Загальна схема фотосинтезу
Перший етап перетворення світлової енергії в енергію хімічних зв’язків - це поглинання сонячного світла. Під час цього етапу, який ще називають світловим, або світловою фазою фотосинтезу, створюється два головних проміжних продукти – АТФ та НАДФН2. Необхідність створення цих речовин полягає у їх використанні в темновій фазі.
Світлові реакції здійснюються в порожнині тилакоїду, а темнові – в матриксі хлоропласту. Схематично головні етапи фотосинтезу можна зобразити так:
hυ
 |
ПОГЛИНАННЯ СОНЯЧНОГО СВІТЛА
І
О2 ПЕРЕНЕСЕННЯ ЕЛЕКТРОНІВ
НАДФН2 АТФ
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
ФІКСАЦІЯ ВУГЛЕЦЮ (АССИМІЛЯЦІЯ ВУГЛЕЦЮ, СИНТЕЗ ОРГАНІЧНИХ РЕЧОВИН)
ІІ СО2, Н2О
(СН2О) n
(Вуглевод)
Над пунктирною лінією (І) – світлова фаза фотосинтезу, під нею (ІІ)- темнова фаза фотосинтезу.
У темновій фазі фотосинтезу відбувається синтез органічних речовин з використанням вуглекислого газу і води, а також АТФ і НАДФН2. Під час реакцій темнової фази створюються численні проміжні речовини, які за своєю хімічною активністю будуть різними, в тому числі і хімічно інертними. Якщо їх залишити в такому вигляді, то ланцюг послідовних реакцій перерветься через те, що ці речовини не будуть вступати в наступні хімічні перетворення. Дані сполуки необхідно перевести в хімічно активний стан. Вони стають хімічно активними після фосфорилювання – приєднання фосфатної групи від АТФ, створеної в світловій фазі.
НАДФН2 є коферментом, який переносить два атоми водню із однієї реакції в іншу. В темновій фазі фотосинтезу атоми водню із НАДФН2 використовуються на відновлення вуглецю СО2 із ступенем окислення +4 до вуглецю із ступенем окислення 0 у складі органічної речовини, яка є остаточним продуктом фотосинтезу. НАДФН2 легко віддає атоми водню на відновлення вуглецю, при цьому сам окислюється до НАД+. Останній легко приєднує атоми водню у світловій фазі фотосинтезу, переходячи у свою відновлену форму НАДФН2.
2.2 Світлова фаза фотосинтезу
Поглинання сонячного світла
Перший етап перетворення світлової енергії в хімічну - це поглинання сонячного світла. Функцію первинного сприйняття сонячного світла виконує пігмент хлорофіл. Молекула хлорофілу є органічною молекулою, яка складається з порфиринового кільця (голови), стінки якого утворені з молекул органічних речовин циклічної будови з полуторними зв’язками. До складу кільця входять також атоми азоту, здатні взаємодіяти з атомом магнію, розташованим у центрі порфиринового кільця.
Розташування молекули хлорофілу в мембрані тилакоїду зображено на рис.. 4
Рис. 4.
Розташування молекули хлорофілу у мембрані тилакоїду
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Зовнішня мембрана хлоропласту
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Строма хлоропласту
Мg Порфиринове кільце
(„голова хлорофілу”)
------------------------------------------------------------------------------------------------------ ---------
Внутрішня тембр.
хлоропласту
(мембрана тилакоїду)
Вуглеводний „хвіст”
Ліпіди хлорофілу
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Порожнина тилакоїду
До порфиринової „голови” приєднаний довгий вуглеводневий „хвіст”, гідрофобний і ліпофільний за своїми властивостями. Його основна функція – закріплення молекули хлорофілу в мембрані тилакоїду – внутрішній мембрані хлоропласту. „Голова” хлорофілу гідрофільна, тому вона виступає над поверхнею мембрани тилакоїду і обернена в строму хлоропласту. Функція „голови” – сприйняття сонячного світла.
