Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Фотосинтез: фізіолого-біохімічні та екологічні аспекти
Первинні процеси фотосинтезу міграція енергії. Фотосинтетична одиниця

Первинні процеси фотосинтезу. Фотосинтез — насамперед проблема фізична. Первинні процеси його розпочинаються з реакцій поглинання електромагнітної енергії сонячних квантів, запасання її та стабілізації у вигляді електронного збудження, міграції енергії в пігмент-ліпопротеїдному комплексі хлоропластів

Хл + hv → хл*

Міграцією енергії називають процес передачі енергії електрон-збудженого стану від молекули пігменту, яка поглинула квант світла, до іншої молекули. Як механізм енергетичного перенесення пропонуються гіпотези про міграцію екситону, або шляхом індуктивного резонансу.

Передачу енергії через молекули різних пігментів визначають як «гетерогенне перенесення", тоді як аналогічний процес між гомологічними молекулами називають «гомогенним перенесенням". Доказом можливої передачі енергії такого типу виступають дослідження флуоресценції. Так, при опроміненні пігментної системи монохроматичним світлом, наприклад таким, що поглинається тільки хлорофілом b, можна зафіксувати спектр флуоресценції хлорофілу а.

Вдалося виявити міграцію енергії між такими парами: коротиноїди → фікоеритрин → фікоціанін → хлорофіл b → хлорофіл а; хлорофіл а → хлорофіл а. Завжди можлива міграція від кожного з пігментів безпосередньо на хлорофіл а.

Напрямок міграції енергії завжди від пігментів з максимумом поглинання в зоні більш коротких хвиль до молекул, максимум поглинання яких розміщений в довгохвильовій зоні.

Тепер чітко доведено гетерогенність хлорофілів у мембрані, тобто спектральна дискретність хімічно тотожних молекул пігментів, яка зумовлена відмінностями в характері взаємодії пігменту з навколишнім середовищем.

Як відомо, світло має одночасно і хвильові, і корпускулярні властивості, тобто поширюється як хвиля та поглинається квантами, або фотонами. Енергія одного фотона дорівнює добутку його частоти (v) на константу Планка (h) та виражається в еВ (1 еВ = 1,6022 × 10^-19 Дж), або в Ейнштейнах.

Один. Ейнштейн — це та енергія при певній довжині хвилі, яка повинна поглинутися 1 молем речовини для того, щоб кожна її молекула вступила у фотохімічну реакцію. Фотоактивні речовини, в тому числі пігменти, здатні поглинати кванти світла. Що це означає?

Незбуджена молекула хлорофілу знаходиться в тепловій рівновазі з навколишнім середовищем і такий стан називають основним (S₀). В такому стані валентні електрони займають найнижчі енергетичні рівні (причому, згідно з принципом Паулі, не більше двох електронів з анти- паралельними спінами на кожній орбіталі). Сумарний спін (вектор магнітних моментів) всіх електронів молекули дорівнює нулю. При поглинанні кванта світла молекула хлорофілу переходить

на один із збуджених коливальних підрівнів електронного рівня, тобто на більш високу вільну орбіталь. Такий перехід не міняє напрямку електронного спіну і проходить за 10^-15 с. Так як електрон, що здійснив перехід, не змінив напрямок спіну, його спін так і залишається протилежно спрямованим по відношенню до спіну електрона, який залишився на попередній орбіталі. Ці два спіни немовби зрівноважують один одного, як в основному, так і в збудженому станах молекули, тому їх називають спареними. Молекула, у якої всі електронні спіни спарені, не володіє магнітним моментом і називється синглетною. Значить, у нашому випадку молекула перейшла із основного синглетного стану S₀ у збуджений синглетний стан. Як відомо, хлорофіл поглинає як «червоний квант» з довжиною хвилі 662 нм (енергія 3,00×10^-19 Дж, або 1,87 еВ), так і «синій квант» (енергія 4,62×10^-19 Дж, або 2,88 еВ), внаслідок чого молекула переходить в один із двох різних збуджений станів. Їх називають S₁ (перший) і S₂ (другий) синглетний стани (рис. 44).

Рис. 29. Енергетичні стани молекули хлорофілу

Якщо ж при переході на більш високу орбіталь спін змінює свій напрямок, то таке збудження називають триплетним (спіни стають паралельними), сумарний спін дорівнює одиниці.

Молекула хлорофілу може поглинати світло як в червоній, так і в синій частині спектра, тобто одержувати різну кількість енергії, а отже, переходити на І або II синглетний рівні. Час існування збудженої молекули незначний (1-й — 10^{-8 -9}С, 2-й — 10^-12С), після чого вона повертається на вихідний енергетичний рівень. Це відбувається різними шляхами:

Первинна фотофізична стадія розпочинається з поглинання світла пігментами. Кожна молекула хлорофілу поглинає 4-40 квантів за секунду. Міграція енергії забезпечує ефективне збирання квантів світла світлозбираючим комплексом (СЗК-антена) та транспортування її до тих молекул хлорофілу, які поєднані з фотохімічними реакціями.

