6.1: Фотосинтез

Так чи інакше, енергія молекул цукру і жиру палива отримується з фотосинтезу - перетворення енергії сонячного світла в енергію хімічного зв'язку, будь то безпосередньо в фотосинтетичних рослинних клітині і певних фотосинтетичних бактеріях, або опосередковано при попаданні цих рослин і бактерій. Фотосинтез - проста ідея: атмосферні молекули вуглекислого газу з'єднуються з молекулами води з утворенням цукрів і кисню:

\[\ce{CO2 + H2O ->[light] CH2O + O2}\]

Виробництво корисної енергії від сонячного світла і фіксація атмосферного вуглекислого газу - це два окремих набору реакцій. У рослин фотосинтез відбувається тільки в клітині, що містять хлоропласти. Хлоропласти - це органели еволюційного походження, як підозрюється, подібні до мітохондрій, і, як і мітохондрії, хлоропласти генерують АТФ і використовують високоенергетичний електронний носій на основі нікотинаміду. Є й подальші подібності: вони обидва мають сильно складені внутрішні мембрани, хоча в хлоропластах всього три мембрани, тоді як мітохондрії мають лише дві. Нарешті, ланцюг транспорту електронів вбудований в тилакоїдну мембрану хлоропластів, функціонуючи дуже аналогічно електронному транспорту в мітохондріях. Крім електронних транспортних компонентів і АТФ-синтази (структурно і функціонально майже ідентична мітохондріальної АТФ-синтази) тилакоїдна мембрана також багата набором молекул, які не зустрічаються у внутрішній мітохондріальної мембрані: молекулами пігменту, що поглинають світло.

У рослин ці молекули пігменту діляться на два класи: хлорофіли та каротиноїди (рис.\(\PageIndex{1}\)), але опосередковувати фотосинтез можуть лише хлорофіли. Фотосинтетичні бактерії не містять хлорофілу, але мають каротиноїдні пігменти, які можуть здійснювати фотосинтез. Обидва є гідрофобними вуглеводнями, які утримуються на місці в площині мембрани трансмембранними білками. Хлорофіли легко впізнавані за дуже великим Mg ²⁺ -містять порфіринове кільце, тоді як каротиноїди - це довгі вуглеводневі ланцюги, які можуть мати або не мати невеликих кільцевих структур на кінцях (наприклад, β-каротин). Хоча в сімействі хлорофілів є варіації, всі вони надають зелене забарвлення листу. Каротиноїди, з іншого боку, мають набагато ширшу гаму кольорів від жовтих до червоних. Як хлорофіли, так і каротиноїди здатні поглинати світлову енергію певної довжини хвилі/енергетичного діапазону і вступати в нестабільне збуджене стан. Коли молекула повертається до свого основного стану, енергія буде випромінюватися у вигляді тепла або світла в ізольованій ситуації. Однак у контексті пігментних решіток (антенного комплексу) в живій клітині більша частина енергії переноситься до іншої пігментної молекули нижчої енергії шляхом резонансної передачі. Як описано нижче, тільки одна пара молекул хлорофілу в антенному комплексі фактично викидає електрон, коли він падає з збудженого стану назад в наземний стан. Саме передача цього високоенергетичного електрона забезпечує фотосинтез.

Малюнок\(\PageIndex{1}\). Хлорофіл (зверху) і β -каротин (знизу)

Молекули хлорофілу складаються з хвоста вуглеводню фітолу, який закріплює молекулу всередині мембрани, і електронно-несучого порфіринового кільця, що містить катіон магнію. Зверніть увагу, що хвостик фітолу не намальований до масштабу з порфіріновим кільцем на малюнку\(\PageIndex{1}\). Серед різних типів хлорофілу хімічні групи, прикріплені до кільця, можуть відрізнятися, і ця варіація відповідає за відмінності в спектрі поглинання від одного типу хлорофілу до іншого. Наприклад, хлорофіл а має піки поглинання приблизно 430 і 662 нм, тоді як хлорофіл b має піки на рівні 453 і 642 нм. Різниця між ними невелика: при С7 існує група —CH ₃ на хлорофіл а, але -CHO група на хлорофіл b, В даний час відомо п'ять хлорофілів: хлорофіл а міститься у всіх фотосинтетичних організмах, хлорофіл b міститься тільки в рослині, хлорофіли c1 і c2 містяться в фотосинтезуючі водорості, а хлорофіл d міститься в ціанобактеріях.

