Fotofosforylace je proces syntézy ATP z ADP pomocí světelné energie . Stejně jako u oxidativní fosforylace je světelná energie vynakládána při vytváření protonového gradientu přes thylakoid nebo bakteriální buněčnou membránu , kterou pak využívá ATP syntáza . Fotofosforylace je velmi stará forma fotosyntézy , která se nachází ve všech fototrofních eukaryotech , bakteriích a archeích . Existují dva typy fosforylace - cyklická , spojená s cyklickým tokem elektronů v elektronovém transportním řetězci, a acyklická , spojená s přímým tokem elektronů z H 2 O do NADP + v případě eukaryot nebo jiného donoru elektronů v případě bakterií , například H2S . Jako druh necyklického typu je izolována pseudocyklická fotofosforylace, ve které kyslík slouží jako akceptor elektronů .
H2O _ _ | → | Fotosystém II | → | QH 2 | → | Cit. b 6 f | → | PC | → | Fotosystém I | → | NADPH |
Necyklickou fotofosforylaci objevil v roce 1957 D. Arnon . Ve skutečnosti jde o normální průběh světelných reakcí fotosyntézy, kdy elektron z vody prochází řetězcem membránových a proteinových nosičů na NADP + . Necyklický typ fotofosforylace probíhající během kyslíkové fotosyntézy je evolučně pozdější proces, který vyžaduje společné působení dvou fotosystémů. Energie světla absorbovaného dvěma fotosystémy se vynakládá na oddělení elektronů z vody ( fotosystém II , PSII) a poté ( fotosystém I , PSII) ke zvýšení jeho energie do bodu, kdy je schopno redukovat ferredoxin a NADP + . V průběhu tohoto procesu je energie elektronu, který přijme z absorpce fotonů, částečně vynaložena na čerpání protonů a vytváření protonového gradientu v důsledku činnosti dvou protonových pump : komplexu cytochromu b 6 f a částečně fotosystém II. V důsledku toho se energie ukládá nejen v makroergických vazbách ATP, ale je také vynakládána na vytvoření chemického potenciálu redukčních ekvivalentů [1] .
Fyziologický význam necyklické fotofosforylace je určen jejím hlavním příspěvkem k energii buňky . Je nejen hlavním zdrojem energie pro všechny reakce probíhající v buňce, ale dodává také velmi důležité metabolity , především vysoce redukovaný ferredoxin a NADPH, nezbytné pro fixaci CO 2 v uhlíkových cyklech a fungování řady regulačních systémů ( ferredoxin -thioredoxinový regulační systém ) [1] .
NADPH / Ferredoxin | → | FNR | → | QH 2 | → | Cit. b 6 f | → | PC | → | Fotosystém I | → | NADPH |
Cyklická fotofosforylace je jedním z nejstarších procesů pro ukládání energie ve formě ATP. V tomto režimu fotofosforylace se elektron pohybuje po cyklickém elektronovém transportním řetězci spojeném s fotosystémem I. V tomto případě elektron obíhá po uzavřené dráze a veškerá energie se vynakládá pouze na syntézu ATP [2] .
Při cyklické fotofosforylaci se elektron přenesený z fotosystému I do NADPH a poté přenesený z NADPH na ferredoxin nějak přesune z redukovaného ferredoxinu do plastochinonového poolu . Přesný mechanismus tohoto procesu není znám. Předpokládá se, že tuto reakci provádí speciální enzym - ferredoxin-plastochinon oxidoreduktáza . Poté z plastochinonu přes komplex cytochromu b 6f a plastocyanin elektron opět vstoupí do fotosystému I. V tomto případě jsou protony pumpovány do thylakoidní dutiny ; když se protony vracejí z lumen zpět do stromatu chloroplastu , procházejí speciálním kanálem uvnitř ATP syntázy , která je doprovázena syntézou ATP. Jako nejpravděpodobnější kandidát na roli ferredoxin-plastochinon oxidoreduktázy byla nedávno zvažována ferredoxin-NADP + -reduktáza , která může tvořit komplex s komplexem cytochromu b 6 f . Předpokládá se, že dokáže přenášet elektrony z ferredoxinu přímo na plastochinon spojený s komplexem cytochromu b 6 f prostřednictvím speciálního hemu c n [3] [4] . Velké množství důkazů také podporuje vznik superkomplexu komplexu cytochromu b 6 f , fotosystému I, ferredoxin-NADP + reduktázy a transmembránového proteinu PGRL1. Předpokládá se, že vznik a rozpad takového komplexu přepíná způsob toku elektronů z necyklického na cyklický a naopak [5] [6] .
Dalším enzymem, který může být zapojen do tohoto procesu, je NADH dehydrogenázový komplex chloroplastů , podobný NADH dehydrogenázovému komplexu mitochondrií a homologní s bakteriálním komplexem I [7] [8] . Oxiduje ferredoxin a předává elektrony plastochinonu, čímž zabraňuje oxidačnímu stresu . Komplex NADH dehydrogenázy chloroplastů tvoří superkomplex s minimálně dvěma PSI pomocí proteinů Lhca5 a Lhca6 [9] . Protonový gradient vzniklý jako výsledek cyklické fotofosforylace na thylakoidní membráně je využíván nosnými proteiny k vkládání proteinů pocházejících ze stromatu do membrány [10] [11] .
Cyklická fotofosforylace hraje důležitou roli v různých metabolických procesech v buňce. Slouží jako zdroj dodatečného přísunu ATP pro redukci CO 2 v Calvinově cyklu a asimilaci NH 4 + iontů , které vyžadují vysoký poměr ATP / NADPH, a také jako zdroj energie pro anabolické procesy. Ve skupině C4 rostlin , v buňkách výstelky vodivého svazku , je cyklická fotofosforylace jediným zdrojem ATP. Studie také prokázaly zvýšení aktivity cyklické fotofosforylace a její ochrannou roli za stresových podmínek ( tepelný a solný stres, fotoinhibice ) [2] .
