Фотосинтез. Что делать, когда все, что можно, уже окислилось

1. Фотосинтез: что делать, когда все, что можно, уже окислилось?

а/ умереть от отсутствия энергии
б/ найти способ «регенерации» восстановленных соединений :
СО2 + Н2О → (СН2О) + О2
Для этого необходимо:
1. Найти «псевдонеиссякаемый» источник энергии (вспоминая
первую лекцию – безотказного кредитора для безнадежной игры…)
2. Придумать систему трансформации этой энергии в энергию
восстановленных соединений.
Псевдонеиссякаемый источник энергии на Земле –
только энергия звезды по имени Солнце…
Таким образом, основные задачи:
• поймать энергию солнечных квантов
• преобразовать ее в энергию
восстановленных соединений.

2.

СН3
Хлорофилл a
СНО
Михаил
Семенович
Цвет
Хлорофилл b
Другие каротиноиды
β-каротин

3. Хлорофилл: двуликий Янус Red-Ox реакций

Хлорофиллов >10:
Хл. а, b, c1, с2, d, e;
Б-хл. a, b, c, d.
Единственная
молекула которая
может:
1. Поглощать hν и
трансформировать
эту энергию в е-*
2. Обратимо
окисляться, т.е.
отдавать е-* с
последующим
заполнением
«дырки»
Т.о. иметь два Еo’

4. Различия между хлорофиллами

Бурые, диатомовые
Хл. с2
Красные
Хл. d
Хл. а
Хл. с1
2
Бхл. а
Бхл. с

5. Основные структурные особенности молекулы хлорофилла

• Конъюгированная система двойных связей: основная 18-членная
π-система + дополнителные в I, II, V кольцах.
• Mg – минимум электроотрицательности; изменяет симметрию
молекулы хлорофилла; «активирует» электроны пиррольных
азотов
• V-кольцо – «форбиновая структура»: две важных группы:
карбонильная при С9 (участвует в n – π переходах) и кетоэфирная
при С10 – транс- (хл-л а) или цис- (хл-л а’).
• Гидрофобный «хвост» (обычно С20 – фитол). Структурная роль.

6. δ-амнолевулиновая кислота – проедшественник гема и хлорофиллов.

7. Спектры поглощения хлорофиллов

Почему видимый
свет ?
1. Оптимум
энергии: 1 – 3 эв.
2. Максимальная
«прозрачность»
атмосферы для
этих длин волн –
более 50%.
Хлорофиллы имеют два
максимума поглощения в красной области спектра
(640-700 нм)
и в синей - 400-450 нм.
Каротиноиды поглощают
в области 400 - 550 нм,
главный максимум 480 нм

8. Энергетические уровни хлорофилла

9. Белковое окружение изменяет спектр поглощения хлорофилла

10. Первичные процессы фотосинтеза – временные интервалы различаются на 6 -7 порядков

11. Простейшая схема фотосинтеза - пурпурные бактерий.

За счет работы b6c1-комплекса
протоны «перекачиваются»
через мембрану и за счет
образующегося ΔµН+
синтезируется АТФ.
Но главная задача не решена –
нет образования
восстановленных соединений.

12. Вторая простейшая схема фотосинтеза - серные зеленые бактерий.

Em
-1,2
-0,9
-0,6
-0,3
0
+0,3
Восстановленные
соединения
образуются!

13. Очередная проблема: где взять источник (донор) электронов (окисляемое соединение)?

Основные требования к донору электронов:
1. Ео’ меньше Ео’ хл+ (т.е. может отдавать е- на хл+)
2. Продукты окисления нетоксичны (желательно)
3. Его должно быть много
Н2S – хорош по всем параметрам, кроме последнего:
1. Ео’н2S = -0,23 – электрон достаточно легко «забрать»
2. Продукт окисления (сера) - легко уводится из реакции
Н2О – отвратителен по всем параметрам, кроме
последнего:
1. Ео’н2о = +0,82 – очень много, электрон «оторвать» трудно
2. Продукт окисления (кислород) - очень токсичен.
Но последний фактор оказался решающим.

