотосистем I и II через цитохромный комплекс, который включает цитохром b₆, белок Риске (Fe-S) и цитохром c (f). От цитохромного комплекса электроны идут на пластоцианин (Пц). Помимо прочих в фотосистему II входят следующие кофакторы: Са²⁺, Сl^-, СО₂^2-.

Особняком стоит участок ЭТЦ, который передает электроны на восстановление окисленного Р₆₈₀ от воды, так называемый, водорасщепляющий комплекс. При передаче электронов с Р₆₈₀ на феофитин образуется окисленный хлорофилл, который обладает исключительно высоким сродством к электронам и является самым сильным биологическим окислителем. Благодаря этому происходит фотолиз воды, его осуществляет водорасщепляющий комплекс, который в активном центре содержит группу ионов марганца. Ионы марганца служат донором электронов для восстановления окисленного Р₆₈₀. Отдавая электроны, ионы марганца становятся накопителями положительных зарядов, которые участвуют в окислении воды. После четырехкратного срабатывания в водорасщепляющем комплексе накапливается 4 сильных окисленных эквивалента в виде двух окисленных ионов марганца. Эти ионы взаимодействуют с двумя молекулами воды, отнимая от них 4 электрона, тем самым, вызывая разложение воды.

Фотосистема II является наиболее уязвимым звеном фотосинтетического аппарата, который чаще всего повреждается в стрессовых ситуациях. Молекулярные механизмы ключевого этапа фотолиза воды до сих пор не ясны.

Р680

Р680

*

Фф

Р700

Пх

Пц

ē

ē

ē

ē

ē

Н+

Н+

Z-схема.

Схема ЭТЦ предложена учеными Хиллом и Бенданом в 1960 г., она получила название Z-схема.

Фотосистема I.

В реакционном центре фотосистемы I находится димерная форма хлорофилла а с максимумом поглощения 700 нм (Р₇₀₀). Первичным акцептором электронов (А₁) является специфическая мономерная форма хлорофилла а. В роли вторичного акцептора электронов выступает железо-серный белок (А₂ = Fe-S). Со вторичного акцептора электроны последовательно поступают на две формы ферредоксина (Фд): мембрансвязанную и водорастворимую. Ферредоксин образует комплекс с соединением, простетической группой которого является ФАД. ФАД-содержащая оксидоредуктаза, в свою очередь, способна восстанавливать НАДФ⁺.

Фотосистема II.

В реакционном центре – димерная форма хлорофилла а с максимумом поглощения 680 нм (Р₆₈₀). Первичный акцептор – безмагниевый аналог хлорофилла феофитин (Фф). Восстановленный феофитин передает электроны на пластохинон. Пластохинон находится в тилакоидах в количестве, превышающем концентрации всех других переносчиков, и образует пул пластохинонов (Q_A, Q_B, Пх). Восстановление пластохинонов происходит после присоединения двух электронов. В восстановленном виде пластохиноны проявляют очень высокое сродство к протонам, которые поступают из стромы хлоропласта. Пластохиноны обеспечивают связь фотосистем I и II через цитохромный комплекс, который включает цитохром b₆, белок Риске (Fe-S) и цитохром c (f). От цитохромного комплекса электроны идут на пластоцианин (Пц). Помимо прочих в фотосистему II входят следующие кофакторы: Са²⁺, Сl^-, СО₂^2-.

Особняком стоит участок ЭТЦ, который передает электроны на восстановление окисленного Р₆₈₀ от воды, так называемый, водорасщепляющий комплекс. При передаче электронов с Р₆₈₀ на феофитин образуется окисленный хлорофилл, который обладает исключительно высоким сродством к электронам и является самым сильным биологическим окислителем. Благодаря этому происходит фотолиз воды, его осуществляет водорасщепляющий комплекс, который в активном центре содержит группу ионов марганца. Ионы марганца служат донором электронов для восстановления окисленного Р₆₈₀. Отдавая электроны, ионы марганца становятся накопителями положительных зарядов, которые участвуют в окислении воды. После четырехкратного срабатывания в водорасщепляющем комплексе накапливается 4 сильных окисленных эквивалента в виде двух окисленных ионов марганца. Эти ионы взаимодействуют с двумя молекулами воды, отнимая от них 4 электрона, тем самым, вызывая разложение воды.

