Фотосинтез як процес поєднання світлових і темнових реакцій

          2.3.2  b6  або b/f-комплекс

b₆ комплекс є насосом, що перекачує протони із строми у внутрішньотилакоїдний простір і створює градієнт їхньої концентрації за рахунок енергії, що виділяється в окисно-відновних реакціях електронно-транспортного ланцюжка. 2 пластохінони забезпечують перекачування 4 протонів. Надалі трансмембранний протонний градієнт (pH строми, близький до 8, внутрішньотилакоїдного простору — 5) використовується для синтезу АТФ трансмембранним ферментом АТФ-синтазою.

         2.3.3 Фотосистема I

Світлозбиральний комплекс I містить приблизно 200 молекул хлорофілу.

У реакційному центрі першої фотосистеми знаходиться димер  хлорофілу з максимумом поглинання при 700 нм (П700). Після збудження квантом  світла він відновлює первинний  акцептор — хлорофіл а, той —  вторинний (вітамін K1), після чого електрон передається на філохінон, від нього  на фередоксин, який і відновлює НАДФ за допомогою ферменту феридоксин-НАДФ-редуктази. Білок пластоціанін, окислений в b6f комплексі, транспортується до реакційного центру першої фотосистеми з боку внутрішньотилакоїдного простору й відновлює окислений П700.

     2.4 Циклічний і псевдоциклічний транспорт електрона

ЦИКЛІЧНЕ  ФОСФОРИЛЮВАННЯ. Безпосередньо участь в циклічному і нециклічному фосфорилюванні беруть участь лише молекули – ловушки. Ці молекули віддають електрон  у електроннотранспортний ланцюг (ЕТЛ). При циклічному фосфорилюванні донором і акцептором електронів є хлорофіл і електрон переноситься по замкненому циклу. На ділянці електроннотранспортного ланцюга між цит. b6 і цит. F енергія електрона використовується для синтезу АТФ. Єдиним продуктом циклічного фосфорилювання є АТФ.

                       Z  Фд

hv

                       Цит b₆ АДФ + Ф АТФ

 

 П₇₀₀                     Цит f

 

Рис. 3. Схема циклічного фосфорилювання

Z – неіндефікований фермент – переносник;

Фд – фередоксин;

Цит b6 - цитохром b6;

Цит f - цитохром f;

П₇₀₀ - фотоситема ІІ;

АТФ – основний продукт

НЕЦИКЛІЧНЕ  ФОСФОРИЛЮВАННЯ.  При більш детальному вивченні  процесу фотосинтезу було встановлено, що фотофосфорилювання може супроводжуватись фото окисленням води і перенесенням електрона від молекули хлорофілу на НАДФ, внаслідок чого утворюється  НАДФ·Н₂. Цей тип фосфорилювання називається нециклічним

      НАДФ + 2е + 2Н⁺ НАДФ·Н₂

 Тобто електрон не повертається  до хлорофілу , а приєднується  в систему перенесення електронів (НАФ·Н₂). Електрони, які необхідні , для повернення хлорофілу, утворюються іонами ОН⁻, які утворюються при дисоціації води (Н⁺ і ОН⁻). В результаті втрати електрона іони ОН⁻ перетворюються в радикали (ОН*), які в ході наступних реакцій утворюють молекули води і О₂.       4ОН*      2Н₂О+О₂

 Z  Фд          Фп            НАДФ НАДФ·Н₂

Н⁺

 Н-ОН

 

  ОН⁻

 

 

       Цит f   Пх

 

     АТФ+Ф      АДФ

Рис 4. Схема нециклічного фосфорилювання

Z – неіндефікований фермент – переносник;

Фд – фередоксин;

Цит f - цитохром f;

П₇₀₀ - фотоситема ІІ;

АДФ, НАДФ·Н – основні продукти;

П₆₈₀ - фотоситема І;

НАДФ – нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат;

Пх – пластохінон;

Фп - флавонопротеїд

      3.Темнова стадія фотосинтезу

У темновій стадії за участю АТФ і НАДФН відбувається відновлення CO₂ до глюкози. Хоча світло не потрібне для здійснення даного процесу, воно бере участь у його регуляції.

3.1 С3 — фотосинтез, цикл Кальвіна

В результаті фотохімічних реакцій в хлоропластах створюється  необхідний рівень АТФ і НАДФ . Ці кінцеві продукти світлової фази фотосинтезу стоять на вході в темнову фазу, де вуглекислий газ відновлюється до вуглеводів. Темнова фаза фотосинтезу - складний процес, який включає багато реакцій. Крім того існують різні шляхи відновлення вуглекислого газу. Відомі Сз-шлях і С₄-шлях фіксації вуглекислого газу, фотосинтезу по типу товстолистих (САМ- метаболізм) і фотодихання.

С₃-шлях фотосинтезу, або цикл М.Кальвіна властивий всім рослинам. Він був розшифрований американським біохіміком М. Кальвіном і його співробітниками протягом 1946-1956 років. При цьому було поставлене завдання визначити первинний продукт фотосинтезу і яка сполука служить акцептором вуглекислого газу.