Каротиноїди мають дві функції. Як зазначається в первинному тексті зліва, вони можуть брати участь у передачі енергії в напрямку до реакційного центру хлорофілів. Вони також є захисною молекулою, запобігаючи автоокислення реакційного центру. Каротиноїди можуть бути високоефективними поглиначами вільних радикалів завдяки сполученню чергуються однократних структур вуглецевих зв'язків.

Фотосинтез можна розділити на два механізми: світлові реакції, які використовують світлову енергію для збудження електронів певних хлорофілів та беруть участь у ланцюзі транспорту електронів для генерації АТФ та НАДПГ, і темні реакції, які використовують цей АТФ і НАДПГ для фіксації вуглецю з СО ₂ в органічні молекули (вуглеводи). Як випливає з назви, світлові реакції вимагають світлової енергії, щоб збудити хлорофіл і почати транспорт електронів. Темні реакції, однак, не вимагають темряви. Вони технічно незалежні від світла, але у деяких рослин темні реакції протікають краще на світлі з причин, про які слід обговорювати.

Світлові реакції тісно пов'язані з анатомією тилакоїдної мембрани; зокрема, розташування молекул пігменту, що поглинають світло в антенних комплексах, також званих світлозбиральними комплексами (іноді скорочено LHC, не плутати з Великим адронним колайдером). Ці пігменти утримуються білками в упорядкованих тривимірних групах так, що пігменти, які поглинають найвищий енергетичний світло, знаходилися до периферії, а найменш поглинаючі енергію хлорофіли знаходяться в центрі (рис.\(\PageIndex{2}\)). Сонячне світло складається з широкого діапазону довжин хвиль, деякі з яких тимчасово поглинаються пігментами. Після того, як молекула пігменту поглинає фотон, енергія виділяється і передається пігменту, налаштованому на трохи нижчий рівень енергії (довша довжина хвилі), а звідти на пігмент ще нижчої енергії, і так далі, поки він не досягне реакційного центру хлорофілів. Таким чином, енергія з широкого діапазону довжин хвиль/енергій світла може сприяти виробленню АТФ і NADPH світловими реакціями. Комплекс антен має вирішальне значення, оскільки він дозволяє використовувати більшу частину спектру сонячного світла. І, як щільно упакований тривимірний масив, фотони, які проходять повз одну молекулу пігменту, цілком можуть вдарити іншу на своєму шляху через масив. Всі ці характеристики поєднуються для підвищення ефективності використання світла для фотосинтезу. Хлорофіли реакційного центру (P680 для фотосистеми II, P700 для фотосистеми I) є єдиними хлорофілами, які фактично посилають збуджені електрони в ланцюг транспорту електронів. Інші хлорофіли та пігменти діють лише для передачі енергії в реакційний центр.

Малюнок\(\PageIndex{2}\). Молекули пігменту розташовані в антенному комплексі в тилакоїдної мембрані.

При порушенні реакційного центру хлорофіл фотосистеми II (рис.\(\PageIndex{3}\)) починає процес транспортування електронів. Цей хлорофіл входить до складу білкового комплексу, який також включає в себе комплекс, що розвивається киснем (OEC) на основі MN, феофітин та док-сайт для пластохінону. Хоча електрон хлорофілу збуджується сонячною енергією, походження електронів для збереження поповнення хлорофілу відбувається від розщеплення (окислення) води до O ₂ та 4 H ⁺.

OEC, або комплекс, що розвивається киснем (також WOC, водоокислювальний комплекс) - це металофермент з каталітичним кластером Mn4OXCA, де X - кількість м-оксо-мостів, що з'єднують атоми металу, з оточуючими амінокислотами, особливо важливими тирозинами, також відіграють роль у координаційній сфері активних сайт. Загальний комплекс зазнає ряду змін у стані окислення 4, оскільки хлорофіли P680 збуджуються світловою енергією та передають електрони, але в даний час невідомо, який точний ступінь окислення будь-якого даного атома Mn через цю серію змін стану. Вирішальною реакцією є утворення зв'язку О-О з утворенням O ₂. Існує дві пропоновані моделі даного механізму. Одна з них полягає в тому, що зв'язок О-О утворюється, коли ОЕС досягла свого повністю окисленого стану, а кисень в радикальному стані м-оксо-моста взаємодіє з молекулою води. Інший запропонований механізм полягає в тому, що зв'язок O-O утворюється раніше як комплексна перекис, що утримується центром OEC.

Малюнок\(\PageIndex{3}\). Фотосистема II (яка подає електрони в фотосистему I).

