Уникальность фотосинтеза как физико-химического процесса.

ФОТОСИ́НТЕЗ, уникальный физико-химический процесс, осуществляемый на Земле всеми зелеными растениями и некоторыми бактериями и обеспечивающий преобразование электромагнитной энергии солнечных лучей в энергию химических связей различных органических соединений. Основа фотосинтеза — последовательная цепь окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых осуществляется перенос электронов от донора — восстановителя (вода, водород) к акцептору — окислителю (СО₂, ацетат) с образованием восстановленных соединений (углеводов) и выделением O₂, если окисляется вода.

Фотосинтез играет ведущую роль в биосферных процессах, приводя в глобальных масштабах к образованию органического вещества из неорганического. Фотосинтезирующие организмы, используя солнечную энергию в реакциях фотосинтеза, осуществляют связь жизни на Земле со Вселенной и определяют в конечном итоге всю ее сложность и разнообразие. Гетеротрофные организмы — животные, грибы, большинство бактерий, а также бесхлорофилльные растения и водоросли — обязаны своим существованием автотрофным организмам — растениям-фотосинтетикам, создающим на Земле органическое вещество и восполняющим убыль кислорода в атмосфере. Человечество все более осознает очевидную истину, впервые научно обоснованную К.А. Тимирязевым и В.И. Вернадским: экологическое благополучие биосферы и существование самого человечества зависит от состояния растительного покрова нашей планеты.

Основные этапы преобразования энергии при фотосинтезе, роль двух фотосистем в процессе фотосинтеза.

Живая природа настолько рационально решает проблемы эффективного улавливания солнечной энергии, ее преобразования и запасания в удобной для биологического потребления форме, что до сих пор не удается воспроизвести основные этапы фотосинтеза в искусственных системах. Первичное улавливание и преобразование энергии света при фотосинтезе происходит с непременным участием хлорофилла, что было выявлено уже в классических работах К.А. Тимирязева, показавшего, что именно та часть солнечного света, которая поглощается хлорофиллом, эффективно инициирует процесс фотосинтеза.

Как показано на рис. 3а, молекула хлорофилла состоит из порфиринового ядра, образованного тетрапиррольным кольцом с расположенным в центре атомом магния, и фитольного хвоста. Хлорофилл относится к классу веществ, называемых пигментами, то есть сильноокрашенных соединений, характеризующихся интенсивным поглощением видимого света. Было установлено, что система "легко возбудимых" сопряженных связей порфиринового кольца обусловливает высокую способность хлорофилла к поглощению света (рис. 3б). Так, миллиметровый слой 1 мМ раствора хлорофилла поглощает около 90% падающего на него красного или синего света (зеленый свет поглощается менее эффективно, что и определяет зеленый цвет растений). Для хлорофилла, как и для других пигментов, характерно относительно длительное время, около 10-8 сек, нахождения в возбужденном состоянии, что важно для участия хлорофилла в фотохимических реакциях. У многих других пигментов, например, у производных хлорофилла, у которых центральный атом магния заменен на медь или марганец, это время гораздо ниже вследствие чрезвычайно быстрого перехода энергии электронного возбуждения в тепло.

Для выяснения молекулярных основ участия хлорофилла в первичных процессах преобразования солнечной энергии при фотосинтезе важнейшее значение имело открытие, сделанное нашим соотечественником, академиком А.А. Красновским, который показал, что при переходе в возбужденное состояние в результате поглощения кванта света молекула хлорофилла приобретает свойство вступать в такие окислительно-восстановительные (то есть идущие с переносом электронов) реакции, к которым она не была способна в темноте. При этом молекула хлорофилла (Хл) может потерять свой электрон, то есть окислиться, отдав его другому веществу, называемому в данном случае акцептором (А) электрона, тогда как хлорофилл выступает в данной реакции как донор электрона. Эта реакция получила название реакции Красновского. Возбужденная молекула хлорофилла (Хл*) может также восстанавливаться, то есть принять "лишний" электрон, отобрав его у другого вещества, служащего в данном случае донором (Д) электрона. Если помимо Хл в системе присутствуют Д и А, то в результате сочетания процессов окисления Хл и его восстановления свет, поглощаемый хлорофиллом, будет индуцировать перенос электрона от Д к А с образованием Д+ (окисленного Д) и А- (восстановленного А). Хлорофилл при этом, несмотря на участие в двух ступенях переноса электрона, возвращается в исходное состояние готовности к новому фотохимическому циклу переноса электрона, согласно реакции

ДХлА ДХл*А ДХл+А- Д + ХлА-.