Для вирішення першого  питання були використані одноклітинні зелені водорості (хлорела і інші) та мічений вуглекислий газ (¹⁴СО₂). Фотосинтезуючі водорості клали в середовище, в якому був мічений вуглекислий газ, на різні відрізки часу. Потім клітини швидко фіксували, виділяли з них спирторозчинні речовини і в них визначали мічений вуглець. Сполуки розділяли хроматографічним методом.

Виявляється, що після експозиції протягом однієї хвилини мічений  вуглець включався в С₃ -С₇-цукри і фосфорильовані цукри, в органічні кислоти (яблучну, щавлевооцтову), в амінокислоти (аланін, аспаргінову кислоту ).

Якщо ж час експозиції скорочували до 0,1-2 с,то більша частина  міченого вуглецю визначалась в  карбоксильній групі фосфогліцеринової  кислоти                                            (Р-О-СН₂-СНОН=С¹⁴ООН). Звідси прийшли до висновку, що 3-фосфогліцеринова кислота (ФГК) є первинним продуктом фотосинтезу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                       Рис 5. Цикл Кальвіна

 

Друге питання, яка природа  первинного акцептора вуглекислого газу. Спочатку вважали, що ним є  будь-яка двовуглецева сполука.

Потім схему досліду видозмінили. Водорості експонували на світлі при високій (1%) концентрації вуглекислого газу, після чого різко знижували  його концентрацію до 0,003 %. В умовах дефіциту вуглекислого газу швидко накопичується  та сполука, яка служить акцептором вуглекислого газу.

При відсутності карбоксилювання  в клітинах зростає концентрація рибульозо - 1,5 -дифосфату. Звідси виникло уявлення про те, що первинна фіксація вуглекислого газу проходить за схемою: С₅+СО₂—>С₆—>2С₃

     Всі наступні реакції С³ - шляху фотосинтезу одержали назву циклу М. Кальвіна, який складається з трьох етапів: карбоксилювання, відновлення і регенерація. [3]

 

 

 І Фаза карбоксилювання. Молекули рибулозо - 5 - фосфату фосфорилюється з участю АТР і фосфорибулозокінази, в результаті чого утворюються молекули рибулозо - 1,5 -дифосфату. До нього приєднується вуглекислий газ з участю рибулозодифосфаткарбоксилази. Одержаний продукт розщеплюється на дві триози: 2 молекули 3-фосфогліцеринової кислоти (3-ФГК).

II. Фаза  відновлення. 3-ФГК відновлюється до 3-фосфогліцеринового альдегіду (3-ФГА) в два етапи. Спочатку проходить фосфорилювання 3-ФГК з участю АТР і фосфогліцераткінази до 1,3 - дифосфогліцеринової кислоти, а потім відновлення 1,3 -ФГК з участю КАДРИ і дегідрогенази фосфогліцеринового альдегіду.

III. Фаза  регенерації первинного акцептора вуглекислого газу і синтезу кінцевого продукту фотосинтезу. При фіксації трьох молекул вуглекислого газу і утворенні шести молекул відновлених п'ять з них згодом використовується для регенерації рибулозо-5-фосфату, а одна йде на синтез глюкози. 3-ФГА під дією триозефосфатізомерази ізомерується в фосфодиоксиацетон. З участю альдолази 3-ФРА і фосфодиоксиоцетон конденсується і утворюється фруктозо -1,6-дифосфат, в якого відщеплюється один фосфат з участю фруктозо- 1,6 -дифосфатази. В подальших реакціях відновлення рибульозо-1,5-дифосфату беруть участь транскетолаза і альдолаза. Транскетолаза каталізує перенесення гліколевого альдегіду від фруктозо-6- фосфату до 3-ФГААльдолаза потім здійснює перенесення трьохвуглецевого залишку фосфодиоксіацетону на альдозу (еритрозо - 4- фосфат) в результаті чого синтезується седогептулозо- 1,7 -дифосфат, який дефесфорилюється і під дією транскетолази із нього 13 - ФГА утворюється ксилулозо - 5 - фосфат і рибозо - 5 фосфат. Дві молекули ксилулозо- 5 - фосфату з участю рибулозофосфатепімерази і одна молекула рибозо - 5 - фосфату з участю рибозофосфатізомерази перетворюється в три молекули рибулозо- 5 - фосфату, з якого починається новий цикл фіксації вуглекислого газу.

Із невикористаної 6-тої  молекули 3 -ФГА під дією альдолази  синтезується ( при повторенні циклу) молекула фруктозо-  1,6- дифосфату, із якої можуть утворюватись глюкоза, сахароза або крохмаль. Отже, для синтезу  одної молекули глюкози в цикл М. Кальвіна необхідні 12 КАДРИ і 18 АТР, які поповнюються в результаті фотохімічних реакцій фонтосинтезу. [10]

        3.2 С4 —шлях фотосинтезу за працями М.Хетче і К.Слена.

