Фотосинтез С3 и С4 растений механизмы и регуляция - Эдвардс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Происходящая в этих условиях сильная флуоресценция — недостаточно эффективный механизм снятия возбуждения и не защищает молекулу хлорофилла от фотоокисления; раствор в проходящем свете вскоре становится желтым в результате разрушения хлорофилла.
4.18. Фотохимические реакции и выделение 02
Помимо тепловой диссипации и флуоресценции существует еще один механизм снятия возбуждения— совершение полезной работы (фотохимическая реакция). In vivo интенсивность флуоресценции хлорофилла гораздо меньше, поскольку здесь возможности для протекания «полезного» фотохимического процесса значительно выше, чем в освещенном растворе. Соответственно в интактном листе хлорофилл гораздо меньше разрушается при длительном освещении, хотя может происходить и обесцвечивание, особенно если блокирован главный канал фотохимического пути (т. е. если в окружающей атмосфере отсутствует СОг).
В игого: 2HjO + 4 tiv + 4Fen - 4Н'| 0;i+4Fe2('
Рис. 4.12. Фотохимия реакции Хилла с феррицианидом в качестве акцептора. В центре диаграммы изображена молекула хлорофилла ФС II (Р 690), которая при поглощении фотона переходит на достаточно высокий энергетический уровень, чтобы восстановить акцептор Q до Q-. Этот процесс повторяется четыре раза, и в Y (Mn-содержащем расщепляющем воду белке) накапливаются четыре окислительных эквивалента. Эти эквиваленты используются одновременно при расщеплении двух молекул воды на Ог и 4Н+ и поступлении в цепь четырех электронов. Акцептор электронов Q передает их затем на другие переносчики Z-схсмы. In vivo эти электроны передаются на NADP+ и в конечном счете на СОг. В реакции Хилла С02 не восстанавливается, так как электрон передается искусственному акцептору, в данном случае феррициапиду. «Точка пересечения» определяется окислителыю-восстапо-вителышм потенциалом окислителя, и, как предполагает диаграмма, донором служит не обязательно Q~. Хотя эта схема очень упрощена, она показывает, как происходит накопление четырех окислительных эквивалентов в Y на каждую молекулу выделяющегося 02 (слева) и каким образом фотохимическое возбуждение приводит к подъему электронов выше барьера энергии активации (справа), препятствующего восстановлению молекулы искусственного или природного акцептора.
Чтобы между двумя стабильными молекулами произошла реакция, необходимо преодолеть энергетический барьер. Ясно, что для осуществления реакции молекулы должны столкнуться, и чем сильнее это столкновение, тем больше вероятность, что барьер будет преодолен и за столкновением последует реакция. Обычно химические реакции протекают быстрее при более высокой температуре, так как увеличивается скорость движения молекул и соответственно чаще и с большей силой происходят столкновения. Реакции протекают легче в присутствии катализаторов благодаря снижению барьера (уменьшения энергии активации) .
В некоторых фотохимических реакциях барьер не снижается, а преодолевается. Именно так происходит в случае реакций с участием хлорофилла. Как мы уже говорили (разд. 4.16), облучение хлорофилла как красным, так и сииим светом приводит
к переходу его в возбужденное состояние 1, попав в которое, электрон преодолевает тем самым энергетический барьер и может перейти к акцептчру электрона, или окислителю. При биологических температурах даже в присутствии соответствующего катализатора энергия активации остается слишком большой, чтобы электрон в иевозбужденном состоянии мог ее преодолеть.
Одним из примеров такого процесса служит реакция Хилла с феррицианидом в качестве окислителя (акцептора электронов). Вначале в результате возбуждения под действием света электроны в хлорофилле переходят из основного состояния в возбужденное (рис. 4.12, в центре). Для выделения одной молекулы кислорода необходимы две молекулы воды, выполняющие роль доноров:
2Н,0 ---vO, + 4H+ + 4e-. (4.1)
Четыре молекулы феррицианида (Fe3+) восстанавливаются до ферроцианида (Fe2+), принимая четыре электрона, и четыре иона водорода (№') выделяются в раствор. За реакцией Хилла можно следить, регистрируя повышение 'кислотности раствора, сопровождающее этот процесс.
Как видно из рис. 4.12, для каждого акта возбуждения хлорофилла требуется один фотон; электрон молекулы хлорофилла передается затем тушителю флуоресценции Q, при этом образуется одна молекула Хл+ (или Р 690+) и одна молекула Q-(разд. 4.9). Для выделения одной молекулы 02 окисляющий воду комплекс Y должен накопить четыре окислительных эквивалента. На рис. 4.12 последние представлены четырьмя ионами окисленного марганца (Мп3+), образующимися при отдаче четырех электронов четырьмя ионами Мп2+ при образовании четырех положительных дырок у Р 690 под действием света. В работе Жолио и Кока было показано, что у адаптированных к темноте водорослей или хлоропластов выделяется одна молекула 02 на каждый четвертый импульс света при насыщающих импульсах длительностью 1 мкс. [Б действительности первая молекула 02 выделяется после третьего импульса, последующие— после 7-го, 11-го, 15-го и т. д. В рамках схемы, представленной на рис. 4.12, это означает, что в темноте уже имеется один ион Мп3'1' и три иона Мп2+. Соответственно необходимы четыре импульса для образования четырех ионов Мп31-, которые принимают 4е~ от двух молекул Н20 с выделением одной молекулы 02.] Это также означает, что квантовый расход равен 4 (на Ог). На практике феррициаиид принимает электроны от ФС I, если используются интактные тилакоиды (с квантовым расходом 8), и от обеих фотосистем в случае поврежденных тилакоидов.