Фотосистема II является наиболее уязвимым звеном фотосинтетического аппарата, который чаще всего повреждается в стрессовых ситуациях. Молекулярные механизмы ключевого этапа фотолиза воды до сих пор не ясны.

Р680

Р680

*

Фф

Р700

Пх

Пц

ē

ē

ē

ē

ē

Н+

Н+

Q-цикл

П. Митчелл предложил существование двух реакционных центров в Q-цикле - центра N или i (inside, т. е. на внутренней стороне мембраны) и центра Р (electropositive) или О (outside, т. е. на внешней стороне мембраны). Центр N соответствует хинол-редуктазной точке, а центр Р - хинол- оксидазной точке. QH2 окисляется в центре Р, один электрон переносится на ЖСЦр, образуя убисемихинон-анион Qp.-, который восстанавливает Ь566 превращаясь в Q. При этом два протона выходят на Р-сторону мембраны. Один протон освобождается в результате окисления QH2 в семихинон QH, другой освобождается одновременно с первым, когда QH ионизируется до убисемихинон-аниона Qp.-, b566 восстанавливает b560, последний восстанавливает Q до убисемихийон-аниона в центре N(Qn.-). Этим заканчивается полу цикл Q, в результате 2Н+ перенесены на Р-сторону и один электрон на цитохром c1. Вторая молекула QH2 окисляется ЖСЦр, и цикл через убисемихинон Qp.-, b566 и b560 повторяется, однако b560 восстанавливает уже не Q, a Qn.-, образовавшийся в первом полуцикле, потребляется еще 2Н+ из матрикса, и цикл завершается. При этом на стороне Р выделяются еще два протона. Рассмотрение Q-цикла как процесса, состоящего из двух полуциклов, обосновано в работе [ Trumpower ea 1990 ]. В переносе электронов в центре Р (на матриксной стороне) принимает участие субъединица VII комплекса III дрожжевых митохондрий. Это подтверждается тем, что антитело против субъединицы VII тормозило активность УХол-цитохром с-редуктазы в изолированном III комплексе и в СМЧ, но не влияло на активность в митохондриях и митопластах [ Japa ea 1989, Japa ea 1987 ]. Показано существование двух стабильных форм семихинона в комплексе III, что является необходимым условием функционирования Q-цикла Другое важное условие работы Q-цикла - установление быстрого электронного равновесия как между гемами цитохрома Ь [ West ea 1988 ], так и между цитохромами c1 и c [ Tsai ea 1983 ]. Q-цикл был проверен в многочисленных работах с ингибиторами переноса электронов в комплексе III, из которых важнейшим является антимицин А. Этот ингибитор тормозит перенос электронов в комплексе, блокируя окисление цитохрома Ь и прекращая восстановление Q до семихинона Q, тем самым останавливая весь цикл [ Bowyer ea 1981, Kalten ea 1987, Roberts ea 1980 ]. Антимицин увеличивает степень восстановленности цитохрома Ь в присутствии окислителей, изменяет его спектральные свойства [ Tsai ea 1983 ]. Из этих данных следует, что точкой действия антимицина является цитохром Ь. Этот вывод подтверждается нашими данными о связывании цитохрома Ь антимицином при выращивании дрожжей в его присутствии [Звягильская ea 1977 ], а также данными Робертса и др. [ Roberts ea 1980 ] об исчезновении точки связывания антимицина у мутантов дрожжей, лишенных апоцитохрома Ь. Обнаружение в аминокислотной последовательности цитохрома Ь остатков, замена которых у мутантов дрожжей вызывала резистентность к антимицину (например, Glu-37 на Val, или Asn-31 на Lys) является прямым доказательством что точка действия антимицина в комплексе III является цитохром Ь [ Coria ea 1989, Di Vries ea 1988, Weber ea 1988 ]. Однако имеются указания на то, что точкой действия антимицина является компонент, тесно связанный с цитохромом Ь, но не идентичный ему [ Chevillotte-Brivet ea 1983 ]. Возможность участия в механизме ингибирующего действия антимицина на комплекс III не только цитохрома Ь, но и других компонентов, по- видимому, нельзя исключить. В то время как антимицин действует на цитохром Ь в центре N, ряд ингибиторов влияют на перенос электронов в центре Р митохондриальной убихинол-цитохром с-редуктазы. К ним относятся миксотиазол, стигмателлин, аналог убихинона УОДБТ(5n-ундецил-6-окси-4,7-диоксибензотиазол), и другие. Генетический анализ мутантов дрожжей, устойчивых к миксотиазолу и стигмателлину, показал, что мутации затрагивают разные участки гена цитохрома b [ Di ea 1989 ]. Согласно гипотезе "протондвижущего Q-цикла" Митчелла, перенос электронов в комплексе III сопряжен с транслокацией протонов. На каждую пару перенесенных электронов два протона потребляются из матрикса и выделяются на цитоплазматической стороне мембраны. За счет образующегося электрохимического градиента функционирует вторая точка сопряжения энергии в дыхательной цепи. По данным ряда авторов [ Beattie ea 1986, Nalecz ea 1986 ], отношение Н+/2ё в комплексе III митохондрий равно четырем. Такая же стехиометрия найдена и для встроенного в липосомы комплекса III из дрожжевых митохондрий [ Beattie ea 1982 ]. Из четырех протонов два "скалярных" происходят за счет окисления убихинола, их образование не чувствительно к действию разобщителей в отличие от двух "векторных" протонов. Механизм векторного транспорта протонов в комплексе III является предметом изучения.