Як відомо, сонячне світло неоднорідне. Сонячний спектр - це сукупність хвиль різної довжини: від 400 до 700 нм. Найкоротша хвиля відповідає фіолетовій частині спектру, найдовша – червоній. Графічне вираження інтенсивності поглинання хлорофілом різних довжин хвиль сонячного світла називається спектром поглинання (рис. 5).
Мал.. 5
Спектри поглинання хлорофілів
 |
Е -хлорофіл а
 |
- хлорофіл в
 | |||||
 | |||||
 |
фіолетовий | синій | блакитний | зелений | жовтий |оранжевий |червоний
400 Довжина хвилі (нм) 700
Хлорофіл поглинає хвилі різної довжини по-різному. Найкраще поглинаються фіолетова і червона частини спектру, а найгірше - зелена, хвилі середньої довжини. Тому не поглинута зелена частина спектру визначає зелений колір листя при сприйнятті цих хвиль зоровими аналізаторами людини.
Спектр поглинання хлорофілу характеризує долю енергії поглинутого світла залежно від довжини хвилі. На представленому рисунку зображено спектри поглинання хлорофілу а та хлорофілу в. Справа в тому, що існує кілька форм хлорофілу: хлорофіл а, в, с, d, бактеріохлрофіли. Кожен із цих хлорофілів має власний спектр поглинання, який не співпадає із спектрами поглинання інших форм хлорофілів. Існування кількох різновидів хлорофілів в одній рослині дозволяє ефективніше використовувати сонячне світло, бо в цьому випадку зона довжин сонячних хвиль, які максимально поглинаються, стає більшою. Особливо це важливо для рослин, які ростуть у нижньому ярусі лісу, де кількість сонячної енергії мінімальна.
За хімічним складом і будовою різні форми хлорофілів відрізняються мінімально. Так, у хлорофілу в біля порфиринового кільця знаходиться група СНО замість групи СН3 в молекулі хлорофілу а.
Поглинання сонячного світла „головою” молекули хлорофілу приводить до стрибку одного із електронів зі стаціонарної орбіти на більш високу над ядром одного із атомів порфиринового кільця (рис. 6).
Рис. 6
Поглинання сонячного світла електроном хлорофілу
 | |||
 | |||
hυ е
Орбіта збудженого електрону
е R
е
Ядро +rСтаціонарна орбіта електрону
Таке положення електрону є нестійким, і він швидко повертається на попередню орбіту. Молекули хлорофілів функціонально об’єднані в мембрані тилакоїду у так звані фотосистеми - сукупності молекул хлорофілу, в яких відбувається сприйняття та передача сонячної енергії. Фотосистема складається із хлорофілів двох функціональних типів:
1. Допоміжні хлорофіли (антени), які сприймають сонячну енергію і передають її від одного допоміжного хлорофілу до іншого в напрямку головного хлорофілу. У фотосистемі може бути від 200 до 300 допоміжних хлорофілів.
2. Головний хлорофіл (реакційний центр), отримує енергію від допоміжних і спрямовує її в ланцюг окисно-відновних реакцій, тому називається реакційним центром.
Таким чином фотосистема – це фотосинтетична одиниця, яка складається із 200-300 допоміжних і одного головного хлорофілу – реакційного центру. Існує дві фотосистеми: ФС І включає 200 молекул хлорофілу а, каротиноїди і головний хлорофіл Р700, ФС ІІ, яка включає 200 молекул хлорофілу а, 200 молекул хлорофілу в і головний хлорофіл Р680. Нормальне здійснення процесу фотосинтезу потребує участі обох фотосистем.
У позначенні головних хлорофілів (реакційних центрів) присутні цифри 700 і 680, які відповідають максимальній довжини хвилі спектра поглинання цих хлорофілів. Між довжиною хвилі і кількістю енергії, яку вона містить, існує обернено пропорційна залежність. Під час передачі енергії по ланцюгу допоміжних хлорофілів у фотосистемі частина цієї енергії втрачається, і до реакційних центрів вже надходить менша кількість енергії, яка відповідає найдовшій хвилі в спектрі поглинання – біля 680 -700 нм.
Модель фотосистеми може виглядати як лійка, отвір на дні якої – це головний хлорофіл, до якого по стінкам (допоміжним хлорофілам) стікає сонячна енергія (рис. 7)
Рис. 7.
