Різниця між циклічним та нециклічним фотофосфорилюванням

Більшість органічних матеріалів, необхідних організмам, створюються з продуктів фотосинтезу. Фотосинтез передбачає перетворення світлової енергії в енергію, яку може використовувати клітина, особливо хімічна енергія. У рослин та водоростей фотосинтез відбувається в органелі під назвою хлоропласт, який містить зовнішню мембрану, внутрішню мембрану та тилакоїдну мембрану (https://en.wikipedia.org/wiki/Хлоропласт).

Фотосинтез можна розділити на дві основні частини: (1) фотосинтетичні реакції перенесення електронів ("світлові реакції") та (2) реакції фіксації вуглецю ("темні реакції"). "Світлові реакції" включають енергію, що енергіює сонячне світло, у фотосинтетичному пігменті хлорофілі, який потім рухається по ланцюгу транспорту електронів у тилакоїдної мембрані, внаслідок чого утворюється АТФ і НАДФ. "Темні реакції" передбачають отримання органічних сполук із СО2 з використанням АТФ та НАДФН, що утворюються в результаті "світлих реакцій", і далі в цій статті не піде мова..

Фотосинтез передбачає використання двох фотосистем (фотосистема I та фотосистема II) використовувати енергію світла, використовуючи електрони для отримання АТФ і НАДФН, які згодом можуть використовуватися клітиною як хімічна енергія для отримання органічних сполук. Фотосистеми - це великі білкові комплекси, які спеціалізуються на зборі світлової енергії та перетворенні її в хімічну енергію. Фотосистеми складаються з двох частин: антенного комплексу та центру фотохімічної реакції. Комплекс антен важливий у захопленні світлової енергії та передачі цієї енергії в центр фотохімічної реакції, який потім перетворює енергію у придатні форми для клітини.

По-перше, світло збуджує електрон у молекулі хлорофілу в комплексі антен. Це включає фотон світла, який змушує електрон рухатися до орбіталі вищої енергії. Коли в молекулі хлорофілу збуджується електрон, він нестабільний в орбіталі вищої енергії, і енергія швидко передається від однієї молекули хлорофілу до іншої за рахунок резонансного перенесення енергії, поки не досягне молекул хлорофілу в районі, відомому як центр фотохімічної реакції. Звідси збуджені електрони передаються до ланцюга акцепторів електронів. Енергія світла викликає перехід електронів від слабкого донора електронів (що має сильну спорідненість до електронів) до сильного донора електронів у скороченому вигляді (несучи високоенергетичний електрон). Конкретні донори електронів, що використовуються даним організмом або фотосистемою, можуть змінюватись, і далі буде обговорено фотосистеми I та II в рослинах.

У рослинах фотосинтез призводить до отримання АТФ та НАДФН за допомогою двоступеневого процесу, відомого як нециклічне фотофосфорилювання. Перший крок нециклічного фотофосфорилювання включає фотосистему II. Електрони високої енергії (викликані енергією світла) з молекул хлорофілу в реакційному центрі фотосистеми II переносяться на молекули хінону (сильні донори електронів). Фотосистема II використовує воду як слабкий донор електронів, щоб замінити дефіцит електронів, викликаний переносом високоенергетичних електронів з молекул хлорофілу в молекули хінону. Це здійснюється ферментом, що розщеплює воду, що дозволяє виводити електрони з молекул води, щоб замінити електрони, передані з молекули хлорофілу. Коли з двох молекул H2O (що відповідає 4 фотонам) видалено 4 електрона, O2 виділяється. Відновлені молекули хінону потім передають високоенергетичні електрони протонному (Н +) насосу, відомому як цитохром б6-f складний. Цитохром б6-f комплексні насоси Н + у тилакоїдний простір, створюючи градієнт концентрації по всій тилакоїдної мембрані.

Цей протонний градієнт потім керує синтезом АТФ ферментом синтази АТФ (також званий АТФазою F0F1). АТФ-синтаза забезпечує засіб для іонів Н + через тилакоїдну мембрану, зменшуючи їхній градієнт концентрації. Рух іонів Н + вниз по їх градієнту концентрації приводить до утворення АТФ з АДФ та Пі (неорганічного фосфату) синтазою АТФ. АТФ-синтаза міститься в бактеріях, археї, рослинах, водоростях та клітинах тварин і відіграє роль як у диханні, так і у фотосинтезі (https://en.wikipedia.org/wiki/ATP_synthase).

Остаточний перенос електронів фотосистеми II - це перенесення електронів до молекули хлорофілу з дефіцитом електронів у реакційному центрі фотосистеми I. Збуджений електрон (викликаний світловою енергією) з молекули хлорофілу в реакційному центрі фотосистеми I переноситься на молекула під назвою ферредоксин. Звідти електрон передається NADP + для створення NADPH.

Нециклічне фотофосфорилювання продукує 1 молекулу АТФ і 1 молекулу НАДФГ на пару електрон; однак для фіксації вуглецю потрібно 1,5 молекули АТФ на молекулу НАДФ. Для вирішення цього питання та отримання більшої кількості молекул АТФ деякі види рослин використовують процес, відомий як циклічне фотофосфорилювання. Циклічне фотофосфорилювання передбачає лише фотосистему I, а не фотосистему II і не утворює NADPH або O2. У циклічному фосфорилюванні високоенергетичні електрони з фотосистеми I переносяться на цитохром б6-f комплекс замість того, щоб переноситись на NADP +. Електрони втрачають енергію, проходячи через цитохром б6-f Комплекс назад до хлорофілу фотосистеми I і H + перекачується через тилакоїдну мембрану. Це збільшує концентрацію Н + у тилакоїдному просторі, що сприяє виробленню АТФ синтазою АТФ.

Рівень нециклічного порівняно з циклічним фотофосфорилюванням, що відбувається в даній фотосинтетичній клітині, регулюється виходячи з потреб клітини. Таким чином клітина може контролювати, скільки світлової енергії вона перетворює на зменшувану потужність (підживлюється НАДФН) і скільки перетворюється у фосфатні високоенергетичні зв’язки (АТФ).