Фотосинтетична одиниця

Молекули хлорофілу, які здійснюють перетворення сонячної енергії, локалізуються приблизно в 1000 тилакоїдах кожного хлоропласту таким чином, що при відповідному освітленні в ролі одиниці поглинання виступає переважна їх більшість. Одночасно, вони являють собою свого роду «озеро», в якому плаває множина так званих фотосинтетичних одиниць.

Уявлення про таку фотосинтетичну одиницю (ФСО), як комплекс пігментів, що бере участь у поглинанні, збиранні квантів та передачі їх спеціалізованим молекулам хлорофілу, майже одночасно було сформовано Гафроном, Емерсоном та Арнольді На їх думку, роль основної маси молекул пігментів, які складають ФСО, полягає в збиранні енергії та передачі її спеціалізованим компонентам, які здійснюють перетворення її, виступаючи таким чином пусковим механізмом фотосинтезу. Такий функціонально активний комплекс було названо реакційним центром (РЦ) (рис. 45). Згодом дійсно було доведено, що один РЦ припадає приблизно на 400-600 молекул пігменту. Частка пігментів РЦ становить до 1% суми всіх пігментів хлоропластів.

Рис. 45. Спрощена схема роботи пігментної системи хлоропласта

Фотосинтетична одиниця — мінімальне функціональне угруповання тилакоїда, яке здатне до фотосинтетичного розподілу заряду і складається з пігментів антенного комплексу та реакційних центрів. Згідно останніх даних на один хлоропласт припадає 2 × 10⁶ ФСО. Ці найдрібніші одиниці, які здатні здійснюювати окислення і відновлення НАДФ', мають антенні комплекси пігментів-світлозбирачів, дві фотосистеми, які формують разом з багатьма переносниками електронно-транспортний ланцюг хлоропласта.

Досі немає єдиної точки зору на структурну організацію ФСО. Насамперед, було запропоновано моноцентральну модель ФСО, згідно якої в усьому комплексі є лише один РЦ. Більшість вчених віддають перевагу мультицентральній моделі, яка допускає наявність кількох РЦ:

Дискретна одиниця організації в тилакоїдах хлоропластів пігментів разом з іншими молекулами, які беруть участь у світлових реакціях, одержала назву фотосистеми (ФС). В хлоропластах вищих рослин існує мінімум два типи фотосистем — фотосистема один (ФС І) та фотосистема два (ФС II). Саме у складі таких систем фотосинтетичні пігменти тилакоїдної мембрани і беруть участь в реакціях світлової стадії фотосинтезу (рис. 47).

Рис. 47. Ймовірна організація і взаємодія пігментів ФС І, ФС II та відповідного світлозбираючого комплексу (СЗК)

Згідно сучасних уявлень, хлорофіли реакційних центрів відіграють провідну роль в перетворенні енергії сонячних квантів. Завдяки специфічним зв’язкам та організації їх молекул-донорів і молекул-акцепторів, якраз вони, здатні використати одержану енергію збудження для утворення потоку електронів шляхом обернених окислювально-відновних реакцій. В результаті цього в тилакоїдній мембрані формується протонний і електричний градієнти. Хлорофіли реакційних центрів двох систем відрізняються своїми максимумами поглинання, при яких відбуваються окислювально-відновні процеси; максимум хлорофілу а реакційного центру ФС І (Р₇₀₀) — 700 нм, тоді як хлорофілу а реакційного центру ФС II (Р₆₈₀) — 680 нм.

Таким чином, в тилакоїдній мембрані молекули пігментів об'єднані у функціональні комплекси.

Докази існування двох фотосистем. Z-схема фотосинтезу. Загальноприйняті нині уявлення про фотохімічні реакції хлорофілу, що включені у дві відносно автономні, просторово розділені фотосистеми, сформувалися під впливом класичних робіт Р. Емерсона. Він довів, що в умовах низької інтенсивності світла швидкість фотосинтезу при сумарній дії променів далекого червоного світла та більш короткохвильового випромінення була вищою порівняно з сумою їх при освітленні кожним променем окремо. Коли до довгохвильового променя (680-720 нм) додавали короткохвильовий (650 нм), квантовий вихід фотосинтезу (максимальне число молекул кисню які звільняються в перерахунку на кожний поглинутий сонячний квант) зростав. Вели-

чина коефіцієнта підсилення інколи досягала 40%. Ефект підсилення наводить на думку, що кожен із променів адресується переважно одній з двох пігментних систем, причому для повноцінної діяльності фотосинтетичного апарата потрібна узгоджена кооперація їх.

