Clorofilla eccitata. Processo di fotosintesi. Accoppiamento dei processi di trasporto degli elettroni con trasferimento di protoni e sintesi di ATP nei cloroplasti

La storia dello studio della fotosintesi risale all’agosto del 1771, quando il teologo, filosofo e naturalista dilettante inglese Joseph Priestley (1733–1804) scoprì che le piante possono “correggere” le proprietà dell’aria che cambia la sua composizione a seguito della combustione o attività animale. Priestley dimostrò che in presenza di piante l'aria “viziata” diventa nuovamente adatta alla combustione e al sostentamento della vita degli animali.

Nel corso di ulteriori ricerche di Ingenhaus, Senebier, Saussure, Boussingault e altri scienziati, si è scoperto che le piante, quando illuminate, rilasciano ossigeno e assorbono anidride carbonica dall'aria. Le piante sintetizzano le sostanze organiche dall'anidride carbonica e dall'acqua. Questo processo è stato chiamato fotosintesi.

Robert Mayer, che scoprì la legge di conservazione dell'energia, suggerì nel 1845 che le piante convertono l'energia della luce solare nell'energia dei composti chimici formati durante la fotosintesi. Secondo lui, “i raggi del sole che si propagano nello spazio vengono “catturati” e immagazzinati per un uso successivo, se necessario”. Successivamente, lo scienziato russo K.A. Timiryazev ha dimostrato in modo convincente che il ruolo più importante nell'uso dell'energia solare da parte delle piante è svolto dalle molecole di clorofilla presenti nelle foglie verdi.

I carboidrati (zuccheri) formati durante la fotosintesi sono utilizzati come fonte di energia e materiale da costruzione per la sintesi di vari composti organici nelle piante e negli animali. Nelle piante superiori, i processi di fotosintesi avvengono nei cloroplasti, organelli specializzati nella conversione dell'energia della cellula vegetale.

Una rappresentazione schematica di un cloroplasto è mostrata in Fig. 1.

Sotto il doppio guscio del cloroplasto, costituito da membrane esterne ed interne, si trovano estese strutture di membrana che formano vescicole chiuse chiamate tilacoidi. Le membrane tilacoidi sono costituite da due strati di molecole lipidiche, che includono complessi proteici fotosintetici macromolecolari. Nei cloroplasti delle piante superiori, i tilacoidi sono raggruppati in grana, che sono pile di tilacoidi a forma di disco appiattiti e strettamente pressati insieme. Una continuazione dei singoli tilacoidi della grana sono i tilacoidi intergranulari che sporgono da essi. Lo spazio tra la membrana dei cloroplasti e i tilacoidi è chiamato stroma. Lo stroma contiene molecole di cloroplasti RNA, DNA, ribosomi, granuli di amido, oltre a numerosi enzimi, compresi quelli che assicurano l'assorbimento di CO2 da parte delle piante.

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Fasi chiare e scure della fotosintesi

Secondo i concetti moderni, la fotosintesi è una serie di processi fotofisici e biochimici, a seguito dei quali le piante sintetizzano i carboidrati (zuccheri) utilizzando l'energia della luce solare. Le numerose fasi della fotosintesi sono solitamente divise in due grandi gruppi di processi: fasi chiare e fasi scure.

Gli stadi luminosi della fotosintesi sono solitamente definiti un insieme di processi in seguito ai quali, grazie all'energia luminosa, vengono sintetizzate molecole di adenosina trifosfato (ATP) e si forma la nicotinammide adenina dinucleotide fosfato ridotta (NADP H), un composto ad alto contenuto si verifica il potenziale di riduzione. Le molecole di ATP agiscono come una fonte universale di energia nella cellula. È noto che l’energia dei legami fosfatici macroergici (cioè ricchi di energia) della molecola di ATP viene utilizzata nella maggior parte dei processi biochimici che consumano energia.

Processi leggeri di fotosintesi si verificano nei tilacoidi, le cui membrane contengono i componenti principali dell'apparato fotosintetico delle piante: complessi di pigmenti-proteine ​​​​e di trasporto degli elettroni che raccolgono la luce, nonché il complesso ATP sintasi, che catalizza la formazione di ATP dall'adenosina difosfato (ADP) e fosfato inorganico (P i) (ADP + Ф i → ATP + H 2 O). Pertanto, come risultato degli stadi luminosi della fotosintesi, l'energia della luce assorbita dalle piante viene immagazzinata sotto forma di legami chimici ad alta energia delle molecole di ATP e del forte agente riducente NADP H, che vengono utilizzati per la sintesi dei carboidrati in le cosiddette fasi oscure della fotosintesi.

Le fasi oscure della fotosintesi sono solitamente chiamate un insieme di reazioni biochimiche, a seguito delle quali l'anidride carbonica atmosferica (CO 2) viene assorbita dalle piante e si formano carboidrati. Il ciclo di trasformazioni biochimiche oscure che portano alla sintesi di composti organici da CO 2 e acqua è chiamato ciclo di Calvin-Benson, dal nome degli autori che hanno dato un contributo decisivo allo studio di questi processi. A differenza dei complessi di trasporto degli elettroni e dell'ATP sintasi, che si trovano nella membrana tilacoide, gli enzimi che catalizzano le reazioni “oscure” della fotosintesi sono disciolti nello stroma. Quando la membrana dei cloroplasti viene distrutta, questi enzimi vengono lavati fuori dallo stroma, a seguito dei quali i cloroplasti perdono la capacità di assorbire l'anidride carbonica.

Come risultato delle trasformazioni di un numero di composti organici nel ciclo di Calvin-Benson, nei cloroplasti si forma una molecola di gliceraldeide-3-fosfato da tre molecole di CO 2 e acqua, avente la formula chimica CHO-CHOH-CH 2 O–PO 3 2-. In questo caso, per una molecola di CO 2 inclusa nella gliceraldeide-3-fosfato, vengono consumate tre molecole di ATP e due molecole di NADP H.

Per la sintesi di composti organici nel ciclo di Calvin-Benson, l'energia rilasciata durante la reazione di idrolisi dei legami fosfatici ad alta energia delle molecole di ATP (reazione ATP + H 2 O → ADP + Ph i) e il forte potenziale di riduzione di NADP H vengono utilizzate le molecole. La parte principale delle molecole formate nel cloroplasto La gliceraldeide-3-fosfato entra nel citosol della cellula vegetale, dove viene convertita in fruttosio-6-fosfato e glucosio-6-fosfato, che durante ulteriori trasformazioni formano zucchero fosfato, il precursore del saccarosio. L'amido viene sintetizzato dalle molecole di gliceraldeide-3-fosfato rimaste nel cloroplasto.

Conversione dell'energia nei centri di reazione fotosintetica

I complessi fotosintetici di conversione dell'energia di piante, alghe e batteri fotosintetici sono stati ben studiati. Sono state stabilite la composizione chimica e la struttura spaziale dei complessi proteici che trasformano l'energia ed è stata chiarita la sequenza dei processi di trasformazione dell'energia. Nonostante le differenze nella composizione e nella struttura molecolare dell'apparato fotosintetico, esistono modelli generali di processi di conversione dell'energia nei centri di fotoreazione di tutti gli organismi fotosintetici. Nei sistemi fotosintetici sia di origine vegetale che batterica l'unica unità strutturale e funzionale dell'apparato fotosintetico è fotosistema, che comprende un'antenna per la raccolta della luce, un centro di reazione fotochimica e le molecole associate: trasportatori di elettroni.

Consideriamo innanzitutto i principi generali della trasformazione dell'energia solare, caratteristici di tutti i sistemi fotosintetici, e poi ci soffermeremo più in dettaglio sull'esempio del funzionamento dei centri di fotoreazione e della catena di trasporto degli elettroni dei cloroplasti nelle piante superiori.

Antenna per la raccolta della luce (assorbimento della luce, migrazione dell'energia al centro di reazione)

Il primo atto elementare della fotosintesi è l'assorbimento della luce da parte delle molecole di clorofilla o pigmenti ausiliari che fanno parte di uno speciale complesso pigmento-proteina chiamato antenna che raccoglie la luce. Un'antenna per la raccolta della luce è un complesso macromolecolare progettato per catturare la luce in modo efficiente. Nei cloroplasti, il complesso dell'antenna contiene un gran numero (fino a diverse centinaia) di molecole di clorofilla e una certa quantità di pigmenti ausiliari (carotenoidi) strettamente legati alle proteine.

In piena luce solare, una singola molecola di clorofilla assorbe i quanti di luce relativamente raramente, in media non più di 10 volte al secondo. Tuttavia, poiché vi è un gran numero di molecole di clorofilla per centro di fotoreazione (200-400), anche con un'intensità relativamente debole di luce incidente sulla foglia in condizioni di ombra delle piante, il centro di reazione viene attivato abbastanza frequentemente. L'insieme dei pigmenti che assorbono la luce agisce essenzialmente come un'antenna che, grazie alle sue dimensioni abbastanza grandi, cattura efficacemente la luce solare e dirige la sua energia verso il centro di reazione. Le piante che amano l'ombra, di regola, hanno un'antenna per la raccolta della luce più grande rispetto alle piante che crescono in condizioni di luce elevata.

Nelle piante, i principali pigmenti che raccolgono la luce sono le molecole di clorofilla. UN e clorofilla B, assorbendo la luce visibile con lunghezza d'onda λ ≤ 700–730 nm. Le molecole isolate di clorofilla assorbono la luce solo in due bande relativamente strette dello spettro solare: a lunghezze d'onda di 660–680 nm (luce rossa) e 430–450 nm (luce blu-viola), il che, ovviamente, limita l'efficienza dell'uso della luce l’intero spettro della luce solare incidente su una foglia verde.

Tuttavia, la composizione spettrale della luce assorbita dall’antenna di raccolta della luce è in realtà molto più ampia. Ciò è spiegato dal fatto che lo spettro di assorbimento delle forme aggregate di clorofilla che fanno parte dell’antenna che raccoglie la luce si sposta verso lunghezze d’onda più lunghe. Insieme alla clorofilla, l'antenna per la raccolta della luce comprende pigmenti ausiliari, che aumentano l'efficienza del suo funzionamento poiché assorbono la luce in quelle regioni dello spettro in cui le molecole di clorofilla, il pigmento principale dell'antenna per la raccolta della luce, assorbono luce relativamente debolmente.

Nelle piante, i pigmenti ausiliari sono carotenoidi che assorbono la luce nella regione della lunghezza d'onda λ ≈ 450–480 nm; nelle cellule delle alghe fotosintetiche si tratta di pigmenti rossi e blu: ficoeritrine nelle alghe rosse (λ ≈ 495–565 nm) e ficocianine nelle alghe blu-verdi (λ ≈ 550–615 nm).

L'assorbimento di un quanto di luce da parte di una molecola di clorofilla (Chl) o di un pigmento ausiliario porta alla sua eccitazione (l'elettrone si sposta ad un livello energetico più alto):

Chl + hν → Chl*.

L'energia della molecola di clorofilla eccitata Chl* viene trasferita alle molecole dei pigmenti vicini, che, a loro volta, possono trasferirla ad altre molecole dell'antenna che raccoglie la luce:

Chl* + Chl → Chl + Chl*.

L'energia di eccitazione può quindi migrare attraverso la matrice pigmentata fino a raggiungere infine il centro di fotoreazione P (una rappresentazione schematica di questo processo è mostrata in Fig. 2):

Chl* + P → Chl + P*.

Si noti che la durata di esistenza delle molecole di clorofilla e di altri pigmenti in uno stato eccitato è molto breve, τ ≈ 10 –10 –10 –9 s. Pertanto, esiste una certa probabilità che nel percorso verso il centro di reazione P, l'energia di tali stati eccitati di pigmenti di breve durata possa essere persa inutilmente - dissipata in calore o rilasciata sotto forma di un quanto di luce (fenomeno di fluorescenza). In realtà, tuttavia, l'efficienza della migrazione dell'energia verso il centro di reazione fotosintetica è molto elevata. Nel caso in cui il centro di reazione sia in uno stato attivo, la probabilità di perdita di energia, di norma, non è superiore al 10-15%. Questa elevata efficienza nell'utilizzo dell'energia solare è dovuta al fatto che l'antenna che raccoglie la luce è una struttura altamente ordinata che garantisce un'ottima interazione dei pigmenti tra loro. Grazie a ciò, si ottiene un'elevata velocità di trasferimento dell'energia di eccitazione dalle molecole che assorbono la luce al centro di fotoreazione. Il tempo medio per un “salto” di energia di eccitazione da un pigmento all’altro, di regola, è τ ≈ 10 –12 –10 –11 s. Il tempo totale di migrazione dell'eccitazione al centro di reazione di solito non supera i 10–10–10–9 s.

Centro di reazione fotochimica (trasferimento di elettroni, stabilizzazione delle cariche separate)

Le idee moderne sulla struttura del centro di reazione e sui meccanismi delle fasi primarie della fotosintesi furono precedute dai lavori di A.A. Krasnovsky, che scoprì che in presenza di donatori e accettori di elettroni, le molecole di clorofilla eccitate dalla luce possono ridursi reversibilmente (accettare un elettrone) e ossidarsi (donare un elettrone). Successivamente Cock, Witt e Duyzens scoprirono nelle piante, nelle alghe e nei batteri fotosintetici speciali pigmenti di natura clorofilliana, chiamati centri di reazione, che si ossidano sotto l'azione della luce e sono, di fatto, i principali donatori di elettroni durante la fotosintesi.

Il centro di reazione fotochimica P è una coppia speciale (dimero) di molecole di clorofilla che agiscono come una trappola per l'energia di eccitazione che vaga attraverso la matrice pigmentata dell'antenna che raccoglie la luce (Fig. 2). Proprio come il liquido scorre dalle pareti di un ampio imbuto al suo collo stretto, l'energia della luce assorbita da tutti i pigmenti dell'antenna che raccoglie la luce viene diretta al centro di reazione. L'eccitazione del centro di reazione avvia una catena di ulteriori trasformazioni dell'energia luminosa durante la fotosintesi.

La sequenza dei processi che si verificano dopo l'eccitazione del centro di reazione P e il diagramma delle corrispondenti variazioni nell'energia del fotosistema sono rappresentati schematicamente in Fig. 3.

Insieme al dimero della clorofilla P, il complesso fotosintetico comprende le molecole degli accettori di elettroni primari e secondari, che convenzionalmente chiameremo A e B, nonché il donatore di elettroni primario, la molecola D. Il centro di reazione eccitato P* ha un basso affinità per gli elettroni e quindi dona facilmente al suo vicino accettore primario di elettroni A:

D(P*A)B → D(P + A –)B.

Pertanto, come risultato di un trasferimento di elettroni molto veloce (t ≈10–12 s) da P* ad A, viene realizzato il secondo stadio di fondamentale importanza della conversione dell'energia solare durante la fotosintesi: la separazione della carica nel centro di reazione. In questo caso si formano un forte agente riducente A – (donatore di elettroni) e un forte agente ossidante P + (accettore di elettroni).

Le molecole P + e A – si trovano asimmetricamente nella membrana: nei cloroplasti, il centro di reazione P + si trova più vicino alla superficie della membrana rivolta verso l'interno del tilacoide e l'accettore A – si trova più vicino all'esterno. Pertanto, come risultato della separazione di carica fotoindotta, sulla membrana si forma una differenza di potenziale elettrico. La separazione della carica indotta dalla luce nel centro di reazione è simile alla generazione di una differenza di potenziale elettrico in una fotocellula convenzionale. Va però sottolineato che, a differenza di tutti i fotoconvertitori di energia conosciuti e largamente utilizzati in tecnologia, l'efficienza operativa dei centri di reazione fotosintetica è molto elevata. L'efficienza della separazione della carica nei centri di reazione fotosintetica attiva, di norma, supera il 90-95% (i migliori esempi di celle solari hanno un'efficienza non superiore al 30%).

Quali meccanismi forniscono un’efficienza così elevata di conversione dell’energia nei centri di reazione? Perché l'elettrone trasferito all'accettore A non ritorna al centro ossidato carico positivamente P+? La stabilizzazione delle cariche separate è assicurata principalmente grazie ai processi secondari di trasporto degli elettroni successivi al trasferimento di un elettrone da P* ad A. Dall'accettore primario ripristinato A, un elettrone molto rapidamente (in 10–10–10–9 s) va al accettore di elettroni secondario B:

D(P + A –)B → D(P + A)B – .

In questo caso, non solo l'elettrone si allontana dal centro di reazione carico positivamente P + , ma diminuisce notevolmente anche l'energia dell'intero sistema (figura 3). Ciò significa che per trasferire un elettrone nella direzione opposta (transizione B – → A), sarà necessario superare una barriera energetica piuttosto elevata ΔE ≈ 0,3–0,4 eV, dove ΔE è la differenza di livelli energetici tra i due stati della sistema in cui l'elettrone si trova rispettivamente sul portatore A o B. Per questo motivo, affinché l'elettrone ritorni indietro, dalla molecola ridotta B - alla molecola ossidata A, occorrerebbe molto più tempo che per la transizione diretta A - → B. In altre parole, nella direzione in avanti l'elettrone viene trasferito molto più velocemente che all'indietro. Pertanto, dopo che l'elettrone è stato trasferito all'accettore secondario B, la probabilità del suo ritorno e della ricombinazione con il “buco” P + carico positivamente diminuisce in modo significativo.

Il secondo fattore che contribuisce alla stabilizzazione delle cariche separate è la rapida neutralizzazione del centro di fotoreazione ossidato P+ a causa dell'elettrone fornito a P+ dal donatore di elettroni D:

D(P + A)B – → D + (PA)B – .

Dopo aver ricevuto un elettrone dalla molecola donatrice D ed essere tornato al suo stato ridotto originale P, il centro di reazione non sarà più in grado di accettare un elettrone dagli accettori ridotti, ma ora è pronto a spararsi di nuovo - per cedere un elettrone alla molecola donatrice D. accettore primario ossidato A situato accanto ad esso Questa è la sequenza di eventi che si verificano nei centri di fotoreazione di tutti i sistemi fotosintetici.

Catena di trasporto degli elettroni dei cloroplasti

Nei cloroplasti delle piante superiori sono presenti due fotosistemi: fotosistema 1 (PS1) e fotosistema 2 (PS2), che differiscono nella composizione di proteine, pigmenti e proprietà ottiche. L'antenna per la raccolta della luce FS1 assorbe la luce con una lunghezza d'onda λ ≤ 700–730 nm e FS2 assorbe la luce con una lunghezza d'onda λ ≤ 680–700 nm. L'ossidazione indotta dalla luce dei centri di reazione di PS1 e PS2 è accompagnata dal loro sbiancamento, caratterizzato da cambiamenti nei loro spettri di assorbimento a λ ≈ 700 e 680 nm. In base alle loro caratteristiche ottiche, i centri di reazione di PS1 e PS2 sono stati denominati P 700 e P 680.

I due fotosistemi sono interconnessi tramite una catena di trasportatori di elettroni (Fig. 4). PS2 è una fonte di elettroni per PS1. La separazione di carica avviata dalla luce nei centri di fotoreazione P 700 e P 680 garantisce il trasferimento di un elettrone dall'acqua decomposta in PS2 all'accettore di elettroni finale: la molecola NADP +. La catena di trasporto degli elettroni (ETC), che collega i due fotosistemi, comprende molecole di plastochinone, un complesso proteico di trasporto degli elettroni separato (il cosiddetto complesso b/f) e la proteina idrosolubile plastocianina (P c) come trasportatori di elettroni. Un diagramma che illustra la disposizione relativa dei complessi di trasporto degli elettroni nella membrana tilacoide e il percorso di trasferimento degli elettroni dall'acqua al NADP + è mostrato in Fig. 4.

In PS2, dal centro eccitato P* 680, un elettrone viene trasferito prima all'accettore primario feofetina (Phe), e poi alla molecola di plastochinone Q A, strettamente legata a una delle proteine ​​PS2,

Y(P* 680 Phe)Q A Q B → Y(P + 680 Phe –)Q A Q B →Y(P + 680 Phe)Q A – Q B .

L'elettrone viene quindi trasferito a una seconda molecola di plastochinone QB e P 680 riceve un elettrone dal donatore di elettroni primario Y:

Y(P + 680 Phe)Q A – Q B → Y + (P 680 Phe)Q A Q B – .

La molecola di plastochinone, la cui formula chimica e la sua posizione nella membrana del doppio strato lipidico sono mostrate in Fig. 5, è in grado di accettare due elettroni. Dopo che il centro di reazione PS2 si attiva due volte, la molecola di plastochinone Q B riceverà due elettroni:

Q SI + 2е – → Q SI 2– .

La molecola Q B 2–, carica negativamente, ha un'elevata affinità per gli ioni idrogeno, che cattura dallo spazio stromale. Dopo la protonazione del plastochinone ridotto Q B 2– (Q B 2– + 2H + → QH 2) si forma una forma elettricamente neutra di questa molecola QH 2, chiamata plastochinolo (Fig. 5). Il plastochinolo agisce come trasportatore mobile di due elettroni e due protoni: dopo aver lasciato PS2, la molecola QH 2 può facilmente spostarsi all'interno della membrana tilacoide, garantendo la connessione di PS2 con altri complessi di trasporto degli elettroni.

Il centro di reazione ossidato PS2 R 680 ha un'affinità elettronica eccezionalmente elevata, cioè è un agente ossidante molto forte. Per questo motivo, PS2 decompone l'acqua, un composto chimicamente stabile. Il complesso di scissione dell'acqua (WSC), che fa parte di PS2, contiene nel suo centro attivo un gruppo di ioni manganese (Mn 2+), che fungono da donatori di elettroni per P680. Donando elettroni al centro di reazione ossidato, gli ioni manganese diventano “accumulatori” di cariche positive, che sono direttamente coinvolte nella reazione di ossidazione dell'acqua. Come risultato della quadrupla attivazione sequenziale del centro di reazione P 680, quattro forti equivalenti ossidativi (o quattro “buchi”) si accumulano nel centro attivo contenente Mn del VRC sotto forma di ioni manganese ossidati (Mn 4+), che , interagendo con due molecole d'acqua, catalizzano la reazione di decomposizione dell'acqua:

2Mn 4+ + 2H 2 O → 2Mn 2+ + 4H + + O 2.

Pertanto, dopo il trasferimento sequenziale di quattro elettroni dal VRC al P 680, avviene contemporaneamente la decomposizione sincrona di due molecole d'acqua, accompagnata dal rilascio di una molecola di ossigeno e quattro ioni idrogeno, che entrano nello spazio intratilacoide del cloroplasto.

La molecola di plastochinolo QH 2 formata durante il funzionamento di PS2 diffonde nel doppio strato lipidico della membrana tilacoide nel complesso b/f (Fig. 4 e 5). Quando incontra un complesso b/f, la molecola QH 2 si lega ad esso e poi gli trasferisce due elettroni. In questo caso, per ogni molecola di plastochinolo ossidata dal complesso b/f, all'interno del tilacoide vengono liberati due ioni idrogeno. A sua volta, il complesso b/f funge da donatore di elettroni per la plastocianina (P c), una proteina idrosolubile relativamente piccola il cui centro attivo include uno ione rame (le reazioni di riduzione e ossidazione della plastocianina sono accompagnate da cambiamenti nella valenza dello ione rame). ione rame Cu 2+ + e – ↔ Cu+). La plastocianina funge da collegamento tra il complesso b/f e PS1. La molecola di plastocianina si muove rapidamente all'interno del tilacoide, fornendo il trasferimento di elettroni dal complesso b/f a PS1. Dalla plastocianina ridotta, l'elettrone va direttamente ai centri di reazione ossidati di PS1 – P 700+ (vedi Fig. 4). Pertanto, come risultato dell'azione combinata di PS1 e PS2, due elettroni della molecola d'acqua decomposta in PS2 vengono infine trasferiti attraverso la catena di trasporto degli elettroni alla molecola NADP +, garantendo la formazione del forte agente riducente NADP H.

Perché i cloroplasti hanno bisogno di due fotosistemi? È noto che i batteri fotosintetici, che utilizzano vari composti organici e inorganici (ad esempio H 2 S) come donatore di elettroni per ripristinare i centri di reazione ossidati, funzionano con successo con un fotosistema. La comparsa di due fotosistemi è molto probabilmente dovuta al fatto che l'energia di un quanto di luce visibile non è sufficiente per garantire la decomposizione dell'acqua e l'effettivo passaggio di un elettrone lungo la catena di molecole portatrici dall'acqua al NADP +. Circa 3 miliardi di anni fa, sulla Terra apparvero alghe blu-verdi o cianobatteri, che acquisirono la capacità di utilizzare l'acqua come fonte di elettroni per ridurre l'anidride carbonica. Attualmente si ritiene che PS1 provenga da batteri verdi e PS2 da batteri viola. Dopo che, durante il processo evolutivo, PS2 è stato "incluso" in un'unica catena di trasferimento di elettroni insieme a PS1, è diventato possibile risolvere il problema energetico - superare la differenza piuttosto grande nei potenziali redox delle coppie ossigeno/acqua e NADP + / NADP H. L'emergere di organismi fotosintetici, capaci di ossidare l'acqua, divenne una delle fasi più importanti nello sviluppo della natura vivente sulla Terra. In primo luogo, le alghe e le piante verdi, avendo “imparato” a ossidare l'acqua, hanno padroneggiato una fonte inesauribile di elettroni per la riduzione del NADP +. In secondo luogo, decomponendo l'acqua, hanno riempito l'atmosfera terrestre di ossigeno molecolare, creando così le condizioni per il rapido sviluppo evolutivo degli organismi la cui energia è associata alla respirazione aerobica.

Accoppiamento dei processi di trasporto degli elettroni con trasferimento di protoni e sintesi di ATP nei cloroplasti

Il trasferimento di elettroni attraverso la CET è solitamente accompagnato da una diminuzione di energia. Questo processo può essere paragonato al movimento spontaneo di un corpo lungo un piano inclinato. Una diminuzione del livello energetico di un elettrone durante il suo movimento lungo la CET non significa affatto che il trasferimento di elettroni sia sempre un processo energeticamente inutile. In condizioni normali di funzionamento dei cloroplasti, la maggior parte dell'energia rilasciata durante il trasporto degli elettroni non viene sprecata inutilmente, ma viene utilizzata per il funzionamento di uno speciale complesso di conversione dell'energia chiamato ATP sintasi. Questo complesso catalizza il processo energeticamente sfavorevole di formazione di ATP da ADP e fosfato inorganico P i (reazione ADP + P i → ATP + H 2 O). A questo proposito, è consuetudine affermare che i processi di trasporto degli elettroni che donano energia sono associati ai processi di accettazione dell'energia della sintesi di ATP.

Il ruolo più importante nel garantire l'accoppiamento energetico nelle membrane dei tilacoidi, come in tutti gli altri organelli di conversione dell'energia (mitocondri, cromatofori dei batteri fotosintetici), è svolto dai processi di trasporto dei protoni. La sintesi di ATP è strettamente correlata al trasferimento di tre protoni dai tilacoidi (3H in +) allo stroma (3H out +) attraverso l'ATP sintasi:

ADP + Ô i + 3H ingresso + → ATP + H 2 O + 3H uscita + .

Questo processo diventa possibile perché, a causa della disposizione asimmetrica dei trasportatori nella membrana, il funzionamento dell'ETC dei cloroplasti porta all'accumulo di una quantità in eccesso di protoni all'interno del tilacoide: gli ioni idrogeno vengono assorbiti dall'esterno nelle fasi di NADP + riduzione e formazione di plastochinolo e vengono rilasciati all'interno dei tilacoidi nelle fasi di decomposizione dell'acqua e ossidazione del plastochinolo (Fig. 4). L'illuminazione dei cloroplasti porta ad un aumento significativo (100-1000 volte) della concentrazione di ioni idrogeno all'interno dei tilacoidi.

Quindi, abbiamo esaminato la catena di eventi durante i quali l'energia della luce solare viene immagazzinata sotto forma di energia di composti chimici ad alta energia: ATP e NADP H. Questi prodotti della fase luminosa della fotosintesi vengono utilizzati nelle fasi oscure per formare composti organici (carboidrati) da anidride carbonica e acqua. Le fasi principali della conversione dell'energia che portano alla formazione di ATP e NADP H comprendono i seguenti processi: 1) assorbimento dell'energia luminosa da parte dei pigmenti dell'antenna di raccolta della luce; 2) trasferimento dell'energia di eccitazione al centro di fotoreazione; 3) ossidazione del centro di fotoreazione e stabilizzazione delle cariche separate; 4) trasferimento di elettroni lungo la catena di trasporto degli elettroni, formazione di NADP H; 5) trasferimento transmembrana di ioni idrogeno; 6) Sintesi di ATP.

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Studiando un processo come fotosintesi che viene attivato dalla luce, è importante determinare gli spettri d'azione di questo processo per identificare i pigmenti coinvolti. Lo spettro d'azione è un grafico che mostra la dipendenza dell'efficienza del processo in studio dall'esposizione alla luce di diverse lunghezze d'onda.

Spettro di assorbimentoè un grafico della quantità relativa di luce assorbita da un pigmento in funzione di diverse lunghezze d'onda. L'immagine mostra spettro di azione fotosintetica E spettro di assorbimento per pigmenti fotosintetici combinati.

Prestare attenzione alla grande somiglianza dei grafici presentati, il che significa che per l'assorbimento della luce a fotosintesi i responsabili sono i pigmenti e soprattutto la clorofilla.

Eccitazione della clorofilla mediante la luce

Quando una molecola di clorofilla o un altro pigmento fotosintetico assorbe la luce, si dice che sia entrato in uno stato eccitato. L'energia luminosa viene utilizzata per spostare gli elettroni a un livello energetico più elevato. L'energia luminosa viene catturata dalla clorofilla e convertita in energia chimica. Lo stato eccitato della clorofilla è instabile e le sue molecole tendono a tornare al loro stato normale (stabile). Ad esempio, se facciamo passare la luce attraverso una soluzione di clorofilla e poi la osserviamo al buio, vedremo che la soluzione emette fluorescenza. Ciò si verifica perché l’energia di eccitazione in eccesso viene convertita in luce di lunghezza d’onda maggiore (e di energia inferiore), mentre il resto dell’energia viene perso sotto forma di calore.

Elettroni eccitati ritornare al loro normale stato di bassa energia. In una pianta vivente, l'energia rilasciata può essere trasferita ad un'altra molecola di clorofilla (vedi sotto). In questo caso, l’elettrone eccitato può spostarsi dalla molecola di clorofilla ad un’altra molecola chiamata accettore di elettroni. Poiché l'elettrone è carico negativamente, dopo che “lascia” rimane un “buco” carico positivamente nella molecola di clorofilla.

Si chiama il processo di cessione di elettroni ossidazione, e il processo della loro acquisizione è il restauro. Di conseguenza, la clorofilla viene ossidata e l'accettore di elettroni viene ridotto. La clorofilla sostituisce gli elettroni persi con elettroni a bassa energia provenienti da altre molecole chiamate donatori di elettroni.

Le prime fasi del processo di fotosintesi comportano il movimento sia dell'energia che degli elettroni eccitati tra le molecole all'interno dei fotosistemi descritti di seguito.

- sintesi di sostanze organiche da anidride carbonica e acqua con l'uso obbligatorio di energia luminosa:

6CO 2 + 6H 2 O + Q luce → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

Nelle piante superiori, l'organo della fotosintesi è la foglia e gli organelli della fotosintesi sono i cloroplasti (struttura dei cloroplasti - lezione n. 7). I pigmenti fotosintetici sono incorporati nelle membrane tilacoidi dei cloroplasti: clorofille e carotenoidi. Esistono diversi tipi di clorofilla ( a, b, c, d), il principale è la clorofilla UN. Nella molecola della clorofilla si distingue una “testa” di porfirina con al centro un atomo di magnesio e una “coda” di fitolo. La “testa” della porfirina è una struttura piatta, è idrofila e quindi giace sulla superficie della membrana rivolta verso l'ambiente acquoso dello stroma. La “coda” del fitolo è idrofoba e per questo trattiene la molecola di clorofilla nella membrana.

Le clorofille assorbono la luce rossa e blu-viola, riflettono la luce verde e quindi conferiscono alle piante il caratteristico colore verde. Le molecole di clorofilla nelle membrane tilacoidi sono organizzate in fotosistemi. Le piante e le alghe blu-verdi hanno il fotosistema-1 e il fotosistema-2, mentre i batteri fotosintetici hanno il fotosistema-1. Solo il fotosistema-2 può decomporre l'acqua per rilasciare ossigeno e prendere elettroni dall'idrogeno dell'acqua.

La fotosintesi è un processo complesso in più fasi; Le reazioni della fotosintesi si dividono in due gruppi: reazioni fase leggera e reazioni fase oscura.

Fase leggera

Questa fase avviene solo in presenza di luce nelle membrane dei tilacoidi con la partecipazione della clorofilla, delle proteine ​​di trasporto degli elettroni e dell'enzima ATP sintetasi. Sotto l'influenza di un quanto di luce, gli elettroni della clorofilla vengono eccitati, lasciano la molecola ed entrano nella parte esterna della membrana tilacoide, che alla fine diventa carica negativamente. Le molecole di clorofilla ossidate vengono ridotte, prendendo elettroni dall'acqua situata nello spazio intratilacoide. Ciò porta alla decomposizione o fotolisi dell'acqua:

H 2 O + Q luce → H + + OH - .

Gli ioni idrossile cedono i loro elettroni, diventando radicali reattivi.OH:

OH - → .OH + e - .

I radicali OH si combinano per formare acqua e ossigeno libero:

4NO. → 2H2O + O2.

In questo caso, l'ossigeno viene rimosso nell'ambiente esterno e i protoni si accumulano all'interno del tilacoide nel "serbatoio protonico". Di conseguenza, la membrana tilacoide, da un lato, è caricata positivamente a causa di H + e, dall'altro, a causa degli elettroni, è caricata negativamente. Quando la differenza di potenziale tra il lato esterno e quello interno della membrana tilacoide raggiunge i 200 mV, i protoni vengono spinti attraverso i canali dell'ATP sintetasi e l'ADP viene fosforilato in ATP; L'idrogeno atomico viene utilizzato per ripristinare il trasportatore specifico NADP+ (nicotinammide adenina dinucleotide fosfato) a NADPH 2:

2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.

Pertanto, nella fase leggera, avviene la fotolisi dell'acqua, che è accompagnata da tre importanti processi: 1) sintesi di ATP; 2) la formazione di NADPH 2; 3) la formazione di ossigeno. L'ossigeno si diffonde nell'atmosfera, ATP e NADPH 2 vengono trasportati nello stroma del cloroplasto e partecipano ai processi della fase oscura.

1 - stroma dei cloroplasti; 2 - grana tilacoide.

Fase oscura

Questa fase avviene nello stroma del cloroplasto. Le sue reazioni non richiedono energia luminosa, quindi avvengono non solo alla luce, ma anche al buio. Le reazioni della fase oscura sono una catena di trasformazioni successive dell'anidride carbonica (proveniente dall'aria), che portano alla formazione di glucosio e altre sostanze organiche.

La prima reazione di questa catena è la fissazione dell'anidride carbonica; L'accettore di anidride carbonica è uno zucchero a cinque atomi di carbonio. ribulosio bifosfato(RiBF); l'enzima catalizza la reazione Ribulosio bifosfato carbossilasi(RiBP carbossilasi). Come risultato della carbossilazione del ribulosio bisfosfato, si forma un composto instabile a sei atomi di carbonio, che si scompone immediatamente in due molecole acido fosfoglicerico(FGK). Si verifica quindi un ciclo di reazioni in cui l'acido fosfoglicerico viene convertito in glucosio attraverso una serie di intermedi. Queste reazioni utilizzano l'energia dell'ATP e del NADPH 2 formati nella fase leggera; Il ciclo di queste reazioni è chiamato “ciclo di Calvino”:

6CO2 + 24H + + ATP → C6H12O6 + 6H2O.

Oltre al glucosio, durante la fotosintesi si formano altri monomeri di composti organici complessi: aminoacidi, glicerolo e acidi grassi, nucleotidi. Attualmente esistono due tipi di fotosintesi: fotosintesi C 3 e C 4.

C 3-fotosintesi

Questo è un tipo di fotosintesi in cui il primo prodotto sono composti a tre atomi di carbonio (C3). La fotosintesi C 3 è stata scoperta prima della fotosintesi C 4 (M. Calvin). È la fotosintesi C 3 quella descritta sopra, sotto il titolo “Fase oscura”. Caratteristiche caratteristiche della fotosintesi C 3: 1) l'accettore di anidride carbonica è RiBP, 2) la reazione di carbossilazione di RiBP è catalizzata dalla carbossilasi RiBP, 3) come risultato della carbossilazione di RiBP, si forma un composto a sei atomi di carbonio, che si decompone in due PGA. FGK viene ripristinato fosfati di trioso(TF). Una parte del TF va alla rigenerazione del RiBP e una parte viene convertita in glucosio.

1 - cloroplasto; 2 - perossisoma; 3 - mitocondri.

Questo è un assorbimento di ossigeno dipendente dalla luce e il rilascio di anidride carbonica. All'inizio del secolo scorso fu stabilito che l'ossigeno sopprime la fotosintesi. Come si è scoperto, per la carbossilasi RiBP il substrato può essere non solo anidride carbonica, ma anche ossigeno:

O 2 + RiBP → fosfoglicolato (2C) + PGA (3C).

L'enzima si chiama RiBP ossigenasi. L’ossigeno è un inibitore competitivo della fissazione dell’anidride carbonica. Il gruppo fosfato viene scisso e il fosfoglicolato diventa glicolato, che la pianta deve utilizzare. Entra nei perossisomi, dove viene ossidato in glicina. La glicina entra nei mitocondri, dove viene ossidata a serina, con la perdita del carbonio già fissato sotto forma di CO 2. Di conseguenza, due molecole di glicolato (2C + 2C) vengono convertite in una PGA (3C) e CO 2. La fotorespirazione porta ad una diminuzione della resa delle piante C3 del 30-40% ( Con 3 piante- piante caratterizzate dalla fotosintesi C 3).

La fotosintesi C 4 è una fotosintesi in cui il primo prodotto sono composti a quattro atomi di carbonio (C 4). Nel 1965 si scoprì che in alcune piante (canna da zucchero, mais, sorgo, miglio) i primi prodotti della fotosintesi sono acidi a quattro atomi di carbonio. Queste piante furono chiamate Con 4 piante. Nel 1966, gli scienziati australiani Hatch e Slack dimostrarono che le piante C4 non hanno praticamente alcuna fotorespirazione e assorbono l'anidride carbonica in modo molto più efficiente. Il percorso delle trasformazioni del carbonio nelle piante C 4 cominciò a essere chiamato di Hatch-Slack.

Le piante C 4 sono caratterizzate da una speciale struttura anatomica della foglia. Tutti i fasci vascolari sono circondati da un doppio strato di cellule: lo strato esterno è costituito da cellule del mesofillo, lo strato interno è costituito da cellule della guaina. L'anidride carbonica è fissata nel citoplasma delle cellule del mesofillo, ne è l'accettore fosfoenolpiruvato(PEP, 3C), come risultato della carbossilazione del PEP, si forma ossalacetato (4C). Il processo è catalizzato PEP carbossilasi. A differenza della carbossilasi RiBP, la carbossilasi PEP ha una maggiore affinità per la CO 2 e, soprattutto, non interagisce con l'O 2 . I cloroplasti della mesofilla hanno molti grani in cui si verificano attivamente le reazioni della fase leggera. Le reazioni della fase oscura si verificano nei cloroplasti delle cellule della guaina.

L'ossalacetato (4C) viene convertito in malato, che viene trasportato attraverso i plasmodesmi nelle cellule della guaina. Qui viene decarbossilato e deidrogenato per formare piruvato, CO 2 e NADPH 2 .

Il piruvato ritorna alle cellule del mesofillo e viene rigenerato utilizzando l'energia dell'ATP nella PEP. La CO 2 viene nuovamente fissata dalla carbossilasi RiBP per formare PGA. La rigenerazione del PEP richiede energia ATP, quindi richiede quasi il doppio dell'energia della fotosintesi C 3.

Il significato della fotosintesi

Grazie alla fotosintesi ogni anno vengono assorbiti dall’atmosfera miliardi di tonnellate di anidride carbonica e rilasciati miliardi di tonnellate di ossigeno; la fotosintesi è la principale fonte di formazione di sostanze organiche. L'ossigeno forma lo strato di ozono, che protegge gli organismi viventi dalle radiazioni ultraviolette a onde corte.

Durante la fotosintesi, una foglia verde utilizza solo circa l'1% dell'energia solare che cade su di essa; la produttività è di circa 1 g di materia organica per 1 m2 di superficie all'ora.

Chemiosintesi

Viene chiamata la sintesi di composti organici da anidride carbonica e acqua, effettuata non grazie all'energia della luce, ma grazie all'energia di ossidazione delle sostanze inorganiche chemiosintesi. Gli organismi chemiosintetici includono alcuni tipi di batteri.

Batteri nitrificanti l'ammoniaca viene ossidata ad nitroso e poi ad acido nitrico (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Batteri del ferro convertire il ferro ferroso in ossido di ferro (Fe 2+ → Fe 3+).

Batteri dello zolfo ossidare l'idrogeno solforato in zolfo o acido solforico (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Come risultato delle reazioni di ossidazione delle sostanze inorganiche, viene rilasciata energia, che viene immagazzinata dai batteri sotto forma di legami ATP ad alta energia. L'ATP viene utilizzato per la sintesi delle sostanze organiche, che procede in modo simile alle reazioni della fase oscura della fotosintesi.

I batteri chemiosintetici contribuiscono all'accumulo di minerali nel suolo, migliorano la fertilità del suolo, promuovono il trattamento delle acque reflue, ecc.

Vai a lezioni n. 11“Il concetto di metabolismo. Biosintesi delle proteine"

Vai a lezioni n. 13“Metodi di divisione delle cellule eucariotiche: mitosi, meiosi, amitosi”

Il processo estremamente interessante e non ancora del tutto compreso della produzione di energia da parte delle piante verdi oggi appare come segue. Un quanto di luce, assorbito da una molecola di clorofilla, impartisce energia ai suoi elettroni, che si spostano a livelli eccitati. Da lì viaggiano attraverso altre molecole legate alla clorofilla in un'unica catena di generazione di energia. Se non esistesse un simile "commonwealth", gli elettroni elevati a livelli energetici elevati cadrebbero semplicemente nelle loro posizioni precedenti e l'energia assorbita si dissiperebbe. In altre parole, la molecola emetterebbe un quanto di energia senza compiere alcun lavoro chimico. Ciò che accadrebbe è più o meno la stessa cosa che accade quando una sfera d'acciaio rimbalza. Cade senza aver svolto quasi alcun lavoro, tranne forse per superare l'attrito dell'aria e colpire il suolo. La situazione sarebbe diversa se, ad esempio, la palla, saltando in alto, chiudesse un circuito elettrico, provocando così l'accensione della lampadina. Anche in questo caso un po' di energia andrebbe persa, ma verrebbe svolto un lavoro utile, anche se alla fine la palla ritornerebbe al suo stato originale.

Qualcosa di simile accade con gli elettroni eccitati della molecola di clorofilla. Dopo aver consumato l'energia in eccesso impartita loro dal quanto di luce, ritornano ai livelli precedenti. A chi gli elettroni eccitati trasferiscono la loro energia? I nostri buoni amici sono i citocromi, che producono la principale valuta energetica del corpo: l'ATP. Si noti che la staffetta fotosintetica del trasferimento di energia quantistica della luce avviene con un'efficienza molto elevata, circa il 97%, e l'intero processo di fotosintesi svolge un lavoro utile in poco meno del 30%.

Non per niente abbiamo citato queste cifre. La produzione di ATP da parte della cellula è sorprendentemente perfetta. Per unità di massa; un essere vivente produce molta più energia del Sole. È curioso che una persona che pesa 70 kg produca fino a 75 kg di ATP al giorno, cioè più del suo stesso peso! La stessa quantità di ATP prodotta dall'industria per esigenze tecniche costa ben 150mila dollari.

La produzione di energia è, per così dire, uno degli aspetti dell'attività della clorofilla che non va oltre il corpo. L'altro lato è più imponente, caratterizzato dai prodotti iniziali e finali della fotosintesi. Come risultato di questo processo, sotto l'influenza della luce, si formano composti organici e ossigeno da anidride carbonica e acqua. Grazie alla clorofilla, ogni anno sulla Terra vengono assimilate 200 miliardi di tonnellate di anidride carbonica, che producono 100 miliardi di tonnellate di sostanze organiche e circa 145 miliardi di tonnellate di ossigeno libero.

Oggi è generalmente accettato che grazie alla fotosintesi dei primi organismi verdi apparsi circa tre miliardi di anni fa, si formò l'atmosfera moderna e apparvero le condizioni per la formazione della biosfera (ne abbiamo già parlato sopra). Questi sono i miracoli che il magnesio compie nell'anello della porfirina