Při velmi aktivní redukci zásoby ferredoxinu dochází k přenosu elektronů z ferredoxinu na O 2 za vzniku H 2 O (tzv. Mehlerova reakce ). Je podobný cyklickému transportu v tom, že během tohoto procesu není syntetizován NADPH , ale pouze ATP. Za podmínek Mehlerovy reakce je však poměr ATP/ADP velmi vysoký, takže dostupné množství ADP je nedostatečné pro syntézu ATP a v důsledku toho se přes tylakoidní membránu vytváří velmi vysoký protonový gradient. Výsledkem reakce je vznik superoxidového aniontového radikálu O 2 - · , který se působením enzymu superoxiddismutázy přemění na O 2 a H 2 O 2 a působením enzymu askorbátperoxidázy se peroxid přemění na vodu. [12] .
Dalším enzymem zapojeným do pseudocyklického transportu je chloroplastová terminální oxidáza , homologní s alternativní rostlinnou mitochondriální oxidázou. Oxiduje plastochinonový bazén kyslíkem, tvoří vodu a odvádí energii ve formě tepla [13] .
Fotosyntetické bakterie jsou schopné fotofosforylace (cyklické i necyklické), ale mají pouze jedno fotosyntetické reakční centrum , podobné strukturou fotosystému I nebo II vyšších rostlin. Protože takové bakterie nemohou využívat vodu jako nevyčerpatelný zdroj elektronů, při bakteriální fotosyntéze se neuvolňuje žádný kyslík a taková fotosyntéza je anoxygenní . Necyklické fotofosforylační bakterie využívají sirovodík nebo jiné sloučeniny síry jako donory redukčních ekvivalentů (tj. elektronů nebo atomů vodíku). Výjimkou jsou sinice , které mají dva fotosystémy a jsou schopny provádět kyslíkovou fotosyntézu jako řasy a vyšší rostliny .
Fialové bakterie využívají jeden fotosystém, který je svou strukturou podobný rostlině a sinici PSII , ale místo chlorofylu nese bakteriochlorofyly a bakteriofeofytin slouží jako primární akceptor elektronů .
cit. od 2 | → | Fotosystém P 680 | → | QH 2 | → | Cit. před naším letopočtem | → | cit. od 2 |
Jediným typem fotofosforylace dostupným těmto bakteriím je cyklická fotofosforylace. Excitovaný elektron z hlavního pigmentu P 680 jde do bakteriofeofytinu a odtud do membránového nosiče - chinonu , který vstupuje do bakteriálního komplexu cytochromu bc 1 . Odtud elektron vstupuje do rozpustného nosiče - cytochromu c 2 , který jej opět vrací do reakčního centra . Díky práci membránových komplexů se generuje protonový gradient a může dojít k syntéze ATP, ale k syntéze redukujícího ekvivalentu NADH nedochází . K jejich syntéze je nutné použít buď molekulární vodík , nebo sirovodík, který dokáže přímo redukovat NAD + . Ke stejným účelům se často využívá oxidace organických látek přítomných v prostředí [14] . Reverzní přenos elektronů na ferredoxin je navíc možný při spotřebě ATP, který pochází z hladiny proteinu FeS komplexu cytochromu bc 1 [14] .
Zelené sirné bakterie se dělí na sirné a nesirné zelené bakterie . Používají reakční centrum podobné rostlinnému PSI, ve kterém je primárním akceptorem elektronů bakteriochlorofyl. Vyznačují se následujícím schématem fotosyntézy:
H 2 S, S 0 , S 2 O 3 2- | → | Fotosystém P 840 | → | ferredoxin | → | NADPH |
ferredoxin | → | menachinon | → | Cit. před naším letopočtem | → | cytochrom c 553 | → | Fotosystém P 840 | → | ferredoxin |
Z diagramu je vidět, že redukční ekvivalenty lze syntetizovat jednoduchým necyklickým přenosem z ferredoxinu, pokud jsou v systému externí donory elektronů (H 2 S, S 0 , S 2 O 3 2- atd.). Elektrony vstupují do okruhu redukcí menachinonu nebo cytochromu c 553 . Necyklický tok elektronů však nepřispívá k syntéze ATP, protože reakční centrum typu fotosystému I nečerpá protony. Zelené sirné bakterie mají tedy pouze cyklickou fotofosforylaci, která zahrnuje komplex cytochromu bc 1 . Je zajímavé, že cyklická fotofosforylace těchto organismů je svým schématem velmi podobná schématu vyšších rostlin a zahrnuje přenos elektronu z ferredoxinu na membránový nosič menachinon. Výše uvedený schematický diagram fotosyntézy je typický pro další skupinu fototrofních organismů - heliobakterie [14] . Na rozdíl od zelených sirných bakterií využívají heliobakterie jako donor elektronů pouze organické látky (například pyruvát ) [15] .
Speciálním případem fotofosforylace je fotofosforylace haloarchaea , které vytvářejí protonový gradient na základě světelné energie bez použití typických fotosystémů nebo řetězců transportu elektronů. Místo toho je v jejich membránách přítomen speciální protein - bakteriorhodopsin , který jako kofaktor nese kovalentně vázanou sítnici . Po absorpci fotonu se sítnice změní z trans na 13 - cis formu. Přitom se ohýbá a přenáší proton z jednoho konce proteinu na druhý. Dále se sítnice uvolní a vrátí do své výchozí polohy, ale bez protonu [16] .
Slovníky a encyklopedie |
---|