Тепер фотосистеми навіть вдалося розділити як за допомогою інгібіторів фотосинтезу (хімічне розділення), так і шляхом диференційного центрифугування (механічне розділення). Останнім шляхом вдалося розділити тилакоїдну мембрану на дві фракції легку та важку, які осаджувались відповідно при 24000 g та 144000 g.

До легкої входять в основному фрагменти мембран тилакоїдів строми, які являють собою ФС І. Вона містить, з розрахунку на одну молекулу хлорофілу а700 (Р700) близько 200 світло-збираючих молекул хлорофілів, близько 50 каротиноїдів (в основному каротини), цитохром f, пластоціанін, два цитохроми b6, а також 1-2 молекули фередоксину, зв’язаного з мембраною.

Сама ФС І складається з певних комплексів, кожен з яких містить одну молекулу Р700, яка входить до складу РЦ та близько 250 молекул антенного світлозбираючого комплексу.

Аналіз важкої субхлоропластної фракції показав, що вона збагачена компонентами ФС II. На одну молекулу хлорофілу а680 (Р680), а в деяких організмів хлорофіл а690 (Р690), припадає до 200 молекул світлозбираючих хлорофілів, близько 50 каротиноїдів (в основному ксантофіли), неідентифіковані компоненти Z та Q, близько чотирьох молекул пластохінонів, дві молекули цитохрому b559 та шість атомів марганцю. Сама ФС II також складається з певних блоків.

Світлоіндукований векторний транспорт електронів між двома фотосистемами (розпочинається від води і закінчується НАДФ) забезпечується завдяки специфічному і несиметричному розташуванню ряду скислювально-відновних компонентів, які в своїй сукупності складають електрон-транспортний ланцюг (ЕТЛ). В мембрані тилакоїду розміщується до 200 таких електрон-транспортних ланцюгів.

Проаналізувавши об’ємний фактичний матеріал, Р. Хілл та Ф. Бендалл запропонували схему електронної стадії фотосинтетичного процесу, яка після ряду модифікацій одержала назву Z-схеми фотосинтезу (рис. 48).

Рис. 48. Z-схема фотосинтезу

Переносники електронів електрон-транспортного ланцюга розміщуються у міру зменшення електровід’ємного редокс-потенціалу. У фотосинтезі вищих рослин транспортування електрона від води (окислювально-відновний потенціал +0,82 В) до НАДФ (окислювально-відновний потенціал — 0,32 В) здійснюється при затраті енергії двох квантів світла за участю відповідно двох послідовно працюючих фотосистем.

Як у фотосистемі II, так і в фотосистемі І передача електронів здійснюється за одноелектронним механізмом. При поглинанні кванта світла ФС II за період менший 10 ⁵с електрон від води проходить шлях, направлений проти термодинамічного потенціалу, а саме: від позитивного редокс-потенціалу фередоксину до НАДФ⁺. Саме в цьому полягає основна суть фотосинтезу — адже в процесі даного транспортування відбувається запасання вільної енергії поглинутих квантів.

Шлях електрона від води до НАДФ×H за участю обох фотосистем називають нециклічним (рис. 49).

Рис 49. Схема нециклічного транспортування електронів у рослин

Існує і циклічне транспортування електронів за участю лише ФС І, яке іде від неідентифікова- ного компонента X на мембранно зв’язаний фередоксин, далі на цитохром b₆ (Е₀= -0,18 В) і пластохінон. Від відновленого Пх-Н₂ електрони транспортуються на цитохром f і далі на пластоціанін, та нарешті, вони заповнюють дірку того ж таки пігменту Р'₇₀₀.

Рис. 50. Можливі шляхи перенесення електронів в хлоропластах:

А — циклічний, В — псевдоциклічний, С — нециклічний

Можливий також псевдоциклічний шлях транспортування електрона, коли в результаті передачі електрона на кисень відбувається відновлення його до Н₂О, чим практично маскується процес фотолізу води в ФС II (рис. 50).

Як видно із Z-схеми, на шляху від Н₂О до НАДФ^- через переносники передається два електрони. Якщо один квант енергії, що надходить в кожну фотосистему, піднімає на більш високий, відновлений рівень лише один електрон, то тоді для перенесення двох електронів треба мінімум чотири кванти. Світлозбираючий апарат, який постачає енергію, складається з лабільного світлозбираючого комплексу, що обслуговує обидві фотосистеми, а також пігмент-білкових антенних

комплексів ФС І та ФС II. Уявлення про Z-схему фотосинтезу в даний час є загальноприйнятим, хоча постійно піддається певним змінам і доповненням. Точна локалізація фотосистем в тилакоїдній мембрані хлоропластів поки що не відома.