Фотосинтез

Фотосинтез – процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, хлорофилл, бактериохлорофили и бактериородопсин у бактерий ), часто с выделением кислорода в качестве побочного продукта. Это чрезвычайно сложный процесс, включающий длинную последовательность координированных биохимических реакций. Он происходит в высших растениях, водорослях, многих бактериях, некоторых архея и простейших – организмах, известных вместе как фототрофы. Сам процесс играет важную роль в круговороте углерода в природе.
Обобщенное уравнение фотосинтеза (брутто-формула) имеет вид:

6СО 2 + 6Н 2 О = С 6 Н 12 О 6 + 6О 2

Типы фотосинтеза
Различают оксигенного и аноксигенный типы фотосинтеза. Оксигенного наиболее распространенный, его осуществляют растения, цианобактерии и прохлорофиты. Значение фотосинтеза проходит в пурпурных, деких зеленых бактерий гелиобактериях.
Выделяют три этапа фотосинтеза: фотофизический, фотохимический и химический. На первом этапе происходит поглощение квантов света пигментами, их переход в возбужденное состояние и передача энергии к другим молекулам фотосистемы. На втором этапе происходит разделение зарядов в реакционном центре, перенос электронов по фотосинтетической электронотранспортной цепи, что заканчивается синтезом АТФ и НАДФН. Первые два этапа вместе называют светозависимой стадией фотосинтеза. Третий этап происходит уже без обязательного участия света и включает биохимические реакции синтеза органических веществ с использованием энергии, накопленной на светозависимой стадии. Чаще всего в качестве таких реакций рассматривается цикл Кальвина и глюконеогенез, образование сахаров и крахмала из углекислого газа воздуха.
Пространственная локализация
Фотосинтез растений осуществляется в хлоропластах, обособленных двухмембранных органеллах клетки. Хлоропласты могут быть в клетках плодов, стеблей, однако основным органом фотосинтеза, анатомически приспособленным к его ведению, является лист. В листе наиболее богата хлоропластами ткань – палисадной фотосинтезирующее / столбчатая / хлорофиллоносных паренхимы. У некоторых суккулентов с вырожденными листьями (например, кактусы) основная фотосинтетическая активность связана со стеблем.
Свет для фотосинтеза захватывается более полно благодаря плоской форме листа, обеспечивающей большое отношение поверхности к объему. Вода доставляется из корня развитой сети сосудов (жилок листа). Углекислый газ поступает отчасти посредством диффузии через кутикулу и эпидермис, однако большая его часть диффундирует в лист через устьица и по листу через межклеточное пространство. Растения, осуществляющие С 4 и CAM фотосинтез сформировали особые механизмы для активной ассимиляции углекислого газа.
Внутреннее пространство хлоропласта заполнено бесцветным содержимым (стромой) и пронизано мембранами (ламеллами), которые, соединяясь друг с другом, образуют тилакоиды, которые в свою очередь группируются в стопки, называемые грани. Внутритилакоидное пространство отделено и не сообщается с остальной стромой, предполагается также, что внутреннее пространство всех тилакоидов сообщается между собой. Световые стадии фотосинтеза с мембранами, автотрофная фиксация углекислого газа происходит в строме.
В хлоропластах имеются свои ДНК, РНК, рибосомы (70S типа), идет синтез белка (хотя этот процесс и контролируется из ядра). Они не синтезируются вновь, а образуются путем деления предшествующих. Все это позволило считать их предшественниками свободных цианобактерий, вошедших в состав эукариотической клетки в процессе симбиогенеза.
Цианобактерии и другие фотосинтетизуючи бактерии и археи, таким образом, сами являются хлоропластом, и их клетке фотосинтетический аппарат не вынесен в особую органеллы. Их тилакоиды, однако, не образуют стопок, а формируют различные складчатые структуры (в одной цианобактерии Gloeobacter violaceus тилакоиды отсутствуют вовсе, а весь фотосинтетический аппарат находится в цитоплазматической мембране, не создает углублений). У них и у растений также есть различия в светособирающем комплексе (см. ниже) и пигментном.
