Условно в фотосинтезе выделяют две стадии: световую (фотохимическую) и темновую (химическую). В ходе световой стадии происходит поглощение света молекулами хлорофилла а с участием дополнительных пигментов (хлорофилла b, каротиноидов) и трансформация световой энергии в химическую энергию аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и восстановленного никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ·Н). Все эти процессы протекают в тилакоидах хлоропластов. Мембраны тилакоидов содержат основные компоненты фотосинтетического аппарата растений – светособирающие пигмент-белковые и электрон-транспортные комплексы, а также АТФ-синтетазный комплекс, который катализирует образование АТФ из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата.
Поглощение света и передача энергии возбуждения
Преобразование световой энергии в химическую энергию продуктов фотосинтеза происходит последовательно. Первая стадия (фотофизическая), 10–15–10–9 с, заключается в поглощении света молекулами пигмента и в миграции поглощенной энергии к молекулам пигмента в составе реакционных центров. В реакционных центрах происходит фотохимическая стадия, в результате которой энергия запасается в форме восстановленных первичных акцепторов электрона (10–8–10–4с). Химический потенциал восстановленных первичных акцепторов расходуется на образование АТФ и НАДФН+Н, которые считаются основными продуктами световых реакций. Энергия продуктов световых реакций используется в темновой (физиологической) фазе фотосинтеза на синтез органических соединений и регенерацию акцептора углекислого газа.
В фотофизических реакциях передачи энергии между пигментами и в фотохимических реакциях передачи электронов принимают участие возбужденные молекулы пигментов. При возбуждении происходит переход электронов на более высокий энергетический уровень. У хлорофиллов, фикобилинов и каротиноидов при поглощении кванта света в возбужденное состояние переходят π-электроны, участвующие в образовании двойной связи.
Особенно легко возбуждаются π-электроны сопряженных двойных связей. В этом случае можно говорить о делокализации π-электронов. Система сопряженных двойных связей при поглощении кванта света образует резонатор, способный обмениваться энергией с другими резонаторами (молекулами пигмента).
Возбужденное состояние электронов и пути дезактивации
Основное невозбужденное состояние π-электронов в молекуле хлорофилла – синглетное. Возбужденное состояние S*2 достигается при поглощении квантов синего света, состояние S*1 – при поглощении квантов красного света. Переход S*2 → S*1 сопровождается выделениеи тепла. Переход S*1 → S*0 сопровождается выделением тепла и испусканием кванта света флюоресценции в красной области спектра. Энергия S*1 может также расходоваться в фотохимической реакции восстановления акцептора электронов (либо на возбуждение другой молекулы пигмента). В растворе у молекулы хлорофилла возможен синглет-триплетный переход электрона S*1 → Т*1, а из Т*1 в S*0 (с испусканием тепла или кванта фосфоресценции).
Перенос энергии возбуждения между молекулами хлорофилла, а также между молекулами фикобилинов характеризуется высокой эффективностью и скоростью. Обсуждаются экситонный и индуктивно-резонансный механизмы передачи энергии возбуждения между пигментами. Экситонный перенос энергии, т. е. ненаправленный (блуждающий), происходит в системе идентичных молекул типа молекулярных кристаллов со скоростью 1012 с–1. По индуктивно-резонансному механизму Ферстера-Галанина скорость переноса сопоставима со скоростью излучательной дезактивации энергии возбуждения (109 с–1) и направлена от коротковолновых форм пигмента к длинноволновым формам.
Эффективность индуктивно-резонансной передачи энергии возбуждения пропорциональна интегралу перекрытия спектров поглощения и флюоресценции. Эффективность переноса энергии от хлорофилла в или с на хлорофилл а близка 100 %. В случае сложных молекул пигмента на эффективность передачи энергии возбуждения большое влияние оказывают расстояние и взаимная ориентация молекул. Эффективность переноса энергии от каротиноидов на хлорофилл не одинакова: от 50 % у β-каротина до 90 % у фукоксантина. Перенос энергии между фикобилинами достигает 80 %. При этом часть не использованной фикобилинами энергии возбуждения расходуется в безызлучательном и излучательном вариантах дезактивации энергии возбуждения. Хлорофилл-белковые комплексы позволяют повысить эффективность переноса энергии возбуждения.
Представление о фотосинтетической единице
По степени взаимодействия пигментов между собой и с реакционным центром в составе фотосистемы № 2 выделяют уни- и мультицентральные модели. Кроме того, возможен перенос энергии от коротковолновых форм хлорофилла фотосистемы № 2 к длинноволновым формам фотосистемы № 1 и от светособирающего хлорофилл а/в комплекса к хлорофилл-белковым комплексам обеих фотосистем. Распределение энергии между хлорофиллбелковыми комплексами изменяется в ходе световых онтогенетических адаптаций (длительная регуляция) и светозависимых структурных изменений хлоропластов (быстрая регуляция). В последнем случае в процесс регуляции вовлекаются процессы образования и расходования протонного градиента, транспорт ионов через мембраны тилакоидов, фосфорилирование и дефосфорилиование белков светособирающего комплекса.
Представления о существовании фотосинтетических единиц (ФСЕ) сформировались на основе работ Эмерсона и Арнольда (1932). Ими впервые было показано, что в выделении одной молекулы кислорода в процессе фотосинтеза участвуют от 2000 до 2500 молекул хлорофилла. Эта величина и получила название «фотосинтетическая единица». В экспериментах Эмерсона и Арнольда суспензию зеленой одноклеточной водоросли хлореллы освещали импульсным светом и сопоставляли количество выделившегося кислорода на одну вспышку и количество хлорофилла. Длина импульса составляла 10–5 с, а ее интенсивность была насыщающей.
В этих условиях фотосинтетическая единица могла прореагировать только один раз. В этих условиях число фотосинтетических единиц (ФСЕ) равно количеству выделившихся молекул кислорода. Разделив весь участвовавший в выделении кислорода хлорофилл на количество ФСЕ, авторы получили указанный выше размер ФСЕ. Действительный размер одной ФСЕ составляет 200-400 молекул хлорофилла, так как для выделения одной молекулы кислорода требуется не менее 8 квантов.