Модель функціонування фотосистеми
hυ
 |
ФС І 400
Р 700
Необхідно зазначити, що реакційний центр за хімічним складом і будовою не відрізняється від допоміжних хлорофілів.
Співвідношення між реакційним центром і допоміжними хлорофілами 1/200-400 встановилося, очевидно, протягом тривалої еволюції фотосистем. Здавалося б, чим більша кількість допоміжних хлорофілів, тим більше енергії вони зберуть і тим більше її отримає реакційний центр. Але збільшення кількості допоміжних хлорофілів автоматично означає збільшення моментів передачі енергії від одного хлорофілу до наступного, а значить - збільшення втрат цієї енергії. У цьому випадку до реакційного центру потрапляло б дуже мало енергії.
Передача отриманої сонячної енергії від одного допоміжного хлорофілу до іншого у фотосистемі здійснюється шляхом так званого індукційного резонансу (рис. 8.)
Після сприйняття кванту сонячного світла один із електронів порфиринового кільця першої молекули хлорофілу переходить на більш високий енергетичний рівень. Таке його положення нестабільне, і через короткий проміжок часу він повертається на свою стаціонарну орбіту.Електрон – частинка, яка має від’ємний заряд. Згідно законів електрофізики, якщо заряджена частинка переміщується в просторі, навколо неї виникає електромагнітне поле, яке поширюється у просторі у вигляді електромагнітних коливань. Під дією цього поля починає коливатися перша молекула хлорофілу.
Рис.8.
Напрямок передачі сонячної енергії у фотосистемі
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Зовнішня мембрана хлоропласту
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Строма хлоропласту
Д о п о м і ж н і х л о р о ф і л и
Головний
Сонячна енергія хлорофіл
(збуджені електрони) І ІІ ІІІ ІV
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
Внутрішня мембрана
Хлоропласту(мембрана
тилакоїду)
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Порожнина тилакоїду
Так як молекули хлорофілу розміщені у мембрані хлоропласту досить щільно, перша молекула штовхає сусідню. Тепер вони коливаються одночасно, лише у першої молекули коливання будуть затухаючими, а у другої такі, що наростатимуть. У певний момент амплітуди їхніх коливань співпадають і виникає явище резонансу. Резонанс – це різке збільшення внутрішньої енергії системи внаслідок співпадання амплітуди власних коливань та коливань, накладених ззовні. В результаті явища резонансу різко підвищується рівень внутрішньої енергії другої молекули хлорофілу. Цього збільшення рівня внутрішньої енергії достатньо для стрибка електрону другої молекули хлорофілу на вищу орбіту, аналогічно стрибку електрону першої молекули хлорофілу після сприйняття кванту сонячної енергії.
Таким чином, електрон другої молекули хлорофілу піднімається на вищу орбіту, не отримуючи безпосередньо енергію сонячного променю. Через невеликий проміжок часу він повертається на стаціонарну орбіту і ситуація повторюється.
Отже, збуджені електрони не залишають свою молекулу хлорофілу. Відбувається лише послідовне збудження електронів сусідніх молекул хлорофілу, що можна вважати передачею сонячної енергії від першого, збудженого безпосередньо сонячним світлом, допоміжного хлорофілу, до наступних у фотосистемі. Цей процес триває до тих пір, поки енергія сонячного світла не досягне головного пігменту – реакційного центру.
Перенесення електронів (нециклічне фотофосфорилювання)
Реакційним центр фотосистеми називається так, тому що отримані збуджені електрони він спрямовує у ланцюг окисно-відновних реакцій: від одного переносника до іншого. Ці переносники електронів розташовані на мембрані тилакоїду. Головним результатом перенесення електронів є створення НАДФН2 та АТФ. Обидві ці речовини будуть використані у терновій фазі фотосинтезу: НАДФН2 - для відновлення вуглецю у СО2 до вуглецю у органічній речовині, АТФ для активізації реакційної здатності проміжних сполук у темновій фазі фотосинтезу. Процес утворення АТФ – це приєднання фосфору неорганічного до АДФ. Загалом ця реакція енергозалежна і відбувається за умов використання певного джерела енергії. Під час фотосинтезу такою енергією є енергія сонячного світла, тому синтез АТФ із залученням цієї енергії називається фотофосфорилюванням. А так як він пов’язаний із нециклічним рухом електронів, у результаті якого створюється НАДФН2, то загалом процес перенесення електронів у мембрані тилакоїду отримав назву нециклічного фотофосфорилювання.