Световая (светозависимая) стадия
В ходе световой стадии фотосинтеза образуется высокоэнергетические продукты: аденозинтрифосфат, служащий в клетке источником энергии, и НАДФН, использующийся как восстановитель. Качестве побочного продукта выделяется кислород.
Фотохимическая суть процесса
Двух-стадийный фотосинтез («Z-схема») Хлорофилл имеет два уровня возбуждения (с этим связано наличие двух максимумов на спектре поглощения): первый связан с переходом на более высокий энергетический уровень электрона системы сопряженных двойных связей, второй – с возбуждением неспаренных электронов азота и кислорода порфиринового ядра. При неизменном спине электрона формируются синглетные первое и второе возбужденное состояние, при измененном – триплетное первое и второе.
Второе возбужденное состояние наиболее высокоэнергетический, нестабильно и хлорофилл за 10 -12 сек переходит с него на первый, с потерей 100 кДж / моль энергии только в виде тепла. Из первого синглетного и триплетного состояний молекула может переходить в основное с выделением энергии в виде света (флуоресценция) или тепла, с переносом энергии на другую молекулу, либо, поскольку электрон на высоком энергетическом уровне слабо связан с ядром, с переносом электрона на другую соединение.
Вторая возможность реализуется в светособирающих комплексах, первая – в реакционных центрах, где переходящий в возбужденное состояние при поглощении кванта света хлорофилл становится донором электрона (восстановителем) и передает его на первичный акцептор. Чтобы предотвратить возвращение электрона на положительно заряженный хлорофилл, первичный акцептор передает его вторичному. Кроме того, время жизни полученных соединений выше, чем у возбужденной молекулы хлорофилла. Происходит стабилизация энергии и разделения зарядов. Для дальнейшей стабилизации вторичный донор электронов окисляет положительно заряженный хлорофилл, первичным донором же в случае оксигенного фотосинтеза вода.
Проблемой, с которой сталкиваются при этом проводящие оксигенный фотосинтеза, является различие окислительно-восстановительных потенциалов воды (E 0 = +0,82 В) и НАДФ + (E 0 =- 0,32 В). Хлорофилл при этом должен иметь в основном состоянии потенциал больший +0,82 В чтобы окислять воду, но при этом иметь в возбужденном состоянии потенциал меньший чем -0,32 В чтобы восстанавливать НАДФ +. Одна молекула хлорофилла не может отвечать обоим требованиям. Поэтому сформировалось две фотосистемы и для полного проведения процесса необходимо два кванта света и два хлорофилла разных типов.
Светособирающие комплексы
Светособирающий кластер фотосинтетических пигментов на поверхности тилакоидных мембраны хлоропластов Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачу энергии. Более 90% всего хлорофилла хлоропластов входит в состав светособирающих комплексов (ССК), выполняющих роль антенны, передающей энергию к реакционному центру фотосистем I или II. Помимо хлорофилла в ССК имеются каротиноиды, а у некоторых водорослей и цианобактерий – фикобилины, роль которых заключается в поглощении света тех длин волн, хлорофилл поглощает сравнительно слабо.
Передача энергии идет резонансным путем (механизм Ферстера) и занимает для одной пары молекул 10 -10 -10 -12 с, расстояние, на которое осуществляется перенос составляет около 1 нм. Передача сопровождается некоторыми потерями энергии (10% от хлорофилла а к хлорофилла b, 60% от каротиноидов к хлорофилла), через которые возможна только от пигмента с максимумом поглощения при меньшей длине волны к пигменту с большей длиной волны в максимуме поглощения. Именно в таком порядке взаимно локализуются пигменты ССК, причем наиболее длинноволновые хлорофиллы находятся в реакционных центрах. Обратный переход энергии невозможен.