В результате получается система с разделенными зарядами Д + ХлА- (элементарная электрическая батарейка), в которой может быть запасена значительная часть энергии кванта света, поглощенного хлорофиллом. Как показано в работах последних десятилетий, именно этот принцип - фоторазделения зарядов - лежит в основе первичного преобразования энергии света при фотосинтезе. Где же и каким образом это происходит?

Как показано на рис. 4, хлорофилл, определяющий зеленый цвет листа растения, распределен не по всей растительной клетке, а сосредоточен в пластидах, называемых хлоропластами. В хлоропластах сосредоточен фотосинтетический аппарат, и их роль состоит в энергообеспечении клетки за счет поглощенного света. Хлоропласт имеет геном, который делится при делении хлоропласта. Несмотря на наличие собственного генома, обеспечивающего синтез большей части структур фотосинтетического аппарата, ряд строго необходимых для протекания фотосинтеза компонентов (например, основные ферменты, участвующие в биосинтезе хлорофилла, некоторые белки, входящие в систему фотосинтетического окисления воды), кодируются в клеточном геноме. Хлоропласт заполнен так называемыми тилакоидами - замкнутыми сплющенными "мешочками", которые состоят из двухслойных липидных мембран, образованных в результате впячивания внутреннего слоя двухслойной мембраны, ограничивающей весь хлоропласт от цитоплазмы. Тилакоиды сгруппированы в плотно упакованные темно-зеленые "стопки", получившие название гран, которые связаны между собой частью тилакоидов. В мембраны тилакоидов погружены белки или белковые комплексы, большая часть которых насквозь пронизывает мембрану. Только часть из этих комплексов окрашена в зеленый цвет, то есть содержит хлорофилл; было установлено, что практически весь хлорофилл находится в хлорофилл-белковых комплексах, или, лучше сказать, в пигмент-белковых комплексах, поскольку все они наряду с хлорофиллом содержат другие пигменты.

Пигмент-белковые комплексы можно разделить на две функциональные группы. Основная функция первой из них - "светособирающих" или "антенных" пигмент-белковых комплексов - состоит в эффективном улавливании энергии света. Более 90% всего хлорофилла сосредоточено именно в "антенных" комплексах. БЧльшая их часть представляет собой белки с молекулярной массой от 20 000 до 70 000, на каждом из которых расположены 10 - 40 молекул хлорофилла. Помимо основного пигмента - хлорофилла а - в состав этих комплексов входит его аналог - хлорофилл б, а также каротиноиды - пигменты желтого или оранжевого цвета (один из них, бета-каротин, определяет окраску моркови). Цианобактерии содержат также бесхлорофилльные пигмент-белковые комплексы - фикобилины, окрашенные в синий или красный цвет. Они эффективно поглощают свет в области спектра, где хлорофилл имеет слабое поглощение, что позволяет осуществить более эффективное улавливание солнечной энергии.

Энергия возбуждения от светособирающих пигментов с очень высокой эффективностью (близкой к 100%) передается на хлорофилл другой группы пигмент-белковых комплексов - фотохимические реакционные центры. Их основная и важнейшая для всей биосферы функция состоит в том, чтобы преобразовать энергию электронного возбуждения хлорофилла (полученную в результате поглощения света в данном комплексе или в результате миграции возбуждения от светособирающих комплексов) в энергию разделенных зарядов, подобно тому, как это происходит в реакции Красновского, описанной выше.

