А. Н. ТИХОНОВ

Преобразование энергии в хлоропластах

Введение

История изучения фотосинтеза ведет свое начало от августа 1771 г., когда английский теолог, философ и натуралист-любитель Джозеф Пристли (1733–1804) обнаружил, что растения могут «исправлять» свойства воздуха, меняющего свой состав в результате горения или жизнедеятельности животных. Пристли показал, что в присутствии растений «испорченный» воздух снова становится пригодным для горения и поддержания жизни животных.

В ходе дальнейших исследований Ингенгауза, Сенебье, Соссюра, Буссенго и других ученых было установлено, что растения при освещении выделяют кислород и поглощают из воздуха углекислый газ. Из углекислого газа и воды растения синтезируют органические вещества. Этот процесс был назван фотосинтезом.

Роберт Майер, открывший закон сохранения энергии, в 1845 г. высказал предположение, что растения превращают энергию солнечного света в энергию химических соединений, образующихся при фотосинтезе. По его словам, «распространяющиеся в пространстве солнечные лучи «захватываются» и сохраняются для использования в дальнейшем по мере надобности». Впоследствии русским ученым К.А. Тимирязевым было убедительно доказано, что важнейшую роль в использовании растениями энергии солнечного света играют молекулы хлорофилла, присутствующие в зеленых листьях.

Образующиеся при фотосинтезе углеводы (сахара) используются как источник энергии и строительный материал для синтеза различных органических соединений у растений и животных. У высших растений процессы фотосинтеза протекают в хлоропластах – специализированных энергопреобразующих органеллах растительной клетки.

Схематическое изображение хлоропласта показано на рис. 1.

Под двойной оболочкой хлоропласта, состоящей из наружной и внутренней мембран, находятся протяженные мембранные структуры, которые образуют замкнутые пузырьки, называемые тилакоидами. Мембраны тилакоидов состоят из двух слоев молекул липидов, в которые включены макромолекулярные фотосинтетические белковые комплексы. В хлоропластах высших растений тилакоиды группируются в граны, которые представляют собой стопки сплюснутых и тесно прижатых друг к другу тилакоидов, имеющих форму дисков. Продолжением отдельных тилакоидов гран являются выступающие из них межгранные тилакоиды. Пространство между оболочкой хлоропласта и тилакоидами называется стромой. В строме содержатся хлоропластные молекулы РНК, ДНК, рибосомы, крахмальные зерна, а также многочисленные ферменты, включая те, которые обеспечивают усвоение CO2 растениями.

Световые и темновые стадии фотосинтеза

Согласно современным представлениям, фотосинтез представляет собой ряд фотофизических и биохимических процессов, в результате которых растения за счет энергии солнечного света синтезируют углеводы (сахара). Многочисленные стадии фотосинтеза принято разделять на две большие группы процессов – световую и темновую фазы.

Световыми стадиями фотосинтеза принято называть совокупность процессов, в результате которых за счет энергии света синтезируются молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) и происходит образование восстановленного никотинамидадениндинуклеотид фосфата (НАДФ•Н) – соединения, обладающего высоким восстановительным потенциалом. Молекулы АТФ выполняют роль универсального источника энергии в клетке. Энергия макроэргических (т.е. богатых энергией) фосфатных связей молекулы АТФ, как известно, используется в большинстве биохимических процессов, потребляющих энергию.

Световые процессы фотосинтеза протекают в тилакоидах, мембраны которых содержат основные компоненты фотосинтетического аппарата растений – светособирающие пигмент-белковые и электронтранспортные комплексы, а также АТФ-синтазный комплекс, который катализирует образование АТФ из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (Ф_i) (АДФ + Ф_i → АТФ + H₂O). Таким образом, в результате световых стадий фотосинтеза энергия света, поглощаемого растениями, запасается в форме макроэргических химических связей молекул АТФ и сильного восстановителя НАДФ•Н, которые используются для синтеза углеводов в так называемых темновых стадиях фотосинтеза.

Темновыми стадиями фотосинтеза обычно называют совокупность биохимических реакций, в результате которых происходит усвоение растениями атмосферной углекислоты (CO₂) и образование углеводов. Цикл темновых биохимических превращений, приводящих к синтезу органических соединений из CO₂ и воды, по имени авторов, внесших решающий вклад в исследование этих процессов, называется циклом Кальвина–Бенсона. В отличие от электронтранспортных и АТФ-синтазного комплексов, которые находятся в тилакоидной мембране, ферменты, катализирующие «темновые» реакции фотосинтеза, растворены в строме. При разрушении оболочки хлоропласта эти ферменты вымываются из стромы, в результате чего хлоропласты теряют способность усваивать углекислый газ.

В результате превращений ряда органических соединений в цикле Кальвина–Бенсона из трех молекул CO₂ и воды в хлоропластах образуется молекула глицеральдегид-3-фосфата, имеющего химическую формулу CHO–CHOH–CH₂O–PO₃^2-. При этом в расчете на одну молекулу CO₂, включающуюся в глицеральдегид-3-фосфат, расходуются три молекулы АТФ и две молекулы НАДФ•Н.

Для синтеза органических соединений в цикле Кальвина–Бенсона используется энергия, выделяющаяся в ходе реакции гидролиза макроэргических фосфатных связей молекул АТФ (реакция АТФ + H₂O → АДФ + Ф_i), и сильный восстановительный потенциал молекул НАДФ•Н. Основная часть образовавшихся в хлоропласте молекул глицеральдегид-3-фосфата поступает в цитозоль растительной клетки, где превращается во фруктозо-6-фосфат и глюкозо-6-фосфат, которые в ходе дальнейших превращений образуют сахарофосфат – предшественник сахарозы. Из оставшихся в хлоропласте молекул глицеральдегид-3-фосфата синтезируется крахмал.

Преобразование энергии в фотосинтетических реакционных центрах

Фотосинтетические энергопреобразующие комплексы растений, водорослей и фотосинтезирующих бактерий хорошо изучены. Установлены химический состав и пространственное строение энергопреобразующих белковых комплексов, выяснена последовательность процессов трансформации энергии. Несмотря на различия в составе и молекулярном строении фотосинтетического аппарата, существуют общие закономерности процессов преобразования энергии в фотореакционных центрах всех фотосинтезирующих организмов. В фотосинтетических системах как растительного, так и бактериального происхождения единым структурно-функциональным звеном фотосинтетического аппарата является фотосистема, которая включает в себя светособирающую антенну, фотохимический реакционный центр и связанные с ним молекулы – переносчики электрона.

Рассмотрим сначала общие принципы превращения энергии солнечного света, характерные для всех фотосинтетических систем, а затем более детально остановимся на примере функционирования фотореакционных центров и цепи электронного транспорта хлоропластов у высших растений.

Светособирающая антенна (поглощение света, миграция энергии к реакционному центру)

Самым первым элементарным актом фотосинтеза является поглощение света молекулами хлорофилла или вспомогательных пигментов, входящих в состав специального пигмент-белкового комплекса, называемого светособирающей антенной. Светособирающая антенна представляет собой макромолекулярный комплекс, предназначенный для эффективного улавливания света. В хлоропластах антенный комплекс содержит большое число (до нескольких сотен) молекул хлорофилла и некоторое количество вспомогательных пигментов (каротиноидов), прочно связанных с белком.

На ярком солнечном свету отдельная молекула хлорофилла поглощает кванты света сравнительно редко, в среднем не чаще чем 10 раз в секунду. Однако поскольку на один фотореакционный центр приходится большое количество молекул хлорофилла (200–400), то даже при относительно слабой интенсивности света, падающего на лист в условиях затенения растения, происходит достаточно частое срабатывание реакционного центра. Ансамбль пигментов, поглощающих свет, по сути дела, выполняет роль антенны, которая за счет своих достаточно больших размеров эффективно улавливает солнечный свет и направляет его энергию к реакционному центру. Тенелюбивые растения имеют, как правило, больший размер светособирающей антенны по сравнению с растениями, произрастающими в условиях высокой освещенности.

У растений основными светособирающими пигментами служат молекулы хлорофилла a и хлорофилла b, поглощающие видимый свет с длиной волны λ ≤ 700–730 нм. Изолированные молекулы хлорофилла поглощают свет лишь в двух сравнительно узких полосах солнечного спектра: при длинах волн 660–680 нм (красный свет) и 430–450 нм (сине-фиолетовый свет), что, разумеется, ограничивает эффективность использования всего спектра солнечного света, падающего на зеленый лист.

Однако спектральный состав света, поглощаемого светособирающей антенной, в действительности значительно шире. Объясняется это тем, что спектр поглощения агрегированных форм хлорофилла, входящих в состав светособирающей антенны, сдвигается в сторону больших длин волн. Наряду с хлорофиллом в светособирающую антенну входят вспомогательные пигменты, которые увеличивают эффективность ее работы за счет того, что они поглощают свет в тех областях спектра, в которых сравнительно слабо поглощают свет молекулы хлорофилла – основного пигмента светособирающей антенны.

У растений вспомогательными пигментами являются каротиноиды, поглощающие свет в области длин волн λ ≈ 450–480 нм; в клетках фотосинтезирующих водорослей это красные и синие пигменты: фикоэритрины у красных водорослей (λ ≈ 495–565 нм) и фикоцианины у синезеленых водорослей (λ ≈ 550–615 нм).

Поглощение кванта света молекулой хлорофилла (Сhl) или вспомогательного пигмента приводит к ее возбуждению (электрон переходит на более высокий энергетический уровень):

Chl + hν → Chl*.

Энергия возбужденной молекулы хлорофилла Chl* передается молекулам соседних пигментов, которые, в свою очередь, могут передать ее другим молекулам светособирающей антенны:

Chl* + Chl → Chl + Chl*.

Энергия возбуждения может, таким образом, мигрировать по пигментной матрице до тех пор, пока возбуждение в конечном итоге не попадет на фотореакционный центр P (схематическое изображение этого процесса показано на рис. 2):

Chl* + P → Chl + P*.

Заметим, что продолжительность существования молекул хлорофилла и других пигментов в возбужденном состоянии очень мала, τ ≈ 10^–10–10^–9 с. Поэтому существует определенная вероятность того, что на пути к реакционному центру P энергия таких короткоживущих возбужденных состояний пигментов может бесполезно потеряться – рассеяться в тепло или выделиться в виде кванта света (явление флуоресценции). В действительности, однако, эффективность миграции энергии к фотосинтетическому реакционному центру очень велика. В том случае когда реакционный центр находится в активном состоянии, вероятность потери энергии составляет, как правило, не более 10–15%. Такая высокая эффективность использования энергии солнечного света обусловлена тем, что светособирающая антенна представляет собой высокоупорядоченную структуру, обеспечивающую очень хорошее взаимодействие пигментов друг с другом. Благодаря этому достигается высокая скорость переноса энергии возбуждения от молекул, поглощающих свет, к фотореакционному центру. Среднее время «перескока» энергии возбуждения от одного пигмента к другому, как правило, составляет τ ≈ 10^–12–10^–11 с. Общее время миграции возбуждения к реакционному центру обычно не превышает 10^–10–10^–9 с.

Фотохимический реакционный центр (перенос электрона, стабилизация разделенных зарядов)

Современным представлениям о строении реакционного центра и механизмах первичных стадий фотосинтеза предшествовали работы А.А. Красновского, открывшего, что в присутствии доноров и акцепторов электрона возбужденные светом молекулы хлорофилла способны обратимо восстанавливаться (принимать электрон) и окисляться (отдавать электрон). Впоследствии Коком, Виттом и Дюйзенсом у растений, водорослей и фотосинтезирующих бактерий были обнаружены особые пигменты хлорофилловой природы, названные реакционными центрами, которые окисляются при действии света и являются, по сути дела, первичными донорами электрона при фотосинтезе.

Фотохимический реакционный центр P представляет собой особую пару (димер) молекул хлорофилла, которые выполняют роль ловушки энергии возбуждения, блуждающего по пигментной матрице светособирающей антенны (рис. 2). Подобно тому как жидкость стекает со стенок широкой воронки к ее узкому горлышку, к реакционному центру направляется энергия света, поглощаемого всеми пигментами светособирающей антенны. Возбуждение реакционного центра инициирует цепь дальнейших превращений энергии света при фотосинтезе.

Последовательность процессов, происходящих после возбуждения реакционного центра P, и диаграмма соответствующих изменений энергии фотосистемы схематически изображены на рис. 3.

Наряду с димером хлорофилла Р в фотосинтетический комплекс входят молекулы первичного и вторичного акцепторов электрона, которые мы условно обозначим символами A и B, а также первичный донор электрона – молекула D. Возбужденный реакционный центр P* обладает низким сродством к электрону и поэтому он с легкостью отдает его находящемуся рядом с ним первичному акцептору электрона A:

D(P*A)B → D(P⁺A^–)B.

Таким образом, в результате очень быстрого (т ≈10^–12 с) переноса электрона от P* к A реализуется второй принципиально важный этап преобразования солнечной энергии при фотосинтезе – разделение зарядов в реакционном центре. При этом образуются сильный восстановитель А^– (донор электрона) и сильный окислитель P⁺ (акцептор электрона).

Молекулы P⁺ и А^– расположены в мембране асимметрично: в хлоропластах реакционный центр P⁺ находится ближе к поверхности мембраны, обращенной внутрь тилакоида, а акцептор А^– расположен ближе к внешней стороне. Поэтому в результате фотоиндуцированного разделения зарядов на мембране возникает разность электрических потенциалов . Индуцированное светом разделение зарядов в реакционном центре подобно генерации разности электрических потенциалов в обычном фотоэлементе. Следует, однако, подчеркнуть, что, в отличие от всех известных и широко используемых в технике фотопреобразователей энергии, эффективность работы фотосинтетических реакционных центров очень высока. КПД разделения зарядов в активных фотосинтетических реакционных центрах, как правило, превышает 90–95% (у лучших образцов фотоэлементов КПД  не более 30%).

За счет каких механизмов обеспечивается столь высокая эффективность преобразования энергии в реакционных центрах? Почему электрон, перенесенный на акцептор A, не возвращается обратно к положительно заряженному окисленному центру P⁺? Стабилизация разделенных зарядов обеспечивается главным образом за счет вторичных процессов электронного транспорта, следующих за переносом электрона от P* к A. От восстановленного первичного акцептора А^– электрон очень быстро (за 10^–10–10^–9 с) уходит на вторичный акцептор электрона B:

D(P⁺A^–)B