14. Как решить проблемы водички в качестве донора электрона? Энергия квантов видимого света.

400нм (синий свет) - 700нм (красный свет)
λ
700нм
640нм
500нм
400нм
энергия фотона
0,28 аттодж.
0,31 аттодж.
0,40 аттодж.
0,50 аттодж
1,77 э-в
1,94 э-в
2,48 э-в
3,1 э-в
ΔЕо’
1 моль фотонов
1,7 в
1,9 в
2,4 в
3.0 в
171 кдж
187 кдж
239 кдж
299 кдж
Энергии кванта света (с учетом затрат на стабилизацию
- ~50%) не хватает, чтобы и окислить
воду, и восстановить НАДФ+.
Что делать?

15. Гениальное решение: соединить две фотосистемы!

16. Z-схема: оптимальное сочетание фотосистем позволяет «втиснуть» между ними еще и b6f-комплекс

17. Кофакторы ЭТЦ фотосинтеза: знакомые все лица...

2Fe-2S и 4Fe-4S-белки, хиноны (пластохиноны и филохинон), цитохромы

18. Z-схема фотосинтеза.

мономерный хла
филохинон (вит.К)
И «механический» аналог - для наглядности...
Расположение
кофакторов

19. Red-Ox потенциалы компонентов ЭТЦ хлоропластов

ФСI
P700*
A0 (P695)
A1 (вит К)
Fx
FA
FB
ФСII
P680*
Pheo
QA
QB
- 0.7
- 0.6
- 0.1
~0
cytb559 L + 0.08
cytb559 H + 0.38
H2O/O2 + 0.82
P680
+1.12
Fd
PQ ~ 0
P700
Cyt b/f
CytbL
CytbH
FeSРиске
Cytf
~ 1.2
- 1.10
- 0.88
- 0.73
- 0.59
- 0.55
- 0.15
- 0.05
+ 0.30
+ 0.34
PC +0.37
+ 0.52
- 0.42
FMN
- 0.36
NADPH - 0.32

20. Организация фотосинтетического аппарата

Тилакоиды
образовались
по-видимому, за
счет
инвагинации
внутренней
мембраны с
последующим
«отшнуровыванием».
Таким образом,
люмен
топологически
эквивалентен
межмембранному
пространству.

21. Организация фотосинтетического аппарата весьма похожа на ЭТЦ дыхания

22. Организация фотосинтетического аппарата, «реальная картинка».

Строма
Люмен

23. В6f-комплекс: два такта работы Q-цикла. Как в митохондриях…

24. Схема строения белков b6f-комплекса

Содержит 4 больших белка (18–32 kDa) – цитохром b6, цитохром f (на самом деле цит.с)
железо-серный белок Риске, субъединица IV. Кроме того, еще 4 маленьких белочка.
Любопытно, но там еще нашли и хлорофилл а и β-каротин. Зачем они там – неясно…

25. В6f-комплекс и структура цитохрома f и FeS-белка Риске

Цитохромы-b6 –
фиолетовые ленточки,
Субъединицы IV - серые,
Белк Риске - оранжевые
Цитохромы f - темносиние
Малые субъединицы
(PetG, PetL, PetM и PetN)
- светло-розовые.
Гемы bH, bL f - красные
Дополнительный гем темно-красный.
β - каротин - оранжевый,
Хлорофилл - темнозеленый (центральный
ион магния – желтый
шарик),
Железо-серные кластеры
-красные и зеленые
шарики.
Дополнительные гемы в
Q цикле не работают…

26. В6f-комплекс и структура цитохрома f и FeS-белка Риске

27. Подвижные переносчики е- фотосинтетической ЭТЦ

Пластохиноны (PQ) Eo’ ~ 0v
min 9 видов (А, В, С..)
Eo’ от -0,05 до +0,12v
Пластоцианин (Pc), Eo’ +0,37v
небольшой (10,5 kDa, 104 а-к)
Cu-содержащий подвижный
белок – аналог цит.С
Принимает е- Tyr-83, затем
Cu+, отдает - Hys-87
Ферредоксины (Fd) Eo’ –0,43v
небольшие (6-12 kDa), 2Fe2S,
(бакт. Fd – 4Fe4S)
Модель пластоцианина
У некоторых водорослей и цианобактерий
при недостатке меди в среде пластоцианин
не образуется, вместо него синтезируется и
выпольняет его функции цитохром с-553…

