Введение

Биохимический процесс фотосинтеза
В процессе фотосинтеза фосфорилирование АДФ с образованием АТФ с использованием энергии солнечного света называется фотофосфорилированием. Циклическое фотофосфорилирование происходит как в аэробных, так и в анаэробных условиях и обеспечивается основным первичным источником энергии, доступным живым организмам – солнечным светом. Все организмы производят фосфатное соединение, АТФ, которое является универсальной энергетической валютой жизни. При фотофосфорилировании световая энергия используется для перекачки протонов через биологическую мембрану, что опосредуется потоком электронов по цепи электронного транспорта. Это запасает энергию в протонном градиенте. При обратном движении протонов через фермент, называемый АТФ-синтазой, происходит образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата. АТФ необходим в цикле Кальвина для участия в синтезе углеводов из углекислого газа и НАДФ.

АТФ и реакции

Как структура АТФ-синтазы, так и ген, лежащий в ее основе, удивительно похожи во всех известных формах жизни. АТФ-синтаза приводится в действие трансмембранным электрохимическим градиентом потенциала, обычно в форме протонового градиента. Во всех живых организмах серия окислительно-восстановительных реакций используется для создания трансмембранного электрохимического градиента потенциала, или так называемой протонной движущей силы (ПДC). Окислительно-восстановительные реакции – это химические реакции, в которых электроны передаются от молекулы-донора к молекуле-акцептору. Основная сила, движущая эти реакции, – это свободная энергия Гиббса реагентов относительно продуктов. Если донор и акцептор (реагенты) обладают большей свободной энергией, чем продукты реакции, перенос электронов может происходить спонтанно. Свободная энергия Гиббса – это энергия, доступная ("свободная") для совершения работы. Любая реакция, уменьшающая общую свободную энергию Гиббса системы, будет протекать спонтанно (при условии, что система изобарическая и поддерживается постоянная температура), хотя реакция может протекать медленно, если она кинетически заторможена. Тот факт, что реакция термодинамически возможна, не означает, что она обязательно произойдет. Смесь газообразного водорода и кислорода не воспламеняется самопроизвольно. Необходимо либо обеспечить энергию активации, либо снизить внутреннюю энергию активации системы, чтобы большинство биохимических реакций протекали с полезной скоростью. Живые системы используют сложные макромолекулярные структуры для снижения энергии активации биохимических реакций. Возможно соединить термодинамически благоприятную реакцию (переход из состояния с высокой энергией в состояние с низкой энергией) с термодинамически неблагоприятной реакцией (например, разделение зарядов или создание осмотического градиента) таким образом, чтобы общая свободная энергия системы уменьшалась (делая ее термодинамически возможной), одновременно совершая полезную работу. Принцип, согласно которому биологические макромолекулы катализируют термодинамически неблагоприятную реакцию только в том случае, если одновременно протекает термодинамически благоприятная реакция, лежит в основе всех известных форм жизни. Перенос электронов от молекулы-донора к молекуле-акцептору может быть пространственно разделен на серию промежуточных окислительно-восстановительных реакций. Это электрон-транспортная цепь (ЭТЦ). Электрон-транспортные цепи часто производят энергию в форме трансмембранного электрохимического градиента потенциала. Этот градиент может использоваться для транспортировки молекул через мембраны. Его энергия может быть использована для производства АТФ или для совершения полезной работы, например, механической работы вращающегося бактериального жгутика.

Циклическая фотофосфорилирование

Эта форма фотофосфорилирования происходит на стромальных ламеллах или фретовых каналах. При циклическом фотофосфорилировании высокоэнергетический электрон, высвобождаемый из P700 – пигмента в комплексе, называемом фотосистемой I, движется по циклическому пути. Электрон начинается в фотосистеме I, переходит от первичного акцептора электронов к ферредоксину, затем к пластохинону, далее к цитохромному bf-комплексу (аналогичному комплексу, обнаруженному в митохондриях), и, наконец, к пластоцианину, прежде чем вернуться в фотосистему I. Эта цепь переноса электронов создает протонный движущий градиент, перекачивая ионы H⁺ через мембрану и формируя градиент концентрации, который может быть использован для работы АТФ-синтазы во время химиосмоса. Этот путь известен как циклическое фотофосфорилирование, и он не производит ни O₂, ни NADPH. В отличие от нециклического фотофосфорилирования, NADP⁺ не принимает электроны; вместо этого они возвращаются в цитохромный bf-комплекс. В бактериальном фотосинтезе используется одна фотосистема, поэтому он протекает по циклическому фотофосфорилированию. Он преобладает в анаэробных условиях, при высокой освещенности и в точках компенсации по CO₂.

Ранняя история исследований

В 1950 году Отто Кандлер представил первые экспериментальные доказательства существования фотофосфорилирования in vivo, используя целые клетки хлореллы, и интерпретировал свои результаты как светозависимое образование АТФ. В 1954 году Даниэль И. Арнон и соавторы обнаружили фотофосфорилирование in vitro в изолированных хлоропластах с помощью P32. Его первый обзор ранних исследований фотофосфорилирования был опубликован в 1956 году.