Послідовність процесів під час нециклічного фотофосфорилювання представлена на рис 9.
Реакційний центр ФС І Р700 передає свої збуджені електрони на зовнішній бік внутрішньої мембрани тилакоїду, де вони акцептуються переносником білкової природи, що містить залізо та сірку. Наступна речовина, до якої потрапляють електрони – білок ферредоксин, від якого електрони переходять до ФАД+ - кофермента, який одночасно забирає два протони із матриксу хлоропласту (результат дисоціації води) і відновлюється до ФАДН2. І, нарешті, НАДФ+ отримує електрони і протони водню від ФАДН2, перетворюючись на НАДФН2. Водень НАДФН2 буде використаний у темнових реакціях фотосинтезу для відновлення вуглецю при синтезі органічних речовин.
Нециклічне фотофосфорилювання Рис. 9.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Строма
2НОН → 2Н+ + 2ОН- 2НОН → 2Н+ + 2ОН- хлоропласта
НАДФН2
2Н АДФ + Ф АТФ
GF1
Пластохінон РQ Ферредоксин Fd
 | |||
 |
Мембрана
тилакоїда
3Н+
Е 2Н 2е
F0 F0
Р680 2е Р700
РС
Пластоціанін
hυ 
Порожнина
hυ 2Н+ тилакоїда
НОН 2е + ½ О2 + 2Н+ (Н+ - резервуар)
фотоліз води
Реакційний центр ФС І, віддавши свої збуджені електрони, перебуває в окисленому стані і не може приймати нову порцію енергії від допоміжних хлорофілів своєї фото- системи. Таким чином, виникає необхідність у відновленні позитивної „дірки” в реакційному центрі Р700. Джерелом електронів для відновлення Р700 є реакційний центр ФС ІІ – Р680. Два електрони цього реакційного центру, збуджені енергією, сприйнятою від допоміжних хлорофілів, передаються на зовнішній бік мембрани тилакоїду до переносника пластохінона. Пластохінон поєднує два отримані електрони з двома протонами водню, від дисоціації води у два атоми водню і відновлюється, а Р680 окислюється. Створені два атоми водню спрямовуються на внутрішній бік мембрани тилакоїду, де приймаються наступним переносником – пластоціаніном, який при цьому відновлюється, а пластохінон, відповідно, окислюється. Пластоціанін розділяє отримані атоми водню на два електрони, які ідуть на відновлення реакційного центру ФС І - Р700 і два протони водню, що залишаються в порожнині тилакоїду.
Таким чином, першим результатом нециклічного руху електронів – від реакційного центру ФС ІІ Р680 до НАДФ+ - є відновлення останнього до НАДФН2. Цей рух електронів здійснюється від одного переносника до іншого, причому кожний наступний є сильнішим окисником, ніж попередній, що, власне, і забезпечує даний напрямок переміщення електронів. Кожен із переносників послідовно відновлюється і окислюється, тобто здійснюються окисно-відновні реакції під час сприйняття і віддачі електронів. Електрони потрапляють у ланцюг цих реакцій від головних хлорофілів фотосистем, які тому і називаються реакційними центрами.
Другим результатом спрямованого перенесення декілька разів електронів через мембрану тилакоїда є збільшення у порожнині тилакоїду кількості протонів водню на два, а у стромі хлоропласту таке ж зменшення їх кількості. Реакційний центр ФС ІІ Р680, віддавши два свої збуджені електрони, залишається в окисленному стані. Джерелом електронів для відновлення Р680 є процес фотолізу води – руйнування молекули води під дією сонячного світла:
hυ
НОН 2е + ½ О2 + 2Н+.
