Фотосистема II: возникновение у эубактерий, общие сведения

Выбор в качестве экзогенных доноров электронов восстановленных соединений серы (см. " Бескислородный фотосинтез эубактерий: экзогенные доноры электронов ") обусловил определенную привязанность возникших фототрофных эубактерий к местам обитания, где эти соединения имеются. Колоссальное преимущество форм, которые, сохранив положительные моменты сформированного фотосинтетического аппарата, могли бы в качестве экзогенного донора электронов использовать повсеместно распространенное вещество, очевидно. Таким веществом является вода. Поэтому следующий принципиально важный шаг на пути эволюции фотосинтеза и фотосинтезирующих организмов - способность использовать воду в качестве донора электронов.

Однако окислительно-восстановительный потенциал системы вода-молекулярный кислород равен +820 мВ, из чего следует, что электронная "вакансия", возникающая, например, в молекуле бактериохлорофилла реакционного центра зеленых серобактерий при нециклическом транспорте электронов , не может быть заполнена электроном воды (фотоокисленная форма бактериохлорофилла реакционного центра зеленых серобактерий - пигмента П840 - имеет окислительно- восстановительный потенциал порядка +250 мВ). Чтобы использование электронов воды стало возможным, необходимо, во-первых, их оторвать от молекулы Н2О, термодинамически очень невыгодного донора электронов, и, во-вторых, поднять на более высокий энергетический уровень, позволяющий включаться в эффективную фотосистему. Природа решила эти проблемы путем создания дополнительной пигментной системы, обозначаемой как фотосистема II.

Известны две группы эубактерий, у которых фотосистема II уже сформировалась, и процесс фотосинтеза функционирует на качественно ином уровне. Это цианобактерии и прохлорофиты . Формирование фотосистемы II у них связано с появлением новых фоторецепторов и образованием новых типов фотохимических реакционных центров. Возник новый вид хлорофилла - хлорофилл а , функционирующий как светособирающий пигмент и в модифицированных формах входящий в состав реакционных центров: фотосистемы II - П680 , фотосистемы I - П700 . Возникли и новые пигменты антенны: фикобилипротеины и хлорофилл b .

Обнаружено, что в фотоокисленном состоянии хлорофилл а реакционного центра фотосистемы II имеет окислительно-восстановительный потенциал порядка +1000...+1300 мВ, т.е. настолько положительный, что может быть восстановлен за счет электронов воды. Механизм реакций, связанных с переносом электронов от молекул воды на П680, неизвестен. Установлено, что необходимым компонентом системы разложения воды является марганец. Очевидно также, что путь электронов от воды до П680 включает больше, чем один этап. Таким образом, фотосистема II была достроена к фотосистеме I для того, чтобы стало возможным использование воды в качестве донора электронов. Побочный продукт этого процесса - молекулярный кислород. Фотосинтез, осуществляемый при координированном функционировании двух фотосистем и сопровождающийся выделением О2 из воды, стал одним из основных типов энергетического метаболизма у высших форм жизни и занимает домрширующее положение в энергетической системе живого мира.

Общая схема фотосинтеза цианобактерий представляет собой определенную серию реакций, включающую две последовательно действующие фотореакции ( рис. 75 , В). Свет, поглощаемый фоторецепторами фотосистемы II - фикобилипротеинами , хлорофиллом а , каротиноидами , - передается на хлорофилл реакционного центра. Поглощение кванта света этим пигментом приводит к отрыву от него электрона и акцептированию молекулой особой формы пластохинона . Окисленная молекула П680 восстанавливается за счет электронов воды, подвергающейся фотоокислению в реакционных центрах фотосистемы II:

4НО2 переходит при поглощении света в 2Н2О + О2 + 4Н+ + 4е.

Электрон от акцептора фотосистемы II проходит через цепь переносчиков и поступает в реакционный центр фотосистемы I , на фотоокисленную форму хлорофилла а - пигмент П700 (Ео порядка +500 мВ), заполняя электронную "вакансию" аналогично тому, как это происходит при фотосинтезе зеленых серобактерий . Перенос электронов от акцептора электронов фотосистемы II до реакционного центра фотосистемы I - темновой процесс, состоящий из серии этапов, в которых участвуют переносчики с понижающимися восстановительными потенциалами, такие как цитохромы разного типа, пластоцианин (медьсодержащий белок), пластохинон. Электронный транспорт на этом участке на определенных этапах сопровождается ориентированным поперек мембраны переносом протонов и, следовательно, генерированием дельта мю Н+ , разрядка которого с помощью протонной АТФ-синтазы приводит к синтезу АТФ.

Поглощение еще одного кванта света молекулой хлорофилла реакционного центра фотосистемы I (П700) приводит к отрыву от нее электрона, перемещающегося против электрохимического градиента, и акцептированию его молекулой FeS-белка , функционирующего у цианобактерий в качестве вторичного акцептора электронов фотосистемы I. От FeS-центра электрон проходит через цепь переносчиков ( ферредоксин , флавопротеин ) и акцептируется молекулой НАДФ+ . (У цианобактерий два этапа электронного транспорта могут осуществляться помощью разных переносчиков: от цитохрома f до П700 с помощью пластоцинина или при недостатке меди с помощью цитохрома с553, от FeS до НАДФ+ с участием ферредоксина и флавопротеина или при недостатке железа в среде с участием специфического флавопротеина - флаводоксина ).

Восстановленные молекулы НАДФ далее используются как доноры электронов в различных биосинтетических процессах и в первую очередь для восстановления СО2.

Итогом двух фотохимических реакций является создание "ассимиляционной силы" - НАДФ*Н2 и АТФ . Конечные продукты фотосинтеза в этом случае в принципе аналогичны продуктам, образующимся при бескислородном фотосинтезе , за исключением того, что в последнем случае восстановитель находится в форме НАД*Н2.

Фотосистема I цианобактерий и прохлорофит (как и эубактерий, имеющих только одну фотосистему) фотоиндуцирует также циклический перенос электронов ( рис. 75 , В), обеспечивающий клетку энергией. В циклическом потоке электроны, акцептированные FeS-белком , через цепь переносчиков вновь возвращаются к месту своего старта и заполняют электронную "вакансию" в молекуле П700. Циклический электронный транспорт сопровождается генерированием протонного градиента и синтезом АТФ.