 

В роботах Л.А. Незговорової (1956-1957) було втановлено, що при коротких експозиціях листків кукурудзи  на світлі мічений вуглець із вуглекислого газу визначається в аспарагіновій  кислоті. Це привело до відкриття  С4 - шляху вуглецю в фотосинтезі. в 1960 р. Ю.С. Карпілов, а в 1963 р. І.А. Тарчевський  і Ю.С. Карпілов представили дані про швидкісне утворення яблучної кислоти в листках кукурудзи. Г.П. Корчак вперше показав, що дикарбонові  кислоти (яблучна і аспарагінова) є первинними продуктами фіксації вуглекислого газу у цукрової тростини. Потім  ці сполуки через 3 - ФГК і гексозофосфати перетворюються в цукри. Цей цикл вперше описали австралійські вчені  М. Д. Кетч і К. Р. Слек в 1966 р. До рослин з С4 - шляхом фотосинтезу відносяться  цукрова тростина, кукурудза, сорго. Листки цих рослин мають два типи хлоропластів: хлоропласти звичайного виду - в клітинах мезофілу і велику кількість великих хлоропластів, які не мають гран і знаходяться в клітинах, що облягають провідні пучки.

Вуглекислий газ, дифундуючи в листок через продихи, потрапляє  в цитоплазму клітин мезофілу, де з  участю ФЕП - карбоксилази вступає в  реакцію з ФЕП кислотою. Утворюється  щавлевооцтова кислота (оксалоацетат). В хлоропластах оксалоацетат відновлюється  до яблучної кислоти (малат) за рахунок  енергії КАДРН.

Щавлевооцтова кислота в  присутності Н₄ + може перетворюватись також в аспартат. Потім малат (або аспартат) транспортується в хлоропласти клітин, що облягають судинні пучки, де вони декарбоксилюються малик - ензімам (малатдегідрогеназою) до пірувату і вуглекислого газу.

В хлоропластах обкладок відсутні грани, а значить, слабо представлена ФСП, яка необхідна при нециклічному транспорті електронів. проте в них  накопичується крохмаль. Пояснюється  це тим, що в хлоропластах обкладок використовується КАДРН, який постачається малик - ензімом, а також той вуглекислий  газ, який утворюється при окислювальному декарбоксилюванні малата або аспартата. В цих хлоропластах в процесі  циклічного фотофосфорилювання синтезується велика кількість АТР і фіксація вуглекислого газу здійснюється за циклом М. Кальвіна.

У деяких рослин з С4 - шляхом фотосинтезу (амарант, лобода), яблучна  кислота декарбоксилюється в  мітохондріях клітин обкладок з відновленням КАД.

Піруват, який виникає при  розщепленні малата в хлоропластах клітин обкладок пересувається назад  в хлоропласти клітин мезофілу, де може знову перетворюватись в  первинний акцептор вуглекислого газу - ФЕП кислоту.

Така компартментація  процесів дозволяє рослинам з С4 - шляхом здійснювати фотосинтез навіть при  закритих продихах, бо в цьому випадку  хлоропласти клітин обкладок використовують малат (аспартат) як донори вуглекислого газу. С4 - рослини можуть також використовувати  вуглекислий газ, який виникає в  процесі фотодихання.

      Закривання продихів в період високої температури доби зменшує витрати води під час випробування (транспірації). Тому до С4 - рослин відноситься багато тропічних видів рослин. Ці рослини стійкі до засолення грунтів. Ефективність використання води, тобто відношення маси асимільованого вуглекислого газу до маси води, яка витрачається при транспірації, у С4 - рослин вдвоє вища ніж в С3 - рослин. Таким чином, С4 - рослини мають високу інтенсивність фотосинтезу навіть при закритих продихах. фіксація вуглекислого газу з участю ФЕП кислоти і з утворенням малату (аспартату) служить як би помпою для поставки вуглекислого газу до хлоропластів клітин обкладок, які функціонують за С3 - шляхом фотосинтезу. [11]

3.3 САМ фотосинтез

При CAM (Crassulaceae acid metabolism) фотосинтезі  відбувається розділення асиміляції CO2 і циклу Кальвіна не в просторі, як у С4, а в часі. Вночі у  вакуолях клітин по аналогічному описаному  вище механізму при відкритих  продихах накопичується малат, вдень  при закритих продихах йде цикл Кальвіна. Цей механізм дозволяє максимально  економити воду, проте поступається в ефективності і С4, і С3. Він  виправданий при стрестолерантній життєвій стратегії.

Рослини, що здійснюють метаболізм органічних кислот по типу товстянкових, є сукулентами. Багато хто з них належать до родини дводольних, але є серед них і представники сімейств однодольних Агавних, Лілійних, Орхідних, родин дводольних Кактусових, Портулакові і навіть представник родини папоротеподібних. У сучасних нижчих рослин метаболізм по типу товстянкових зустрічається рідко. Отже, можна думати, що в процесі еволюції даний тип метаболізму розвинувся пізно Для МОКТ-рослин характерні наступні риси:

 1) їх пори звичайно відкриті вночі (тобто в темряві) і закриті протягом дня. Ці рухи пор протилежні тим, що спостерігаються в інших рослин

2) Фіксація СО₂ відбувається в темний час доби в утримуючого хлоропласта клітинах фотосинтезуючої тканини листка або стебла, причому синтезуються значні кількості вільної яблучної кислоти.