Первичные процессы фотосинтеза протекают в тилакоидах - плоских замкнутых мембранных пузырьках, содержащихся в клетках цианобак­терий и в хлоропластах водорослей и высших растений.

Тилакоидные мембраны и светособирающие пигменты (пигменты ан­тенн). Тилакоидная мембрана содержит в себе пигментные молекулы (хлорофилл а, хлорофилл Ъ и каротиноиды), переносчики электронов и ферменты. Подавляющее большинство молекул хлорофилла ( ^ 99,5%), а также дополнительные пигменты (каротиноиды, фикобили-протеины) ответственны за поглощение света и распределение энергии; они образуют систему антенны. Лишь незначительная часть хлорофил­ла а выполняет роль фотохимического реакционного центра, в котором протекает собственно фотохимическая окислительно-восстановительная реакция. Пигменты антенн (светособирающие пигменты) улавливают свет и передают энергию хлорофиллу реакционного центра (Каротиноид -> Каротиноид*; Хлорофилл + Каротиноид* -> Хлоро­филл* + Каротиноид). Каротиноиды выполняют также защитную функцию: при очень ярком солнечном освещении они отдают избыточ­ную энергию в окружающую среду и тем самым защищают молекулы хлорофилла от фотоокисления. Система светособирающих пигментов и реакционный центр объединены в так называемую фотосинтетиче­скую единицу.

Фотореакции. Фотореакции относятся к первичным процессам любо­го фотосинтеза. Местом, где протекают эти фотохимические окисли­тельно-восстановительные реакции, являются реакционные центры. Реак­ционный центр состоит из ряда компонентов, наиболее важные из которых - первичный донор электронов (особый комплекс из хлорофил­ла и белка) и первичный акцептор электронов. Эти два компонента представляют собой окислительно-восстановительные системы. Систе­ма донора (Р/Р⁺) обладает положительным, а система акцептора (Х/Х ~)- отрицательным потенциалом. Под воздействием энергии света происходит перенос одного электрона:

Восстановлен-          Окисленный   hv   Окисленный        Восстановлен-

+                                                     -»                        +

ныи донор                   акцептор             донор          ный акцептор

Вместо этого можно написать

Следовательно, первую фотореакцию можно представить следующим образом:

Аналогичным образом можно представить и фотореакцию у пурпурных бактерий:

Таким образом, в результате фотореакции донор теряет один элек­трон - возникает «дырка» (электронный дефект). Такие «дырки» должны заполняться электронами, которые могут поступать сюда по одному из двух путей-по пути нециклического или циклического переноса электро­нов. При нециклическом переносе электроны поступают от экзогенного внешнего донора: в случае второй фотореакции-от молекул воды, в случае первой реакции-из электрон-транспортной цепи, связывающей обе фотосистемы между собой. При циклическом переносе электроны возвращаются от восстановленного акцептора (X ~) к окисленному до­нору. Фотохимическая окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой Р окисляется, а X восстанавливается, представлена на следую­щей схеме:

Циклический перенос электронов приводит к изменению заряда мем­браны, а нециклический перенос-кроме того, и к восстановлению NADP.

Две фотореакции в двух пигментных системах (фотосистемах). При

оксигенном фотосинтезе работают две пигментные системы, вклю­ченные последовательно (рис. 12.14). Пигментную систему, возбуждае­мую более длинноволновым светом (к < 730 нм), называют фотосисте-

мой I, а возбуждаемую более коротковолновым светом (X < < 700 нм) - фотосистемой II. Фотохимически активный реакционный центр фотосистемы I содержит Хл а.\ (Р700), играющий роль первичного донора электронов в первой фотореакции. Световая энергия, поглощае­мая светособирающими пигментами фотосистемы I, передается в реак­ционный центр и переводит в возбужденное состояние Хл а\. Это приво­дит к окислению Хла;, т.е. к отдаче им одного электрона. Хл а\ превращается при этом в Хл а\ . Другими словами, в результате отдачи электрона в реакционном центре образуется «дырка», или «электронная вакансия». Эта «дырка» тотчас же заполняется другим электроном, по­ступающим по специальному электрон-транспортному пути. Акцепто­ром отданного электрона, по-видимому, служит железосерный белок («X»). Он обладает еще более отрицательным окислительно-восстанови­тельным потенциалом, чем - 420 мВ, возможно - 530 мВ. Этот акцеп­тор в свою очередь отдает электрон ферредоксину, а с восстановленно­го ферредоксина восстановительная сила может передаваться на NADP или другие акцепторы. Наряду с этим возможен и циклический перенос электрона, при котором электрон от «X» передается через пластохинон, цитохромы и пластоцианин обратно к хлорофиллу а\ реакционного центра.

Реакционный центр фотосистемы II содержит Хл ац (Р680), который служит первичным донором электронов во второй фотореакции. Полу­чив энергию, поглощенную светособирающими пигментами фотоси­стемы II, этот хлорофилл переходит в возбужденное состояние. Возбуж­дение Хл а\\ ведет к эмиссии одного электрона, являющегося слабым восстановителем (Е'₀ ~ О В). Этот электрон принимает молекула особо­го пластохинона (Х320), который при этом восстанавливается до семи-хинона. Донором электронов для фотосистемы II служит вода. «Дыр­ка», образовавшаяся в Хл а\\ в результате потери электрона, заполняется одним из электронов, освобождающихся при образовании 0₂ из воды (2Н₂0 -> 0₂ + 4Н ⁺ + 4е ~). Разложение воды происходит при участии марганца.

Две описанные выше пигментные системы связаны между собой электрон-транспортной цепью, важным звеном которой является пла-стохинон. Подобно убихинону в дыхательной цепи, пластохинон в фо­тосинтетической электрон-транспортной цепи находится в большом из­бытке и выполняет функцию накопителя (депо) электронов. Этот накопитель может вмещать не менее 10 электронов (на 1 молекулу Хл ац), поступающих от Х320. Окисление пластохинона осуществляет фо­тосистема I, т.е. электроны «накопителя» расходуются на заполнение «дырок» в Хл а\ . От пластохинона электроны передаются цитохрому / (мембраносвязанному цитохрому типа с), затем пластоцианину (раст­воримый медьсодержащий белок) и, наконец, хлорофиллу а\ . Таким образом, пластохинон выполняет важную функцию накопления и даль­нейшей передачи электронов, поступающих из нескольких (как минимум десяти) электрон-транспортных цепей.

Основные пути транспорта электронов в ходе первичных процессов фотосинтеза показаны на рис. 12.14. Это известная Z-схема- результат исследований, в которых использовались методы импульсной спектро-фотометрии, а также искусственные доноры и акцепторы электронов и специфические ингибиторы. Она дает представление об окислительно-восстановительных потенциалах пигментов и переносчиков электронов и о последовательности их окисления и восстановления, но ничего не говорит о локализации этих компонентов в мембране.

Локализация пигментов и переносчиков электронов в мембране. Неко­торые сведения по этому вопросу были получены при исследовании функций тилакоидов в присутствии антител, а также липофильных или гидрофильных искусственных окислительно-восстановительных систем. Иммунные антитела, полученные против отдельных очищенных компо­нентов фотосинтетической электрон-транспортной системы, не в состоя­нии проникать сквозь мембрану и реагируют поэтому только с теми компонентами, которые расположены на наружной поверхности тила­коидов. Например, антитела к ферредоксину или к ферредоксин-NADP-редуктазе эффективно подавляют функцию фотосистемы I; значит, эти

два компонента находятся на внешней поверхности тилакоидов. В то же время поверхность, на которой расположены доноры электронов, недо­ступна для антител. Хотя данные о структурной организации фотоси­стемы II еще весьма противоречивы, уже можно привести гипотетиче­скую схему (рис. 12.15). Эту схему пространственной ориентации направленного фотосинтетического транспорта электронов внутри тила­коидной мембраны следует отличать от схемы на рис. 12.14, где компо­ненты расположены по вертикали в соответствии с их окислительно-восстановительными потенциалами. Схема на рис. 12.15 наглядно показывает, что электроны, освобождающиеся в результате расщепле­ния воды, переносятся из внутреннего пространства тилакоидов в строму.

Направленный транспорт электронов и создание протонного градиента. Представления о локализации компонентов фотосинтетической элек­трон-транспортной цепи согласуются с данными физиологических на­блюдений и измерений. Если суспензию тилакоидов или разрушенных хлоропластов подвергнуть воздействию света, то рН суспензионной среды возрастает, а после выключения света снова понижается. Свет вызывает передвижение протонов внутрь тилакоидов (рис. 12.16). Таким