У кислородвыделяющих организмов имеется два типа реакционных центров, функционирующих в так называемых фотосистеме 1 (ФС-1) и фотосистеме 2 (ФС-2) (рис. 5). Аналоги каждого из этих реакционных центров обнаружены у ряда фотосинтезирующих бактерий, и молекулярная структура одного из них, выделенного из пурпурной бактерии Rhodopseudomonas viridis, впервые была установлена с помощью рентгеноструктурного анализа. Необходимо отметить, что значительная часть знаний о структурной и функциональной организации фотосинтетических реакционных центров получена при помощи изучения именно бактериальных реакционных центров. Они отличаются высокой стабильностью в изолированном из мембраны состоянии, и именно из них удалось впервые получить кристаллы, использование которых в рентгеноструктурных исследованиях позволило получить данные о молекулярной структуре реакционного центра. За эту работу группа немецких исследователей в 1988 году получила Нобелевскую премию.

Бактериальный реакционный центр состоит из трех полипептидов с молекулярной массой от 24 000 до 32 000, на которых расположены молекулы одного из представителей хлорофиллов - бактериохлорофилла (Бхл) и две молекулы его безмагниевого производного - бактериофеофитина (Бфф). Две из четырех молекул Бхл расположены настолько близко друг к другу (около 3 Б), что формируют компактное образование - димер (П), а четыре другие одиночные молекулы пигментов образуют две симметричные по отношению к П цепочки Бхл-Бфф. Энергия электронного возбуждения, полученная в результате поглощения света пигментами самого реакционного центра или в результате ее миграции от светособирающих комплексов, локализуется в конечном счете на П. Возбужденный П, обозначаемый как П*, за время около 10 -12 сек передает свой электрон на одну из одиночных молекул пигмента, так что в результате образуется первичное состояние с разделенными зарядами П+Бфф-. Это состояние обладает очень коротким временем жизни (около 10- 8 сек) вследствие возможного возврата электрона от Бфео- к П+. Однако вероятность этого процесса очень низка благодаря более быстрому (2 " 10-10 сек) "прямому" переносу от Бфео- к "стабильному" акцептору электрона, получившему название Q. При этом образуется состояние П+БфеоQ-, время жизни которого уже составляет около 10-3 сек. Необходимо отметить очень высокую эффективность описанных стадий фоторазделения зарядов. Так, квантовая эффективность, то есть доля поглощенных квантов, вызвавших перенос электрона, близка к 100%. Энергетическая эффективность, то есть доля энергии возбуждения, запасенной в результате фотохимического акта, составляет свыше 90% для первой стадии переноса электрона и около 50 - 70% для второй. Об изумительном совершенстве этой уникальной биологической "машины" свидетельствует, например, тот факт, что с такой же эффективностью фотоперенос электрона в реакционном центре осуществляется даже при температуре жидкого гелия (-271?С).

Основным итогом фотохимической стадии преобразования энергии света у кислородвыделяющих фотосинтезирующих организмов является фотоперенос электронов от воды к НАДФ+. Обе фотосистемы (ФС-1 и ФС-2) участвуют в этом процессе, обеспечивая двухступенчатое поступление энергии для его протекания. ФС-2 осуществляет окисление воды с образованием молекулярного кислорода, согласно реакции: 2Н2О + 4hn О2 + 4е + 4Н+, где hn обозначает квант света, е - электрон. В результате фотохимического акта реакционного центра ФС-2 образуется самый сильный биологический окислитель - окисленный хлорофилл, который окисляет воду с участием марганецсодержащей энзиматической системы. Электроны, оторванные от воды, через цепь темновых реакций поступают на ФС-1, использующую их для фотовосстановления НАДФ+ до НАДФН, которое тоже осуществляется с участием специальной энзиматической системы. Окисление воды, а также перенос электронов от ФС-2 к ФС-1 приводит к появлению разности концентраций ионов Н+ по обе стороны тилакоидной мембраны, которая, как и в случае митохондрий, необходима для осуществления процесса фосфорилирования - образования АТФ, основного энергетического эквивалента, используемого в качестве источника энергии в биологических процессах. Образованные в результате фотохимического переноса электронов АТФ и НАДФН используются для восстановления СО2 с образованием первичных сахаров, которое в упрощенном виде можно описать следующим образом: СО2 + 4е + 4Н+ СН2О + + Н2О. При этом на каждую молекулу СО2 расходуется две молекулы НАДФН и три молекулы АТФ. Этот процесс, в результате которого "восстановленная" молекула СО2 включается в состав гексозы, осуществляется через ряд стадий с участием сложного цикла энзиматических реакций, получившего название цикла Кальвина по имени его открывателя.