Молекулярные основы преобразования и запасания энергии света при фотосинтезе
Основным итогом фотохимической стадии преобразования энергии света у кислородвыделяющих фотосинтезируюших 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: 2Н20 + 4hv —О2 + 4е+ 4Н+, где hv 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 концент-
Рис. 5. Схематическое изображение фотосинтетической цепи переноса электрона в хлоропласах растений и цианобактерий. (Мп)4 - Комплекс из четырех атомов Мп, связанных с белками реакционного центра фотосистемы 2 (ФС-2); Z - вторичный донор электрона ФС-2, (остаток тирозина); Пбао - первичный донор электрона ФС-2 (димер хлорофилла); *П680 - возбужденное состояние хлорофилла П680; Фео - первичный акцептор электрона ФС-2, феофитин; QA и QB -акцепторы электрона хиноновой природы; цит в./f-комплекс цитохромов, участвующих в переносе электрона от ФС-2 к фотосистеме 1 (ФС-1); Пц - пластоцианин (подвижный переносчик электрона); П700 - первичный донор электрона ФС-1 (димер хлорофилла); *П700 - возбужденное состояние П700;Хла-(хлорофилл) и Ох-(хинон), соответственно, первичный и вторичный акцепторы электрона ФС-1; Fx, Fa и Fb акцепторы электрона ФС-1 (Fe-S-центры); Фд - ферредоксинрастворимый переносчик электрона (Fe-S-содержащий белок); НАДФ+ - никотинамидаденин динуклеотид фосфат (конечный переносчик электронов, используемый вместе с АТФ в ассимиляции СО2), hv - квант света. По вертикальной шкале указаны приблизительные значения окислительно-восстановительных потенциалов переносчиков электрона при рН 7.
раций ионов Н+ по обе стороны тилакоидной мембраны, которая, как и в случае митохондрий, необходима для осуществления процесса фосфо-рилирования — 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 са-харов, 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. В заключение необходимо отметить, что исследование фотосинтеза — сложнейшего фундаментального биологического процесса, имеющее давние традиции в отечественной науке, привлекает в настоящее время внимание все большего числа естествоиспытателей — биологов, физиков, химиков, математиков. Познание молекулярных механизмов фотосинтеза будет иметь большое значение для обеспечения человечества экологически чистой энергией за счет практически неиссякаемого источника — солнечного излучения (например, на основе фоторазложения воды на молекулярной водород и кислород), для повышения фотосинтетической продуктивности растений, лежащей в основе обеспечения человечества пищей, для использования принципов фотопреобразования световой энергии при фотосинтезе в фотобиотехнологических и фотобиотехнических системах, для обеспечения длительных космических экспедиций органикой и молекулярным кислородом, для решения проблем экологической безопасности отдельных регионов, для сохранения и развития биосферы.
