Первичные процессы фотосинтеза.Фотосинтетические и фотохимические этапы.Пути миграции энергии.

Фотосинтез - совокупность физико-химических процессов, в ходе которых углекислый газ восстанавливается до углеводов, а энергия света трансформируется в энергию химических связей органических молекул. Суммарное уравнение фото-за: 6CO2+ 6H2O=(hню, т.е. на свету в хлоропласте) C6H12O6 + 6O2.Фотосинтез делят на 2 фазы: световую и темновую. Световая – сов-ть процессов ФС, требующие для их протекания свет, темновая не требует свет. Световая фаза протекает на тилакоидах, темновая – в строме хлоропласта.

Этапы ФС:

1. Фотофизический этап, самый быстрый, идет в пигментах. В ходе него Е света превращается в Е электронного возбуждения молекулы пигмента. Основные пигменты сосредоточены в системе ССК – свето-собирающего комплекса. Электрон получает доп. Энергию и переходит в возбужденное состояние.

2. Фотохимический этап протекает в реакционных центрах фотосистемы (ФС). В ходе этого этапа Е электронного возбуждения трансформируется в электрическую (кулоновскую) Е. Каждая ФС (их всего две) содержит 3 компонента: первичный донор (D), первичный акцептор (А) и пигмент-ловушку (Р). ФС1:D– пластоцианин( синий белок с Сu),A– Хлорофилл «а» 695, не требующий света, Р – димер Хлорофилла «а» Р700. ФС2:D–Mn-кластер, А –Pheo(феофетин) и Р – Р680.В результате фотохимических реакций в хлоропластах создается необходимый уровень АТР и NADPH, которые необходимы для функционирования темновой стадии фотосинтеза, где СО₂восстанавливается до углевода.

3. Фотоэнзимотический этап - это совокупность биохимических реакций, в результате которых происходит усвоение растениями углекислого газа атмосферы (С02) и образование углеводов, протекает в строме. При нециклическом потоке электронов НАДФ восстан-ся до НАДФН и происходит Образование АТФ. Суммарное уравнение нециклич-го фосфор-ия: АДФ + Фн + НАДФ+ 2Н2О= АТФ+НАДФН+Н, накапливаются световые прод-ты АТФ и НАДФН. АДФ+Фн=АТФ+Н2О.

Миграцию энергии обнаруживают оптическими методами по появлению в спектре действия акцептора энергии полосы поглощения света донором энергии или по тушению флуоресценции донора в присутствии акцептора энергии.

Важнейший механизм миграции энергии электронного возбуждения в фотосинтетической мембране - индуктивно-резонансный механизм Фёрстера. Он осуществляется с участием синглетных возбужденных уровней (S₁) при соблюдении обязательных правил:

· 1) донор должен флуоресцировать;

· 2) акцептор должен иметь полосу поглощения, соответствующую полосе излучения донора;

· 3) расстояние между ними не должно превышать 4-6 нм.

Перенос энергии происходит за счет того, что во время существования возбужденного состояния донора (10^-8-10^-9 с) осциллирующий возбужденный электрон генерирует переменное электромагнитное поле. Если его частота совпадает с одной из резонансных частот возбужденной молекулы акцептора, то происходит безизлучательный резонансный перенос энергии: в акцепторе возбуждаются осцилляции электрона, а молекула донора безизлучательно возвращается в исходное состояние. Типичные расстояния индуктивно-резонансного переноса энергии - 2-5 нм, а характерное время - 10^-11 -10^-6 сек. Таким способом может осуществляться миграция энергии между разными пигмент-белковыми комплексами.

В пределах одного локального светособирающего комплекса, примыкающего с ФСI или ФСII, где молекулы пигментов плотно упакованы в квазикристаллическую структуру, их электронные уровни могут обобществляться в зоны. В этом случае возможен экситонный механизм миграции энергии, при котором поглощение кванта света приводит к появлению экситона - коллективного возбуждения, делокализованного по всей системе молекул. Возбуждение молекулы донора распространяется по верхним колебательным уровням на всю систему акцепторов за время 10^-13 -10^-14 сек, меньшее, чем время релаксации колебательных состояний. Это самый быстрый способ миграции энергии. В конце этого промежутка времени энергия экситона может привести к возбуждению какой-то конкретной молекулы акцептора, удаленной от донора на расстояние до 1-1,5 нм.

Конкретные механизмы переноса энергии в ССПБК зависят от их строения и плотности упаковки пигментов. Перенос энергии возбуждения между соседними молекулами пигментов происходит за 0,2-5 пс, а между различными пигмент-белковым комплексами, удаленными на большее расстояние он осуществляется медленнее. Так, методами лазерной спектроскопии выявлены характерные времена переноса энергии порядка 0,15-0,3 пс, 2-6 пс и 14-36 пс. Они могут соответствовать миграции энергии между соседними молекулами хлорофилла на расстояние около 1 нм, между отдельными пигментными кластерами и между мономерами в тримере. В первых двух случаях возможен экситонный механизм миграции энергии, а в третьем более вероятен индуктивно-резонансный перенос. Время между поглощением фотона антенным пигментов и захватом энергии реакционным центром фотосистемы I оценивается как 50-100 пс, а фотосистемы II - порядка 300 пс (Рубин, 2000).

Для того, чтобы избежать перекрестной миграции экситонного возбуждения между пигментами светособирающих антенн, тесно связанных с фотосистемами I и II, в фотосинтетических мембранах эти фотосистемы пространственно разнесены. Обычно фотосистема II со своей светособирающей антенной ССК II располагается в мембранах тилакоидов, образующих граны. При этом некоторые белки-компоненты ФС II являются адгезивными, скрепляющими вместе мембраны тилакоидов, образуя таким образом граны. Фотосистема I и ее светособирающая антенна локализуются преимущественно вне гран, в мембранах ламелл. Комплекс цитохромов b₆f присутствует во всех мембранах.

Итак, в светособирающей антенне энергия, поглощаемая коротковолновыми формами пигментов мигрирует к более длинноволновым. По пути некоторая часть энергии диссипирует, но основная часть в конце "стекает" на пигменты Р₆₈₀ или Р₇₀₀ реакционных центров, где за ее счет происходят разделение зарядов и дальнейшие фотохимические процессы. В результате использования энергии фотонов с различной длиной волны, спектр действия фотосинтеза, т.е. зависимость квантового выхода Ц(л) = [O₂]/n от длины волны, где [O₂] - число молекул кислорода, выделяющихся в единицу времени, а n - число квантов, поглощенных в единицу времени, оказывается весьма широким и включает кроме полос поглощения света хлорофиллом, а также полосы поглощения остальных пигментов-светосборщиков. При длине волны более 700 нм спектр действия круто обрывается (Рис.3.12). Это можно объяснить тем, что в реакционном центре P₇₀₀ происходят фотохимические реакции, и энергия дальше не передается, т.е. длинноволновый край спектра действия соответствует краю спектра поглощения P₇₀₀.- последнего пигмента в цепочке. Но полоса поглощения хлорофилла, а простирается до 750 нм, и спектр действия, в принципе, не должен обрываться так круто. Предполагается, что возбуждения одного только хлорофилла P₇₀₀ недостаточно для эффективного фотосинтеза, а определенный вклад должны вносить и другие пигменты. «Провал» в спектре действия в области 450-500 нм, соответствующей поглощению света каротиноидами, свидетельствует о сравнительно небольшой эффективности передачи энергии от них на хлорофилл а. И действительно, она оценивается на уровне 20-50%.