Питання про те, як клітина може генерувати енергію, необхідну для розщеплення води, було довгим тернистим питанням, оскільки вода є надзвичайно стабільною молекулою. Нинішня модель говорить про те, що енергія надходить від надзвичайно сильного окислювача у вигляді Р680 ⁺. Після того, як P680 знаходиться під напругою світла, збуджений електрон має достатньо енергії, щоб відірватися від хлорофілу і стрибати на феофітин. Феофітин стає фео- тимчасово, а поділ заряду в комплексі між Р680 ⁺ і Фео ^- сприяє посиленню окислювальної сили Р680 ⁺. Це надзвичайно сильне тяжіння для електронів - це те, що дозволяє хлорофілу P680 відірвати їх від H ₂ O і розщеплювати воду. Насправді P680 ⁺ є одним з найсильніших біологічних окислювачів, відомих. Оскільки чотири електрони повинні бути прийняті для повного окислення двох молекул води та отримання молекулярного кисню, необхідні чотири події фотозбудження. Хоча точний механізм ще належить з'ясувати, виявляється, що OEC допомагає стабілізувати молекулу води під час цього процесу, а також утримувати кожен електрон, коли він відходить.

Малюнок\(\PageIndex{4}\). Зміна енергії електронів, що рухаються через фотосистеми II і I. Світлова енергія необхідна в обох фотосистемах для підвищення енергії електронів досить високою, щоб перейти до наступного носія електронів.

Збуджені електрони, рухаючись від ОЕС до Р680 ⁺ до феофітину, далі переходять до ліпідно-розчинного носія - пластохінону. Схожість назви з мітохондріальним носієм убихиноном не випадково. Вони функціонують аналогічно, і оскільки пластохінон бере на себе електрони, він також бере на себе протони зі стромальної сторони тилакоїдної мембрани. PQ переміщається всередині мембрани від феофітину до цитохрому b ₆ f Коли електрони переносяться в цитохром b ₆ f, протони потім скидаються на просвітну сторону мембрани, збільшуючи їх концентрацію в просвіті хлоропласту, і будуючи протонний градієнт до живлення АТФ-синтаза. Цитохром b ₆ f передає електрони на пластоціанін, водно-фазний носій, який шатує електрони до реакційного центру Р700 хлорофіл фотосистеми I. Однак, після всіх передач, рівень енергії електронів зараз досить низький (рис.\(\PageIndex{4}\)) і не в змозі живити майбутні реакції. Оскільки зараз він знаходиться на реакційному центрі хлорофілу, очевидна відповідь полягає в тому, щоб знову зарядити його невеликою кількістю сонячного світла. Це підвищує енергію електронів в достатній мірі, щоб зменшити ферредоксин. Тепер справи трохи ускладнюються.

Ця частина фотосинтезу може приймати один з двох напрямків, лінійний шлях, який генерує як NADPH, так і АТФ, і циклічний шлях, який в основному генерує АТФ. Більшу частину часу проводиться лінійний шлях, причому електрони на ферредоксині переносяться через ферредоксин-NADPH-редуктазу (FNR) на NADPH. Однак іноді клітці потрібно значно більше АТФ, ніж НАДФГ, в цьому випадку електрони з ферредоксину переносяться назад в пластохінон через ферредоксин-пластохінон-редуктазу. Це діє так само, як описано вище, і перекачує більше протонів через мембрану для живлення АТФ-синтази. Синтез АТФ йде вгору, а синтез NADPH знижується.

Малюнок\(\PageIndex{5}\). Фотосистема I ініціює рух електронів двома шляхами.

АТФ і НАДПГ, що генеруються хлоропластом, майже виключно використовуються самим хлоропластом (і не поширюються на решту клітини) для живлення темних реакцій, які є енергетично дорогими. Насправді, коли світлові реакції не запускаються через темряву, деякі рослинні клітини мають механізми, щоб запобігти темним реакціям використовувати обмежені ресурси клітинного, нехлоропластичного дихання. Найпростіший метод такого обмеження - чутливість до рН рубіско (рибулоза біс-фосфаткарбоксилаза), по крайней мере, у рослин С3 (див. Нижче). Рубіско має дуже різкий оптимум рН приблизно при рН 8,0, тому, поки працюють світлові реакції і протони накачуються, рН підвищується приблизно до 8 і працює рубіско, але в темряві рН падає назад до базального рівня, близького до 7,0, пригнічуючи активність руббіско.