22.Механизм фотосфорилирования.

Фотофосфорилирование – это процесс образования АТФ в ходе световой фазы фотосинтеза за счет энергии выделения электронов. Известны разные пути фотофосфорилирования:

4) Нециклический путь связан с нециклическим транспортом электронов от воды к НАДФ+:

Н₂О + НАДФ⁺ + АДФ + Фн → НАДФН₂ + АТФ + О₂↑

5) Циклический путь. Иногда электроны от ферредоксина идут не на ФАД, а на восстановленный пластохинон. В этом случае НАДФ+ не восстанавливается, но протонный градиент создается и синтез АТФ идет. Часть хлоропластных белков синтезируется непосредственно в хлоропластах, для этого нужна АТФ, поэтому даже при нормальной длине волны иногда происходит переключение на циклический путь фотофосфорилирования.

6) Псевдоциклический путь. Иногда оксидоредуктаза восстанавливает не НАДФ⁺, а кислород, в результате этого образуется вода.

В процессах, связанных с окислительно-восстановительными реакциями, происходит изменение свободной энергии, которое рассчитывается по формуле Нернста:

Δσ° = – nFΔE₀,

где Δσ° – изменение свободной энергии;

n – количество переносимых электронов (n = 2);

F – число Фарадея (F = 23 ккал/моль);

Е_{НАДФ /НАДФН} = – 0,32 В (электроноакцепторная система)

Δσ° = – 2 · 23 (– 0,32 – 0,82) = 52,44 ккал

В процессе передачи электронов с воды на НАДФ⁺ энергия поглощается. Для образования одной макроэргической связи АТФ требуется 7,3 ккал/моль. Таким образом, во время фотофизического и фотохимического этапов световой фазы фотосинтеза происходит запасание 52,44 ккал энергии, часть этой энергии расходуется на синтез АТФ в ходе энзиматического этапа.

Поиск по сайту: