Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Биологический факультет

Кафедра биоорганической химии

Реферат

Тема:

Пигменты и световая фаза фотосинтеза

Выполнил: Семенов И.А.

Студент 3 курса

Содержание

• Введение
• Фотосинтез:
• 1. Пигменты фотосинтеза
• 1.1 Хлорофиллы
• 1.1.1 Связь структуры и функций
• 1.1.2 Биосинтез
• 1.2 Фикбилины
• 1.3 Каротиноиды
• 2. Световые реакции фотосинтеза
• 2.1 Первичные световые реакции, связанные с процессами разделения зарядов и переноса электронов в реакционных центрах
• 2.2 Биохимические процессы образования NADPH и ATP
• 2.2.1 Компоненты ЭТЦ хлоропластов
• 2.2.2 Транспорт электронов в комплексе фотосистемы II
• 2.2.3 Транспорт электронов в комплексе фотосистемы I
• 2.2.4 Транспорт электронов в цитохромном b6f-комплексе
• 2.2.5 Фосфолирирование

Использованная литература

Введение

Под фотосинтезом обычно понимают процесс, посредством которого организмы на солнечном свету синтезируют органические соединения из неорганических.

Фотосинтез - один из наиболее мощных процессов преобразования солнечной энергии (т.е. энергии термоядерных процессов, протекающих на Солнце), которая высвобождается в результате превращения водорода в гелий. Солнечная энергия при участии зеленых растений и фотосинтезирующих бактерий преобразуется в энергию химических связей. Этот процесс -- отличительная черта всех фотоавтотрофных организмов.

С одной стороны, в процессе фотосинтеза из углекислого газа атмосферы образуются углеводы. С другой стороны, солнечная энергия служит для образования аммонийного азота из поглощенного нитрата и для превращения сульфата в сульфид. Углерод, азот и сера при этом восстанавливаются, причем в случае зеленых растений, цианобактерий и прохлоробактерии необходимые электроны отнимаются от воды, а в случае некоторых фотосинтетически активных бактерий они поступают из других источников.

Фотосинтез можно разделить на несколько стадий:

2. Физическая (фотофизическое поглощение кванта света)

1. Фотохимическая (разделение зарядов в реакционном центре, за счет энергии поглощенного кванта света)

2. Транспорт электронов

3. «Темновые» реакции поглощения и восстановления углекислоты.

Во второй (фотохимической) стадии проходит «центральное событие» фотосинтеза - преобразование одного вида энергии в другой: энергия электронного возбуждения используется для разделения зарядов и образующаяся система (П_(РЦ) - А_{(первичный акцептор)}) содержит определенное количество энергии уже в химической форме.

Такие преобразования были бы не возможны без веществ, которые способны поглощать видимый свет, запуская тем самым химические реакции фотосинтеза - пигментов.

1. Пигменты фотосинтеза

Фоторецепторная система фотосинтеза состоит из двух важнейших типов химических соединений:

1. Тетропирролов, образующих циклическую структуру хлорофиллов (магнийпорфиринов), а так же открытую структуру пигментов фикобилинов.

2. Полиизопреноидов, образующих большой и разнообразный класс пигментов каротиноидов.

В каждой из этих групп пигментов путем модификаций основной структуры образуется несколько химически различных структур, имеющих максимумы поглощения в разных частях видимой области спектра. Известно 10 различных структурных форм хлорофиллов, несколько форм фикобилинов и более 100 модификаций каротиноидов.

Хлорофиллы и каротиноиды нерастворимы в воде, а фикобилины растворимы. Фикобилины связаны с белками (апопротеинами) ковалентно и образуют фикобилипротеины, хлорофиллы и каротиноиды связаны с соответствующими мембранными белками с помощью ионных, координационных и гидрофобных связей. Такие пигмент-белковые комплексы обеспечивают упорядоченную ориентацию хромофорных групп и повышают эффективность функционирования.

1.1 Хлорофиллы

1.1.1 Связь структуры и функций

Из большого числа пигментов только 2 структуры: хлорофилл а и бактериохлорофилл а - способны осуществлять преобразование энергии, все остальные пигменты участвуют в процессах поглощения и миграции энергии.

Главную роль для всех организмов, у которых процесс фотосинтеза протекает с выделением кислорода, возникающего при фотоокислении воды, играет хлорофилл а. Хлорофилл а - универсальный пигмент высших растений и водорослей. Максимум поглощения 660-664 нм.

У высших растений и некоторых групп водорослей встречается еще и хлорофилл b. Соотношение хлорофилл а: хлорофилл b составляет ? 3:1. Хлорофилл b - дополнительный пигмент высших растений и водорослей, впервые появляется у эвгленовых, заменяя фикобилины. Максимум поглощения 645 нм.

Вместо хлорофилла b у некоторых водорослей можно обнаружить хлорофилл с. Хлорофилл с - дополнительный пигмент диатомовых и бурых водорослей. Не эритрофицирован фитолом.

Вместо хлорофилла а у фотоавтотрофных бактерий встречается бактериохлорофилл а.

Главные функции хлорофиллов (поглощение кванта света, запасание и преобразование энергии) осуществляются за счет наличия в их молекуле тетрапирольной структуры порфирина. Пирольное кольцо, состоящее из 4х атомов углерода и 1 атома азота, является хромофором, способным поглощать энергию в инфракрасной области спектра.

Сопряжение же 4х таких колец в молекуле хлорофилла позволяет сдвинуть спектр поглощения в видимую область, с более высокой энергией поглощаемых квантов.

Гидрирование порфириновой структуры по связям двойным 7 = 8 (в случае хлорофилла) и 3 = 4 (в случае бактериохлорофилла) сыграло решающую роль в эволюции хлорофиллов, поскольку привело к уменьшению потенциала ионизации и снижению количества энергии, необходимой для фотоокисления молекулы.

Ион магния играет ключевую роль в свойствах Mg-порфиринового комплекса. Встраиваясь в молекулу хлорофилла магний изменяет ее спектральные свойства стабилизируя молекулу и выравнивая электронную плотность по всем пирольным кольцам. Благодаря включению Mg в структуру хлорофилла порфириновый макроцикл обретает способность к фотоокислению (электрон донорная функция) и образованию межмолекулярных комплексов (с другой молекулой хлорофилла в реакционном центре, с белками липидами и другими компонентами хлоропласта). Межмолекулярные взаимодействия с участием Mg так же изменяют спектральные свойства молекулы, благодаря чему образуются серии «нативных» спектральных форм хлорофилла, выполняющих различные функции. Более коротко волновые формы(661, 670, 678 нм) участвуют главным образом в поглощении энергии, более длинноволновые (683 нм) - миграция, а пигменты реакционного центра (680 и 700 нм) - в процессах преобразования энергии. Эта дифференциация хлорофиллов и их строение дает возможность передачи поглощенной энергии с одной молекулы на другую. Такая способность молекул позволяет создавать из них крупные структуры, обеспечивающие максимально возможное поглощение и передачу доступной энергии света на реакционный центр - фотосистемы.

Наличие в молекуле хлорофилла гидрофобного радикала (фитола) обеспечивает возможность включения пигмента в мембранные структуры и образования пигмент-белковых комплексов.

1.1.2 Биосинтез

В живых организмах хлорофилл синтезируется из Глутаминовой кислоты, которая в процессе синтеза превращается в 5-аминолевулинову кислоту. Далее две молекулы последней, конденсируясь, образуют профоилиноген. Затем 4 молекулы профоилиногена формируют протопорфирин IX. На заключительных стадиях синтеза происходит встраивание магния, восстановление одного из пирольных колец, образование кольца Е и присоединение фитола.

1.2 Фикбилины

Фикобилины - дополнительный пигмент цианобактерий и красных водорослей. Представляют собой группу тетрапирльных пигментов с открытой цепью, имеющих систему коньюгативных двойных связей.

Фикобилины поглощают в желтой и зеленой областях спектра, между двумя максимумами хлорофиллов, позволяя, например, красным водорослям, живущим в глубине моря, осуществлять фотосинтез используя только слабый голубовато зеленый цвет прошедший сквозь толщу воды.

Фикобилины являются хромофорной частью фикобилипротеина. Фикобили протеины агегируют в специальные гранулы - фикобилисомы, которые располагаются на поверхности мембран и примыкают к элементам фотосистемы I и II.

В процессе эволюции фикобилины заменились на хлорофилл b, циклическая структура которого устойчивее по сравнению с открытой цепью фикобилинов.

1.3 Каротиноиды

Большая группа пигментов поглощающих в коротковолновой области спектра. Каротиноиды имеют полиизопреноидную природу, представляя собой цепь из 40 атомов. У большинства каротиноидов по концам цепь замыкается на 2 иононовых кольца. Центральная часть, состоящая из 18 атомов представляет собой хромфорную группу - систему сопряжённых двойных связей (9-13 связей).

Каротиноды присутствуют в мембранах у всех фотосинтезирующих организмов и выполняют ряд важнейших функций:

· Антенная. Поглощают в коротковолновой части спектра и передают возбуждение на хлорофилл.

· Защитная: нейтрализуют триплетный синглетный кислород и триплетный хлорофилл.

· Фотопротекторная: защищают хлорофилл на слишком ярком свету от фотоокисления. Зеаксантин рассеивает энергию возбужденного светом хлрофилла.

· Редокс-активный защитный агент

Каратиноиды способны переключатьс с антенной на фотопротекторную функции за счет ксантафиллового цикла

пигмент фотосинтез световой биохимический

2. Световые реакции фотосинтеза

Световой этап фотосинтеза условно можно разделить на 2 стадии:

1. Первичные световые реакции, связанные с процессами разделения зарядов и переноса электронов в реакционных центрах.

2. Биохимические процессы образования NADPH и ATP

2.1 Первичные световые реакции, связанные с процессами разделения зарядов и переноса электронов в реакционных центрах.

Если бы в процессе преобразования световой энергии в химическую принимала участие каждая молекула хлорофилла, то такая система была бы крайне не эффективной, поскольку даже на ярком свету одна молекула поглощает в среднем 1 квант в 0,1 секунды.

Поэтому молекулы пигмента объединены в фотосинтетические единицы, представляющие собой белково-пигментные комплексы, в которых осуществляется процесс переноса энергии от собирающих антенн к хлорофиллу особого типа, который находится в реакционном центре и является ловушкой энергии возбуждения.

Антенные комплексы. В хлоропластах организованны хлорофилл а/b-антенные системы. В их состав входят хлорофиллы а и b, а так же каротиноиды, связанные с белками. У цианобактерий и красных водорослей роль светособирающих комплексов выполняют фикобилисомы.

Далее стоит рассмотреть общую схему фотохимического преобразования энергии, поскольку все реакционные центры имеют не только общий принцип организации, но и единый механизм(на примере ФС II).

P*₆₈₀ - Pheo > P⁺₆₈₀ - Pheo^_ > P⁺₆₈₀ - Pheo^_ - Q -_A

Первая стадия - первичное разделение зарядов.

В результате возбуждения одной из молекул хлорофилла в реакционном центре, 2 молекулы П₆₈₀ образуют диполь, который облегчает переход электрона с хлорофилла на первичный акцептор (для ФС II - Pheo)

Вторая стадия - фотоокисление пигмента

Разделение зарядов между возбужденным П₆₈₀ и первичным акцептором происходит в течение нескольких пикосекунд, в течение следующих 200 пс происходит перенос электрона на вторичный акцептор с образованием вторичной радикальной пары.

Третья стадия - восстановление пигмента.

Окисленный пигмент П⁺₆₈₀ имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал и является очень активным окислителем. Донором электрона для П⁺₆₈₀ является сложная система фотоокисления воды, от которой он получает электрон через посредника - тирозин.

2.2 Биохимические процессы образования NADPH и ATP

Фотохимические процессы в реакционных центрах фотосистем приводят к запасанию большого количества энергии квантов в форме лабильных соединений с высоким энергетическим потенциалом. Дальнейшие реакции фотосинтеза направлены на преобразование света в более стабильную форму (НАДФН и АТФ), эту задачу решает группа мембранных комплексов белков - электрон-транспортная цепь (ЭТЦ).

2.2.1 Компоненты ЭТЦ хлоропластов

ЭТЦ фотосинтеза организована в мембранах в виде 3 отдельных функциональных комплексов - ФС I, ФС II и цитохромный b₆f-комплекс - связанных между собой подвижными низко молекулярными редокс-компонентами.

2.2.2 Транспорт электронов в комплексе фотосистемы II

Первичные фотохимические реакции запускают вторичный транспорт электронов по ЭТЦ.

Акцепторная сторона

Включает в себя первичный акцептор Феофитин и вторичные акцепторы электронов - пластохиноны Q_A и Q_B, осуществляющих перенос электронов с Феофитина на пул пластохинонов(PQ).

Передача электрона с Феофитина на Q_A приводит к образованию семихинона, который моментально передает электроны на Q_B(становится семихиноном и остается в этой форме до следующего акта передачи электронов)_. При этом Q_A возвращается в исходное состояние и снова готов участвовать в передаче электронов от Феофитина. Получив второй электрон, Q_B полностью восстанавливается, связывая 2Н⁺ из стромального пространства. Теперь уже пластохинол Q_BH₂ диссоциирует из комплекса ФС II и становится компонентом пула пластохинонов.

Донорная сторона

Включает в себя рад окислительно-восстановительных реакций приводящих к окислению воды.

Движущей силой окисления воды является образование в ходе первичных реакций очень сильного окислителя - П⁺₆₈₀.

Одна из современных моделей, описывающих процесс окисления воды в марганцевом кластере, основана на металло-радикальном механизме, согласно которому существует тесное взаимодействие двух реакций - окисления тирозина и окислительно-восстановительной реакции в марганцевом комплексе. Близость расположения Tyr_z к марганцевому мастеру позволяет рассматривать тирозин как компонент водоокисляющей системы ФС II.

В условиях нарушения донорного участка фотосистемы II, восстановление П⁺₆₈₀ идет за счет альтернативных доноров, к которым относятся: цитохром b₅₅₉, сопровождающий хлорофилл и в-каротин

П₆₈₀ >…>Q_B• >цитохром b₅₅₉ > сопровождающий хлорофилл >

> в-каротин> П⁺₆₈₀

Таким образом, в ФС II может осуществляться циклический транспорт электрнов.

2.2.3 Транспорт электронов в комплексе фотосистемы I

Первичные фотохимические реакции запускают вторичный транспорт электронов по ЭТЦ.

Донорная сторона

Восстановление П⁺₇₀₀ производит пластоциан - медьсодержащий белок переносящий электроны с цитохромного b₆f-комплекса.

Акцепторная сторона

Акцепторную систему составляют:

· Филлохинон(витамин К₁) - промежуточный переносчик электрона от Хл₆₉₅ к железосерному кластеру Fx.

· Железосерный кластер Fx

· Железосерные кластеры F_А и F_В

Согласно современным преставлениям происходит последовательный перенос электронов от Fx к F_А , затем к F_В, а от него на фередоксин.

Фередоксин восстанавливается фотосистемой I на стромальной стороне мембраны. При нециклическом потоке электронов за счет ФД_вост. восстанавливается НАДФ+. В этой реакции участвует фередоксин-НАДФ+-оксидоредуктаза. Образование комплекса ФС I с фередоксином и этим ферментом является обязательным условием восстоновления НАДФ+.

Циклический поток электронов

Обеспечивает перенос электронов с фередоксина на П⁺_700.

2.2.4 Транспорт электронов в цитохромном b6f-комплексе

Цитохром- b₆f-комплекс функционирует в фотосинтетическом транспорте электронов как пластогидрохинон-пластохинон-оксидоредуктаза и одновременно как протонный насос.

Электроны, доставляемые пластогидрохиноном, который соединен с цитохром- b₆f -комплексом, переносятся через Fe₂S₂-центр белка Риске и цитохром f на окисленный пластоцианин в полости тилакоида. Пластоцианин -- маленький белок смолекулярной массой около 10,5 кДа. К его центральному атому Сu присоединены остатки цистеина и метионина и два остатка гистидина. При обратимой смене валентности Сu2+ --> Сu+ пластоцианин либо поглощает один электрон, либо снова его отдает.

2.2.5 Фосфолирирование

Благодаря переходам дисульфид <=> дитиол на г-элементе роторный механизм включается на свету и выключается в темноте. На свету ферредоксин через тиоредоксин восстанавливает дисульфидный мостик в молекуле белка до дитиола, а в темноте вновь образуется дисульфидная форма, что изменяет конформацию г-субъединицы. Этот процесс предотвращает обратную реакцию, которую в темноте катализирует АТФ-синтаза, -- она также может переносить ионы водорода в полость тилакоида при расщеплении АТФ.

Использованная литература

1. Н.Д. Алехина и др. Под ред. И.П. Ермакова «Физиология растений»

2. П. Зитте, Э.В. Вайлер; На основе учебника Э. Страсбургера «Ботаника» том 2, Физиология растений.

3. С.С. Медведев, «Физиология растений».

Размещено на Allbest.ru