Металлы в живых организмах - [33]

Пара электронов атома кислорода воды взаимодействует с атомом магния одной молекулы, а атомы водорода воды образуют водородные связи с группами >С=O и -СООН другой

В результате возникают очень большие агрегаты частиц хлорофилла (коллоидные частицы). Следовательно, именно особенности строения макроцикла хлорофилла (наличие пятого цикла) и определяют его способность образовывать крупные скопления — агрегаты — тесно связанных частиц.

Свет действует на агрегаты хлорофилл — вода — хлорофилл, вызывает отделение электрона от одной из частиц комплекса, вода обеспечивает разделение зарядов.

В самой общей форме работу фотосинтетического механизма можно представить следующим образом. Молекула хлорофилла помещается между молекулами, способными присоединять и отдавать электроны. Свет, действуя на хлорофилл, переводит его электроны на более высокие энергетические уровни — свет поглощается хлорофиллом. (Возбужденное состояние обозначено на схеме звездочкой над символом хлорофилла Chl*). Затем возбужденный электрон выбрасывается молекулой хлорофилла и переходит к веществу, которое способно его принять, — так называемому акцептору электронов, и почти одновременно хлорофилл получает электроны от другого вещества — донора электронов:

Работа фотосинтетического механизма

Здесь D — донор, А — акцептор электронов; hv — поглощаемый хлорофиллом квант света; Chl — хлорофилл.

Такие акты совершаются очень быстро: за одну секунду на солнечном свету происходит около 1500 вспышек. Между донором и акцептором поток электронов совершает круговой путь, расходуя свою энергию на разложение воды, образование АТФ и НАДФ*Н. Эта приближенная картина уточнялась в течение многих лет, но и поныне не все ее детали достаточно ясны.

В фотосинтетическом аппарате растений действуют две системы переносчиков и содержится хлорофилл двух видов, немного различающихся между собой. Свет с большей длиной волны (700 нм) действует на электроны хлорофилла типа а (система, обозначенная на рис. 22 цифрой I). Другая система (обозначенная цифрой II) содержит хлорофилл b и фикобилиновые пигменты. Она поглощает свет с меньшей длиной волны (680 нм). Именно в системе II разлагается вода и выделяется кислород. В каждой системе имеется по 200-250 молекул хлорофилла; только одна из них (в системе II), получая энергию фотона, передает электрон дальше — к веществу Q, остальной хлорофилл работает как светоулавливающее устройство.

Рассмотрим последовательность процессов фотосинтеза, представленных схемой на рисунке 22 и начнем с той части системы, которая обозначена цифрой II. В этой системе имеются группы молекул хлорофилла, на которые падает свет. В результате поглощения энергии света (квант hv) одна из молекул хлорофилла отдает богатый энергией (возбужденный) электрон веществу-переносчику, который обозначен на схеме буквой Q. Результатом потери электрона будет возникновение положительного заряда на молекуле хлорофилла (в системе II).

В результате поглощения энергии света (квант hv) одна из молекул хлорофилла отдает богатый энергией (возбужденный) электрон веществу-переносчику, который обозначен на схеме буквой Q

Для возвращения в исходное состояние молекула хлорофилла должна получить электрон. Установлено, что источником электронов является вода. Молекулы воды распадаются на ионы Н⁺ и ОН^-. Ионы ОН^- отдают свои электроны хлорофиллу, а сами превращаются в нейтральные группы — так называемые радикалы *ОН (каждый из которых содержит один неспаренный электрон). Эти радикалы взаимодействуют друг с другом с выделением кислорода. Считают, что в этих процессах важную роль играют ионы марганца.

Происходящие реакции можно схематически записать так:

Последовательность процессов фотосинтеза

Но вернемся к электронам, текущим от молекулы вещества Q. Эти электроны, теряя свою энергию, двигаются затем по целому ряду переносчиков, которые мы не будем подробно описывать, и попадают в другую часть хлорофильной системы, обозначенной цифрой I. Важнейшим итогом их путешествия по этим переносчикам (до системы I) является образование АТФ, т. е. вещества, богатого энергией.

Заметим, что символом Р700 обозначена на схеме особая молекула хлорофилла, выбрасывающая возбужденные электроны. Среди переносчиков имеются соединения железа — железосерусодержащие и медьсодержащие белки (обозначенные на схеме FeS, Z), а также соединения хиноидной структуры (например, Q и пластохиноны).

В хлорофилльной системе I электроны снова возбуждаются светом и, следовательно, переходят на более высокий энергетический уровень. Их поток через переносчик Z (FeS-белок) и ферредоксин переходит к НАДФ⁺ и при участии ионов Н⁺ превращает кофермент в восстановленную форму:

В хлорофилльной системе I электроны снова возбуждаются светом и, следовательно, переходят на более высокий энергетический уровень

В конце концов часть электронов может вернуться на путь, ведущий от переносчика Q к системе I, осуществив тем самым круговое движение электронов.

Итогом всей этой работы электронов, возбужденных светом, является, во-первых, образование АТФ, а во-вторых — получение НАДФ*Н за счет водорода воды. Оба соединения — и АТФ, и НАДФ*Н — необходимы для дальнейшей химической работы по созданию молекул углеводов. Назовем только основные этапы этих сложных реакций.