3.7. Фотоэнергетические реакции хлоропластов

Важнейшей функцией ЭТЦ хлоропластов является ее энергетическая функция - накопление солнечной энергии в форме соединений с высоким энергетическим потенциалом. Свободная энергия, освобождаемая в реакциях фотосинтетического транспорта электронов, запасается частично в форме восстановленных кофакторов (ФДвосст., НАДФН), большая часть поглощенной энергии используется для синтеза АТФ. Процессы образования этих соединений составляют основу биоэнергетики живых систем.

В 1954 году Д. Арнон впервые показал, что хлоропласты при освещении способны синтезировать АТФ. Этот процесс синтеза АТФ, сопряженный с транспортом электронов в хлоропластах, получил название “фотосинтетическое фосфорилирование”. Количество энергии, необходимой для синтеза молекулы АТФ, определяется потенциалом переноса фосфорильной группы и может быть описано уравнением:

где ΔGо – стандартная свободная энергия гидролиза АТФ, равная -7,8 ккал/моль или –0,38 эВ/молекула. В хлоропластах, по данным ряда авторов, ΔGАТФ = 13,5 ккал/моль.

Источником свободной энергии для синтеза АТФ в хлоропластах является изменение свободной энергии в окислительно-восстановительных реакциях ЭТЦ. Энергия фотовозбужденного пигмента в реакционных центрах используется для разделения зарядов и запасается в форме окислительно-восстановительной энергии (Клейтон, 1984). В системе с разделенными зарядами электрон, удаленный от ядра при поглощении энергии кванта, обладает более высоким энергетическим потенциалом, который может быть реализован при обратном движении электрона через ряд переносчиков в сторону более электроположительных компонентов (по градиенту редокс-потенциала). При этом освобождается энергия, количество которой определяется разностью редокс-потенциалов реагирующих систем и может быть рассчитано по формуле:

ΔG = - nFΔE′o,

где ΔG – стандартное изменение свободной энергии (ккал/моль), n – число элект­ро­нов, участвующих в реакции, F – число Фарадея (23,061 ккал∙В-1∙моль-1), ΔE′o – разность стандартных окислительно-восстановительных потенциалов реагирующих систем.

Расчеты показывают, что для образования макроэргической связи АТФ достаточна разность окислительно-восстановительного потенциала донора и акцептора электрона в 0,25 В.

3.7.1. Фотосинтетическое фосфорилирование. Основные типы, их физиологическое значение.

Различают два основных типа фотофосфорилирования – циклическое, сопряженное с циклическим потоком электронов в ЭТЦ, и нециклическое, сопряженное с нециклическим потоком электронов от Н2О к НАДФ⁺. Разновидностью нециклического типа является псевдоциклическое фотофосфорилирование, при котором акцептором электоронов, мобилизованных из воды, служит кислород. Физиологическое значение отдельных типов фотофосфорилирования различно.

Циклическое фотофосфорилирование – один из наиболее древних процессов запасания солнечной энергии в форме АТФ. Система включает циклическую редокс-цепь, сопряженную с ФСI (рис. 3.33). Электроны от возбужденного П700+ и восстановленного Fe-S-центра с высоким отрицательным потенциалом (-0,7 В) через отдельные переносчики (ФД, PQ, цитохром b6f-комплекс и пластоцианин) возвращаются обратно к П700⁺ (+0,52 В) и вся освобождаемая при этом окислительно-восстановительная энергия запасается в итоге в форме АТФ. Процесс циклического фотофосфорилирования не сопровождается ни выделением О₂, ни синтезом восстановленных кофакторов (НАДФН) и может быть представлен уравнением:

свет

АДФ + Н₃РО₄ → АТФ + Н₂О

Естественными кофакторами циклического фотофосфорилирования являются ФД, ФМН, хиноны. Искусственным кофактором циклического фотофосфорилирования, широко применяемым в современных исследованиях, служит фенозинметосульфат (ФМС), растворимый в липидах переносчик электронов и протонов. ФМС, восстановленный на наружной стороне мембраны компонентами акцепторного комплекса ФСI и протонированный, передвигается через липидный матрикс мембраны во внутритилакоидное пространство, где отдает электроны на пластоцианин или непосредственно на П700+, при этом протоны освобождаются, участвуя в генерации протонного градиента.

Циклическое фотофосфорилирование играет важную роль в различных метаболических процессах клетки, так как является источником дополнительного снабжения АТФ для восстановления СО₂ в цикле Кальвина и ассимиляции ионов NH4⁺, требующих высокого отношения АТФ/НАДФН, служит источником энергии для процессов синтеза белков и полисахаридов. У группы С4-растений в клетках обкладки циклическое фотофосфорилирование является единственным источником АТФ. Исследования с использованием акустических методов показали увеличение активности циклического фотофосфорилирования и его защитную роль в стрессовых условиях (тепловой, солевой стрессы, фотоингибирование).

Нециклическое фотофосфорилирование, открытое Д. Арноном в 1954 г., сопряжено с нециклическим потоком электронов от воды к НАДФ⁺. Нециклический тип фотофосфорилирования – эволюционно более поздний процесс, требующий совместного действия ФСI и ФСII. Энергия света, поглощаемая двумя фотосистемами, преобразуется не только в форму макроэргических связей АТФ, но также в химический потенциал восстановленного НАДФ и молекулярного кислорода:

свет

АДФ + Н₃РО₄ + НАДФ⁺ + Н₂О → АТФ + НАДФН + Н⁺ + ½ О₂

Определение нециклического фотофосфорилирования позволяет учесть не только число молекул АТФ, образующихся в ходе опыта, но и число перенесенных при этом электронов. Величина отношения Р/2е^- является важным показателем при исследовании процесса нециклического фотофосфорилирования, так как позволяет судить о степени сопряжения процессов фотофосфорилирования с транспортом электронов в ЭТЦ в зависимости от условий эксперимента.

Физиологическое значение нециклического фотофосфорилирования определяется его ведущим вкладом в общую энергетику клетки. Нециклическое фотофосфо­рилирование является не только основным источником энергии для эндэргонических реакций, протекающих в растительной клетке, но большое значение имеют также образующиеся при этом другие метаболиты и, в первую очередь, высоковосстановленные соединения – Fe-S-белки (-0,7 В), ФДвосст. (-0,43 В), НАДФН (-0,32 В), необходимые для восстановления СО2 в углеродных циклах и образования ряда регуляторных систем (ФД-тиоредоксин регуляторная система, медиаторы действия света).