Два електрони закривають позитивну „дірку” в окисленому Р680. Він стає здатним до сприйняття наступної порції енергії сонячного світла від допоміжних хлорофілів у фотосистемі. Кисень дифундує в атмосферу. Якщо він залишиться в хлоропласті, електрони від реакційних центрів будуть рухатися не до НАДФ+, а до кисню. В результаті припиниться створення НАДФН2, необхідного для наступної темнової фази фотосинтезу. Два протони водню залишаються в порожнині тилакоїду, збільшуючи різницю концентрацій протонів водню між порожниною тилакоїду і матриксом хлоропласту. Створюється так званий електрохімічний градієнт: різницяконцентрацій Н+ забезпечує хімічний градієнт, а так як протони водню заряджені позитивно, то одночасно створюється і електричний градієнт – різниця позитивних зарядів між порожниною тилакоїду і стромою хлоропласту. У зв’язку з накопиченням Н+ порожнину тилакоїду ще називають Н+ - резервуаром.
Прямим наслідком існування електрохімічного градієнту є рух протонів водню за цим градієнтом: із порожнини тилакоїду у строму хлоропласту через так звану систему GF1-F0, розташовану у мембрані тилакоїду. Цей рух надзвичайно важливий, так як енергія руху протонів водню використовується для каталізу реакції фосфорилювання: приєднання фосфору неорганічного до АДФ із створенням АТФ. Безпосередню участь у створенні АТФ бере система GF1-F0 (рис. 10). Вона виглядає як наріст у вигляді гриба на поверхні мембрани тилакоїду і є мультиферментним комплексом із дев’яти білків, який складається із двох різних функціональних частин:
1. GF1 - п’ять білків (”шляпка”),розташовані на зовнішньому боці мембрани тилакоїду, основне завдання - каталіз реакції фосфорилювання (АДФ + Ф = АТФ).
2. F0 – чотири білки („ніжка”), занурені в мембрану тилакоїда, функція – створення каналу для проходження протонів водню.
Білки GF1 легко видаляються з мембрани, а білки F0 можна видалити, лише зруйнувавши саму мембрану. Існує дві поширені гіпотези, які пояснюють діяльність системи GF1-F0, яку ще називають АТФ – синтетазою:
1. Гіпотеза Мітчела. Згідно цієї теорії фосфатна група пов’язується з активним центром GF1. Два протони, які за електрохімічним градієнтом виходять із порожнини тилакоїду, з’єднуються з одним із киснів фосфату, утворюючи молекулу води. Звільняється один хімічний зв’язок, фосфатна група стає здатною до хімічної взаємодії і приєднується до АДФ.
2. Гіпотеза Бойєра. На думку Бойєра, протони у каталізі реакції фосфорилювання відіграють іншу роль: при проходження протонів через комплекс GF1 може змінюватися конформація білків комплексу. АДФ і Фн за нормальних умов не можуть взаємодіяти, але реакція може відбутися спонтанно, якщо обидві молекули незалежно одна від одної контактують із білками системи GF1. Утворена молекула АТФ залишається пов’язаною з активним центром і відділяється від нього лише при додаванні енергії. Ця енергія забезпечується зміною конформації білку, яка в свою чергу викликається рухом протонів.
Рис. 10
Функціонування системи GF1-F0 (АТФ – синтетаза)
І. За Мітчелом
Порожнина Мембрана Матрикс
тилакоїда тилакоїда хлоропласту
 |
F0 GF1 О
2 Н+ О Р О + АДФ
F0 О
------------------------------------------------------------------------------------------------
Порожнина Мембрана Матрикс
тилакоїда тилакоїда хлоропласту
| |
F0 GF1 О
2 Н+ О Р О + АДФ
F0
Н2О
------------------------------------------------------------------------------------------------
Порожнина Мембрана Матрикс
тилакоїда тилакоїда хлоропласту
| |
F0 GF1
АТФ
F0
Н2О
ІІ. За Бойєром
Мембрана Матрикс хлоропласту
тилакоїда 
 |
F0 GF1
Фн
2 Н+
+
F0 АДФ
------------------------------------------------------------------------------------------------
 | |