28. Два типа реакционных центров: феофитин-хиноновый и железо-серный

Ну очень положительный потенциал…

29. Расположение кофакторов в различных реакционных центрах

30. Структура RC фотосистемы I

13 белков:
А – 83 kDa, 751 a-к
В - 82,5 kDa, 735 a-к
Гетеродимер, на нем:
Р700, А0, А1, Fx
С – 8,9 kDa, - FA, FB
D (19 kDa),
E – связь с Fd
FX
A1
AO
F (19 kDa) - связь с Pc
A1
AO

31. Структура фотосистемы I в «реальном виде»

В отличие от бактериального РЦ, в ФСI скорее всего работают обе
ветви транспорта электронов

32. Структура реакционного центра пурпурных бактерий (прообраз ФСII)

33. Схема RC фотосистемы II

25 белков:
D1 - 32 kDa,
D2 - 33 kDa,
Гетеродимер, на нем:
Р680, Ph, ChlZ, QA, QB
F (4 kDa),
E (8 kDa) – сyt b559
O (33 kDa), P (24 kDa),
Q (18 kDa) все три формируют
водоокисляющий
комплекс - OEC

34. Структура фотосистемы II в «реальном виде».

35. Структура белка D1 RC фотосистемы II

36. Кинетика работы водоокисляющей системы

37. Марганцевый кластер системы фотоокисления воды

Тирозин-161
Гистидин-190
HCO3-?
Глут.к-та-189
Только один из ионов марганца, а
именно Mn4, связывает молекулу воды
в качестве субстрата и забирают от нее
электроны. Предполагается, что
непосредственно перед формированием
O=O связи, Mn4 переходит в состояние
Мn+5. В этом случае O=O связь может
быть образована за счет нуклеофильной
атаки на электрон-дефицитный
комплекс Мn+5=O второй молекулой
воды, которая связана с с близлежащим
ионом кальция.

38. Не все так просто и не все так ясно в системе водоокисления…

В организации
системы, повидимому,
участвует не
только D1 белок,
но и D2 и CP43..
W – молекулы
воды
Х1 Х21 Х22 –
участки
связывания
молекул воды

39. Организация фотосинтетического аппарата, «реальная картинка».

Белковые комплексы фотосистем существенно больше,
чем их реакционные центры. Почему?

40. Антенны. Фикобилисомы: светособирающий комплекс цианобактерий и красных водорослей

После поглощения hν
РЦ «закрывается на
фотохимию» - и
надолго.
Для эффективной
работы РЦ после
его «открытия» он
должен сразу получить
следующий квант.
Квантами РЦ
снабжают антенны:
пигменты
(хлорофиллы,
каротиноиды),
расположенные на
специальных белках.
PE - фикоэритрины (красные, поглощают от 498 до 568 нм)
PC - фикоцианины (сине-голубые,
от 565 до 630 нм)
AP - аллофикоцианины (синие
от 585 до 650 нм)

41. Фикобилипротеиды. По набору пигментов в антенных комплексах, можно заключить что симбиоз фототрофов происходил неоднократно..

42. Светособирающие комплексы различных организмов

А – хлоросома зеленых серных
бактерий (Chlorobium)
ССК расположен на
цитоплазматической стороне
мембраны, содержит более 10000 м-л
бхл-ла с (В750) связанного с белками,
окружен мембраной. В основании –
белки с бхл-ми а (В790). В мембране
– интегральный ССК с бхл-ми а
(B804) и РЦ с бхл-ми а (пара P840)
B – фикобилисома цианобактерий
и красных водорослей
(Rhodophyta)
~ 400 фикобилисом на мкм2
C – антенны пурпурных бактерий
Встроены в цитоплазматическую
мембрану. LH1 кольцом окружает РЦ,
содержит каротиноиды и 32 молекулы
бхл а. К LH1 у ряда видов
присоединены 8-10 LH2 с 27 мол-ми
бхл а, расположенных в два слоя.
Т.о. РЦ обслуживают 250 – 300 бхл а.
D – антенны высших растений.

43. Каротиноиды: каротины и ксантофиллы – тетратерпены (С40) Различия по концевым группам, содержанию кислорода, изомерии, числу двойных связей

Каротиноиды: каротины и ксантофиллы – тетратерпены (С40)
Различия по концевым группам, содержанию кислорода, изомерии, числу двойных связей.

44. Каротиноиды. Максимумы поглощения, расположение в мембране.

Гидроксил придает гидрофильные
свойства «концевым» циклам..

45. Развлечения господ инженеров. Генных…

Колонии E.coli, экспрессирующие гены
биосинтеза соответствующих каротиноидов.
3
5
7
9
11
11
11

46. Хлорофилл-белковые комплексы ФСI и ФСII

Одна «фотосинтетическая единица» - т.е. одна ЭТЦ (от ФСII до ФСI) «обслуживается»
порядка 500 молекулами пигментов - хлорофиллы a и b, каротиноиды.

47. Схема структуры фотосистемы II с антенными комплексами.

D1
D2
А
в
D
Car
Car
z

48. Расположение хромофоров в фотосистеме II

Вид со стороны стромы
RC:
фиолетовые –хл-лы
розовый – Phe
Антенны:
Хл-лы с 9 по 21 – СР43
Хл-лы с 22 по 37 – СР47
Зеленые и желтый –
передают hν на RC,
голубые - нет
Красный –
длинноволновый хл-л
СР47, связанный
с His-114
Вид сбоку
(строма сверху)

49. Структурная модель ФС II на основе данных кристаллографии

Желто-оранжевые спирали –
гетеродимер D1 – D2.
Красные спирали – белки 47 и 43
kDa антенного комплекса ФС II.
Зеленая спираль – белок cyt. b559.
Голубые и серые спирали –
минорные белки.
Зеленая лента – белок 33 kDa
водоокисляющей системы.
Справа – электронная плотность
марганцевого кластера и вероятное
расположение атомов Mn

50. Светособирающий комплекс LHC II (Lhcb 1&2) : мономер и тример

Светособирающий комплекс LHC II (Lhcb 1&2) : мономер и тример
Каждый белок содержит 7 молекул хлорофилла a, 5 молекул хлорофилла b
и 2 молекулы лютеина. Молекулы хлорофилла b находятся на периферии
белка, хлорофилла a – в центре белка. Расстояние между хлорофиллами –
0,5 – 3 нм.

51. Структура фотосистемы II цианобактерий, вид «сбоку» и «сверху»

52. Структура «суперкомплекса» фотосистем II c ССК, вид со стороны люмена и «сбоку»

53. Фотосистема I со своими светособирающими комплексами (Lhca1 - Lhca4

54. Фотосистема I скорее всего существует в виде тримера

55. Светособирающие комплексы фотосистем I и II

56. LHC II - подвижный светособирающий комплекс

57. Гетерогенная организация тилакиодный структур

58. Гетерогенная организация тилакиодных структур

59. Гетерогенная организация тилакиодный структур

60. Гетерогенность расположения компонентов ФСА в тилакоидах

61.

Hosta
‘Piedmont Gold’
Hosta
‘Golden Haze’
Hosta sieboldiana
‘Elegans’

62. Механизмы регулирования и защиты ФСII от фотодеструкции

• нециклический поток, регулирование мобильными
антеннами;
• циклические потоки вокруг каждой фотосистемы;
• псевдоциклический транспорт электронов
• Хлоропластное дыхание - ?
• виолоксантиновый цикл
• «тушение» триплетного состояния хлорофилла
каротиноидами
• «обезвреживание» активных форм кислорода
каротиноидами
• каротиноиды «на заклание»
• замена D1-белка

63. LHC II - подвижный светособирающий комплекс

64. Варианты работы ЭТЦ фотосинтеза

мономерный хла
филохинон (вит.К)
Варианты:
Циклические потоки
вокруг каждой из
фотосистем,
Псевдоциклический
транспорт
электронов,
Хлоропластное
дыхание

65. Циклический транспорт электронов вокруг фотосистемы I и хлоропластное дыхание

НАД(Ф)Н
Дегидерогеназа
АО
еО2 →Н2О
В мембранах
тилакоидов
обнаружена
НАД(Ф)дегидрогеназа
и оксидаза,
гомологичная
АО митохондрий.
Сброс энергии
или атавизм?

66. Циклическиe потоки электронов вокруг фотосистемы II

67. Функции каротиноидов

1. Антенны (400 – 500 нм)
2. Структурная (организация ССК)
3. Фотопротекторная (виолоксантиновый цикл)
4. Защита от УФ и высоких интенсивностей света
a/
hν
RH
1Р
PРЦ
3car
R˚
carо
3Р
1car
3O
2
P + 1O2
3car
b/
RН
car
car + P+680
1car
car+ + P680 («жертвенная»)

68. Каротиноиды в хлоропластах

1. Разные состояния: мономерная или агрегированная форма, связь с белками.
2. Изомеры: транс – в антеннах, цис – в РЦ. При этом в РЦ – β-каротины, в
ССК – ксантофиллы.
Ядро ФС I высших растений содержит 14 молекул β-каротина,
2 из них в РЦ, 12 – во внутренней антенне.
Ядро ФС II: на D1 и D2 белках расположены симметрично 2 молекулы
βкаротина. На D1 – все-транс форма, на D2 – 15-цис форма. Внутренняя
антенна (СР43 и СР47) – 2-3 молекулы β-каротина и несколько молекул
лютеина. ССК (СР24, СР26, СР29) – в каждом 1 -2 молекулы лютеина, а также
молекулы неоксантина, зеаксантина, антероксантина и виолоксантина.
Антенная функция – все-транс форма.
Защитные функции - все-транс форма β-каротина на D1 белке –
альтернативный донор е- для Р680 при низких tо и нарушении работы OEC.
15-цис форма на D2 – тушение триплета Р680 за счет изомеризации во всетранс-форму.

69. Виолоксантиновый цикл –основа NPQ («нефотохимического тушения»)

Энергия S1 ниже
S1 хлорофилла
V
Chl Z
Энергия S1 выше
S1 хлорофилла
Основные игроки при этом - скорее всего белки ССК 26 и 29 kDa, имеющие
зеаксантин, и белок psbZ

70. Фотозащита. «Переключение» виолоксантиновой системы.

V - виолоксантин
Z - зеаксантин
Виолоксантин-деэпоксидаза, 43 kDa, тример, рН 7 – неактивна, рН 5 – активна. Т.к. она
находится со стороны люмена, то может «обслуживать» только одно кольцо виолаксантина.
Для изменения двух сторон каротиноидов нужен их поворот – флип-флоп, что редко. Этому
способствует MGDG – моногалактозил-диглицериды. При повышении их доли в мембране с
5% до 30% реакция эпоксидации увеличивается с 0 о 100%. Они формируют
гексагональные кластеры в мембране.

71. D1 белок – «камикадзе» растительной клетки

Интенсивность синтеза D1 белка - 50% от всех синтезируемых
в хлоропласте белков, тогда как его доля – 0,1% от белков хлоропласта
• Разборка ФС II: уходят белки OEC, снимаются
атомы Mn, отсоединяются CP43, CP47
• Удаление «испорченного» белка:
«отгрызаются» выступающие из мембраны
участки D1 белка (работает специальная
протеаза degP2), специальный белок
«выталкивает» его останки из мембраны
• Синтез нового D1 белка: синтез идет в
ламеллах, процессинг (удаляется N-концевой
метионин, оставшийся треонин ацетилируется,
этот треонин может обратимо
фосфориллироваться).
• Миграция D1 белка в граны: белок
пальмитинируется и в таком виде мигрирует в
граны.
• Обратная сборка ФС II
Время «полужизни» D1 белка – 30 минут

72. Темновая фаза фотосинтеза – образование «основных фондов» из НАДФН и АТФ

73. Восстановительный пентозо-фосфатный цикл (ВПЦ)