ССК растений расположен в мембранах тилакоидов, у цианобактерий основная его часть вынесена за пределы мембран в прикрепленные к ним фикобилисомы – палочковидные полипептидно-пигментные комплексы, в которых находятся различные фикобилины: на периферии фикоэритрины (с максимумом поглощения при 495-565 нм), за ними фикоцианины (550-615 нм) и аллофикоцианины (610-670 нм), последовательно передающие энергию на хлорофилл а (680-700 нм) реакционного центра.
Основные компоненты электронтранспортной цепи
Фотосистема II
Фотосистема – совокупность ССК, фотохимического реакционного центра и переносчиков электрона. Светособирающий комплекс II содержит 200 молекул хлорофилла а, 100 молекул хлорофилла b, 50 молекул каротиноидов и 2 молекулы феофитина. Реакционный центр фотосистемы II является пигмент-белковый комплекс, расположенный в тилакоидных мембранах и окруженный ССК. В нем находится димер хлорофилла a с максимумом поглощения при 680 нм (П680). На него в конечном счете передается энергия кванта света из ССК, в результате чего один из электронов переходит на более высокое энергетическое состояние, связь его с ядром ослабляется и возбужденная молекула П680 становится сильным восстановителем (E 0 =- 0,7 В).
П680 восстанавливает феофитин, в дальнейшем электрон переносится на хиноны, входящие в состав ФС II и далее на пластохиноны, транспортируемые в восстановленной форме к b 6 f комплекса. Одна молекула пластохинона переносит 2 электрона и 2 протона, которые берутся из стромы. Заполнение электронной вакансии в молекуле П680 происходит за счет воды. В состав ФС II входит водоокисляющий комплекс, содержащий в активном центре ионы марганца в количестве 4 штук. Для образования одной молекулы кислорода требуется две молекулы воды, дающие 4 электрона. Поэтому процесс проводится в 4 такта и для его полного осуществления требуется 4 кванта света. Комплекс находится со стороны внутритилакоидного пространства и полученные 4 протона выбрасываются в него.
Таким образом, суммарный результат работы ФС II – это окисление 2 молекул воды с помощью 4 квантов света с образованием 4 протонов во внутритилакоидном пространстве и 2 восстановленных пластохинонов в мембране.
b 6 f или b / f-комплекс
b 6 f комплекс является насосом, перекачивает протоны из стромы в внутритилакоидное пространство и создающий градиент их концентрации за счет энергии, выделяющейся в окислительно-восстановительных реакциях электронтранспортной цепи. 2 пластохинона обеспечивают перекачку 4 протонов. В дальнейшем трансмембранный протонный градиент (pH стромы около 8, внутритилакоидного пространства – 5) используется для синтеза АТФ трансмембранным ферментом АТФ-синтазы.
Фотосистема I
Светособирающий комплекс I содержит примерно 200 молекул хлорофилла.
В реакционном центре первой фотосистемы находится димер хлорофилла a с максимумом поглощения при 700 нм (П700). После возбуждения квантом света он восстанавливает первичный акцептор – хлорофилл а, тот – вторичный (витамин K 1), после чего электрон передается на филлохинон, от него на феридоксин, который и восстанавливает НАДФ с помощью фермента феридоксин-НАДФ-редуктазы. Белок пластоцианин, восстановленный в b 6 f комплексе, транспортируется к реакционному центру первой фотосистемы со стороны внутритилакоидного пространства и окисленный П700.
Циклический и псевдоциклический транспорт электрона
Помимо полного нециклического пути электрона, описанного выше, обнаружены циклический и псевдоциклический. Суть циклического пути заключается в том, что феридоксин вместо НАДФ восстанавливает пластохинон, который переносит его назад на b 6 f комплекс. В результате образуется больший протонный градиент и больше АТФ, но не возникает НАДФН. При псевдоциклическом пути феридоксин восстанавливает кислород, который в дальнейшем превращается в воду и может быть использован в фотосистеме II. При этом также не образуется НАДФН.
Темновая стадия
Схематическое изображение цикла Кальвина В темновой стадии с участием АТФ и НАДФН происходит восстановление CO 2 до глюкозы. Хотя свет не требуется для осуществления данного процесса, он участвует в его регуляции.
С 3 – фотосинтез, цикл Кальвина
Цикл Кальвина, или восстановительный пентозофосфатный цикл, состоящий из трех стадий:

Карбоксилирования
Восстановление
Регенерация акцептора CO 2

На первой стадии к рибулозо-1,5-бифосфата присоединяется CO 2 под действием фермента рибулозобисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа (Rubisco). Этот белок составляет основную фракцию белков хлоропласта и предположительно наиболее распространенный фермент в природе. В результате образуется промежуточное неустойчивое соединение, распадающееся на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Во второй стадии ФГК в два этапа восстанавливается. Сначала она фосфорилируется АТФ под действием фосфороглицерокиназы, затем НАДФН при воздействии триозофосфатдегидрогеназы ее карбоксильная группа окисляется до альдегидной и она становится углеводом (ФГА).
В третьей стадии участвуют 5 молекул ФГА, которые через образование 4 -, 5 -, 6 – и 7-углеродных связей объединяются в 3 5-углеродных рибулозо-1,5-бифосфата, для чего необходимы 3 АТФ. Наконец, две ФГА необходимы для синтеза глюкозы. Для образования одной молекулы требуется 6 оборотов цикла, 6 CO 2, 12 НАДФН и 18 АТФ.
С 4 – фотосинтез, цикл Хэтча-Слэка-Карпилова

См. также: Цикл Хэтча-Слэка-Карпилова

При низкой концентрации растворенного в строме CO 2 Rubisco катализирует реакцию окисления рибулозо-1,5-бифосфата и его распад на 3-фосфоглицериновую кислоту и фосфогликолевую кислоту, которая вынужденно используется в процессе фотодыхания. Для увеличения концентрации CO 2 растения С 4 типа изменили анатомию листа. Цикл Кальвина у них локализуется в клетках обкладки проводящего пучка, в клетках мезофилла же под действием ФЕП-карбоксилазы фосфоенолпируват карбоксилируется с образованием щавелеуксусной кислоты, которая превращается в малат или аспартат и транспортируется в клетки обкладки, где декарбоксилируется с образованием пирувата, возвращаемого в клетки мезофилла.
С 4 фотосинтез практические не сопровождается потерями рибулозо-1,5-бифосфата из цикла Кальвина, поэтому более эффективен. Однако он требует не 18, а 30 АТФ на синтез 1 молекулы глюкозы. Это оправдывает себя в тропиках, где жаркий климат требует держать устьица закрытыми, что препятствует поступлению CO 2 в лист, а также при рудеральной жизненной стратегии.
САМ фотосинтез
При CAM (Crassulaceae acid metabolism) фотосинтезе происходит разделение ассимиляции CO 2 и цикла Кальвина не в пространстве, как в С 4, а во времени. Ночью в вакуолях клеток по аналогичному вышеописанному механизму при открытых устьицах накапливается малат, днем при закрытых устьицах идет цикл Кальвина. Этот механизм позволяет максимально экономить воду, однако уступает в эффективности и С 4, и С 3. Он оправдан при стресстолерантной жизненной стратегии.
Значение фотосинтеза
Значение фотосинтеза свойственный некоторым бактериям и архе (например, пурпурным, некоторым зеленым бактериям и гелиобактериям т.п.). Эти организмы не используют воды в качестве восстановителя, поэтому кислород (O 2) не является побочным продуктом синтеза. Вместо воды используются как сероводород (H 2 S) (рис. 2) или ионы двухвалентного железа (Fe + +), вследствие чего на выходе возникают элементарная сера (S) и трехвалентные ионы железа (Fe + + +) соответственно, или молекулярный водород (H 2). Например, фотосинтез с использованием H 2 S в качестве восстановителя проходит следующие стадии:

CO 2 + 2 H 2 S -> (CH 2 O) + 2 S + H 2 O

Здесь первым продуктом фотосинтеза выступает фиктивная химическое соединение CH 2 O.
Изучение фотосинтеза
Фотосинтез является основным источником биологической энергии, фотосинтезирующие автотрофы используют ее для образования органических веществ из неорганических, гетеротрофы существуют за счет энергии химических связей, высвобождая ее в процессах дыхания и брожения. Энергия, получаемая человечеством при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф) также является запасенной в процессе фотосинтеза.
Фотосинтез является главным входом неорганического углерода в биологический цикл. Весь кислород атмосферы биогенного происхождения и является побочным продуктом. Формирование окислительной атмосферы полностью изменило состояние земной поверхности, сделало возможным появление дыхания, а в дальнейшем, после образования озонового слоя, позволило жизни выйти на сушу.
Изучение фотосинтеза
Джозеф Пристли – открыватель кислорода и углерода, первый исследователь фотосинтеза, портрет работы Озаяса Хамфри Первые опыты по фотосинтезу были проведены Джозефом Пристли в 1770-1780-х годах, когда он обратил внимание на «порчу» воздуха в герметичном сосуде горящей свечой (воздух переставал быть способен поддерживать горение, помещенные в него животные задыхались) горела, и «исправление» его растениями. Пристли сделал вывод что растения выделяют кислород, необходимый для дыхания и горения, однако не заметил, что для этого растениям нужен свет. Это показал вскоре Ян Ингенхауз.
Позже было установлено, что помимо выделения кислорода растения поглощают углекислый газ и при участии воды синтезируют на свету органическое вещество. В 1842 Роберт Майер на основании закона сохранения энергии постулировал, что растения превращают энергию солнечного света в энергию химических связей. В 1877 Вильгельм Пфеффер назвал этот процесс фотосинтезом.
Хлорофилл был впервые выделен в 1818 П. Ж. Пелетье и Жозефом Каванту. Разделить пигменты и изучить их по отдельности удалось М. С. Цвету с помощью созданного им метода хроматографии. Спектры поглощения хлорофилла были изучены К. А. Тимирязевым, он же, развивая положения Майера, показал, что именно поглощенные позволяют повысить энергию системы, создав вместо слабых связей С-О и О-Н высокоэнергетические С-С (до этого считалось, что в фотосинтезе используются желтые лучи, не поглощаемые пигментами листа). Сделано это было благодаря созданному им методу учета фотосинтеза по поглощенном CO 2, в ходе экспериментов по освещению растения светом разных длин волн (разного цвета) оказалось что интенсивность фотосинтеза совпадает со спектром поглощения хлорофилла.
Окислительно-восстановительную сущность фотосинтеза (как оксигенного, так и аноксигенного) постулировал Корнелис ван Ниль. Это означало, что кислород в фотосинтезе образуется полностью из воды, что экспериментально подтвердил в 1941 А. П. Виноградов в опытах с изотопной меткой. В 1937 Роберт Хилл установил что процесс окисления воды (и выделение кислорода), а также ассимиляции CO 2 можно разобщить. В 1954-1958 Дэниэл И. Арнон установил механизм световых стадий фотосинтеза, а сущность процесса ассимиляции CO 2 была раскрыта Мельвином Кальвином с использованием изотопов углерода в конце 1940-х, за эту работу в 1961 ему была присуждена Нобелевская премия.
В 1955 была выделена и очищена Rubisco. С 4 фотосинтез был описан Ю. С. Карпиловим в 1960 и Н. Д. Хэтч и К. Р. Слэк в 1966.