Кіріспе
Фотосинтездегі биохимиялық процесс. Фотосинтез процесінде, күн сәулесінің энергиясын пайдаланып АДФ-ты АТФ-қа айналдыру процесі фотофосфорилдеу деп аталады. Циклдік фотофосфорилдеу аэробты және анаэробты жағдайларда да жүреді, оны тірі организмдерге қолжетімді негізгі энергия көзі – күн сәулесі қамтамасыз етеді. Барлық организмдер АТФ деп аталатын фосфат қосылысын өндіреді, ол – өмірдің әмбебап энергия бірлігі. Фотофосфорилдеу кезінде жарық энергиясы электронды тасымалдау тізбегі арқылы электрондардың ағынымен биологиялық мембрана арқылы протонды соруға пайдаланылады. Бұл энергияны протондық градиент түрінде сақтайды. Протондар АТФ-синтетаза деп аталатын фермент арқылы кері ағып келе жатқанда АТФ, АДФ және бейорганикалық фосфаттан түзіледі. АТФ Кэльвин циклында көмірқышқыл газы мен НАДФ-тан көмірсуларды синтездеуге көмектеседі.
In the process of photosynthesis, the phosphorylation of ADP to form ATP using the energy of sunlight is called photophosphorylation. Cyclic photophosphorylation occurs in both aerobic and anaerobic conditions, driven by the main primary source of energy available to living organisms, which is sunlight. All organisms produce a phosphate compound, ATP, which is the universal energy currency of life. In photophosphorylation, light energy is used to pump protons across a biological membrane, mediated by flow of electrons through an electron transport chain. This stores energy in a proton gradient. As the protons flow back through an enzyme called ATP synthase, ATP is generated from ADP and inorganic phosphate. ATP is essential in the Calvin cycle to assist in the synthesis of carbohydrates from carbon dioxide and NADPH.
АТФ және реакциялар
АТФ синтетазасының құрылымы да, оның негізіндегі гендері де барлық белгілі тіршілік нысандарында өте ұқсас. АТФ синтетазасы трансмембраналық электрохимиялық потенциал градиентімен, әдетте протон градиенті түрінде қуаттанады. Барлық тірі организмдерде трансмембраналық электрохимиялық потенциал градиентін немесе протондық қозғаушы күш (ПМҚ) деп аталатын тоқсандық-тотығу реакцияларының тізбегі қолданылады. Тоқсандық-тотығу реакциялары – электрондардың донор молекуладан акцептор молекулаға ауысуымен жүзеге асырылатын химиялық реакциялар. Бұл реакцияларды қозғаушы негізгі күш – реакцияға қатысушы заттардың өнімдерге қатысты Гиббс еркін энергиясы болып табылады. Егер донор мен акцептор (реактанттар) реакция өнімдерінен жоғары еркін энергияға ие болса, электрондық ауысу спонтанды түрде жүруі мүмкін. Гиббс еркін энергиясы – жұмыс істеуге қолжетімді ("еркін") энергия. Жүйенің жалпы Гиббс еркін энергиясын төмендететін кез келген реакция спонтанды түрде өтеді (егер жүйе изобарикалық және тұрақты температурада болса), бірақ реакция кинетикалық түрде тежелген жағдайда баяу жүруі мүмкін. Реакцияның термодинамикалық тұрғыдан мүмкін болуы оның нақты орын алуын білдірмейді. Сутек пен оттегі газының қоспасы өздігінен тұтанбайды. Көптеген биохимиялық реакцияларды пайдалы жылдамдықпен жүргізу үшін жүйеге белсендіру энергиясын беру немесе жүйедегі ішкі белсендіру энергиясын төмендету қажет. Тірі жүйелер биохимиялық реакциялардың белсендіру энергиясын төмендету үшін күрделі макромолекулалық құрылымдарды пайдаланады. Термодинамикалық тұрғыдан қолайлы реакцияны (жоғары энергиялы күйден төмен энергиялы күйге өту) термодинамикалық тұрғыдан қолайсыз реакциямен (мысалы, зарядтардың бөлінуі немесе осмостық градиенттің құрылуы сияқты) біріктіруге болады, бұл жүйедегі жалпы еркін энергияның төмендеуіне (оның термодинамикалық тұрғыдан мүмкін болуына) және сонымен бірге пайдалы жұмыстың атқарылуына әкеледі. Термодинамикалық жағынан қолайлы реакция бір мезгілде орын алған жағдайда ғана термодинамикалық жағынан қолайсыз реакцияны биомакромолекулалар катализдейді деген принцип барлық белгілі тіршілік нысандарының негізінде жатыр. Донор молекуладан акцептор молекулаға электрондардың ауысуы аралық тоқсандық-тотығу реакцияларының тізбегіне бөлінуі мүмкін. Бұл электрондық тасымалдау тізбегі (ЭТТ). Электрондық тасымалдау тізбегі көбінесе трансмембраналық электрохимиялық потенциал градиенті түрінде энергия өндіреді. Бұл градиентті молекулаларды мембрана арқылы тасымалдау үшін пайдалануға болады. Оның энергиясы АТФ өндіруге немесе пайдалы жұмыс жасауға, мысалы, айналмалы бактериялық талшықтардың механикалық жұмысына жұмсалуы мүмкін.
Циклдік фотофосфорилирлеу
Фотофосфорилирлеудің бұл түрі строма ламелласында немесе фрет арналарында жүзеге асады. Циклдік фотофосфорилирлеу кезінде, фотожүйе I деп аталатын кешендегі пигмент P700-ден босатылған жоғары энергиялы электрон циклдық жолмен өтеді. Электрон фотожүйе I-ден басталып, алғашқы электрон қабылдағыштан ферредоксинге, содан кейін пластохинонға, митохондриядағыдай кешенге ұқсас цитохром bf-ке және соңында пластоцианинге жетіп, фотожүйе I-ге қайта оралады. Бұл тасымалдау тізбегі протондық қозғаушы күшті тудырады, H+ иондарын мембрана арқылы соғып, химиосмоз кезінде АТФ синтетазасын қозғалтуға қолданылатын концентрациялық градиентті жасайды. Бұл жол циклдік фотофосфорилирлеу деп аталады және ол O2 немесе NADPH өндірмейді. Циклдік емес фотофосфорилирлеуден айырмашылығы, NADP+ электронды қабылдамайды; олар керісінше цитохром bf кешеніне қайта жіберіледі. Бактериялық фотосинтезде бір фотожүйе қолданылады, демек ол циклдік фотофосфорилирлеуге қатысады. Бұл анаэробты жағдайларда, жоғары жарық интенсивтігінде және CO2 компенсациялық нүктелерінде жақсы дамиды.
Зерттеудің алғашқы тарихы
1950 жылы Отто Кандлер тұтас хлорелла жасушаларын қолданып, фотофосфорилирлеудің тірі организмде бар екенін алғашқы рет эксперименталды түрде дәлелдеді және оның нәтижелерін жарыққа тәуелді АТФ түзлуі ретінде түсіндірді. 1954 жылы Дэниел И. Арнон және авторлар тобы P32 көмегімен оқшауланған хлоропластарда in vitro фотофосфорилирлеуді ашты. Ол 1956 жылы фотофосфорилирлеудің алғашқы зерттеулеріне арналған алғашқы шолуын жариялады.