БИОХИМИЯ - Л. Страйер - 1984

ТОМ 2

ЧАСТЬ II ГЕНЕРИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ МЕТАБОЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

ГЛАВА 19. ФОТОСИНТЕЗ

19.9. Фотосистема I генерирует NADPH через восстановленный ферредоксин

Реакционный центр фотосистемы I (рис. 19.12)-это молекула хлорофилла я, находящаяся в специфическом окружении. Его максимум поглощения сдвинут с 680 к 700 нм, исходя из чего он получил название Р700 (где Р-пигмент).

Рис. 19.12. Образование NADPH фотосистемой I

Многие молекулы хлорофилла поглощают свет и переносят возбужденную энергию на Р700. Возбужденный Р700 переносит электрон к связанному ферредоксину (Р430), связанной с мембраной форме ферредок- сина, железосеропротеина типа Fе₄-S₄ с мол. массой 11,6 кДа. В темноте окислительно-восстановительный потенциал Р700 равен -1-0,4 В. Возбуждение Р700 под действием света приводит к изменению распределения электронов со сдвигом окислительно-восстановительного потенциала примерно до — 0,6 В. Таким образом, свет переводит электрон в фотосистеме I с потенциала около +0,4 В на потенциал —0,6 В. Энергия красного фотона, составляющая 1,8 эВ (электрон-вольт), достаточна для повышения потенциала электрона на 1,0 В. Перенос возбужденного электрона с Р700 на связанный ферредоксин создает дефицит электрона в Р700. Для того чтобы Р700 мог снова функционировать в качестве реакционного центра, его окисленная форма должна предварительно опять присоединить электрон; что служит источником этих электронов, мы рассмотрим несколько позднее.

Связанный ферредоксин далее переносит свой электрон на растворимую форму ферредоксина. Атом железа в активном центре ферредоксина попеременно окисляется и восстанавливается. Восстановленный ферредоксин переносит свой электрон на NADP⁺ с образованием NADPH. Реакция катализируется ферредоксин-NADP—редуктазой, содержащей FAD в качестве простетической группы. Заметим, что при восстановлении NADP⁺ в NADPH происходит перенос двух электронов, тогда как ферредоксин является переносчиком одного электрона. Таким образом, электроны от двух восстановленных ферредоксинов должны конвергировать, образуя одну молекулу NADPH.

19.10. Фотосистема II генерирует сильный окислитель, который расщепляет воду

О реакционном центре (Р680) и первичном акцепторе электрона фотосистемы II (рис. 19.13) известно сравнительно немного. Окислительно-восстановительный потенциал этого реакционного центра-около + 0,8 В.

Под действием света возникает очень сильный окислитель Z+ (окисленная форма реакционного центра или ее производное) и слабый восстановитель Q^-, локализованный в этом центре. Z⁺ извлекает электроны из Н₂O с образованием O₂. Существенную роль в этом процессе играет марганец.

4Z+ + 2Н₂O → 4Z + 4Н⁺ + O₂.

Рис. 19.13. Возбуждение фотосистемы II приводит к образованию O₂ и переносу электрона на фотосистему I. При этих процессах происходит генерирование протонного градиента через мембрану тилакоида (РQ обозначает пластохинон, РС - пластоцианин)

19.11. При переносе электронов от фотосистемы II к фотосистеме I создается протонный градиент

Фотосистемы I и II связаны между собой рядом электронных переносчиков, которые играют двойную роль.

1. Через это связующее звено электроны переходят от фотосистемы II к фотосистеме I. Эти электроны необходимы для регенерирования восстановленной формы Р700, реакционного центра фотосистемы I.

2. При переносе электронов через данное связующее звено создается протонный градиент через мембрану тилакоидов. В возникновение этого градиента вносят вклад также протоны, образующиеся при выделении O₂. Реакция среды в полости тилакоидов становится более кислой. Возникающий протонный градиент запускает синтез АТР (разд. 19.13).

Из фотоактивированного реакционного центра фотосистемы II электрон переносится на Q, прочно связанную молекулу пла- стохинона. Этот хинон очень сходен с убихиноном (разд. 14.4), компонентом цепи переноса электронов в митохондриях, и с витамином К (разд. 11.11). От Q электрон переносится затем к подвижным пластохи- нонам и затем к цитохрому Ь₅₅₉. Следующий член цепи переноса электронов - цитохром с₅₅₂ (ранее называвшийся цитохромом /), представляющий собой в отличие от цитохрома с в митохондриях интегральный мембранный белок. Конечным переносчиком электрона от фотосистемы II к фотосистеме I является пластоцианин, представляющий собою белок в 10,5 кДа с одним атомом меди, который координационно связан с четырьмя группами; цистеином, метионином и двумя гистидиновыми боковыми цепями (рис. 19.14). Эта пространственная координация отличается от имеющих плоскостной характер низкомолекулярных комплексов Сu^{2 +}. Локализованное натяжение при атоме Си, вероятно, облегчает перенос электрона, поскольку Си находится попеременно в степени окисления +1 и + 2. Атом Си расположен вблизи поверхности молекулы пластоцианина, он закрыт только гистцдиновой боковой цепью, и перенос электронов к Си может осуществляться посредством прямого механизма (разд. 14.16). Благодаря переносу электрона с восстановленного пластоцианина на окисленную форму Р700 реакционный центр вновь может служить донором электронов, образующим NАDРН при освещении. Суммарная реакция, протекающая при фотоактивации фотосистем I и II, выглядит следующим образом:

2Н₂О + 2NАDР⁺ → O₂ + 2NАDРН + 2Н⁺.

Рис. 19.14. Структура координированного иона меди в пластоцианине

Иными словами, свет вызывает перенос электронов от Н_2O к NАDРН (рис. 19.15).

Рис. 19.15. Поток электронов при нециклическом фотофосфорилировании. Это истинный поток электрона от Н₂O к NADP⁺ с образованием NАDРН