Диссертация (1105090), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Симпозиум: Оптика и биофотоника (Саратов,2015);- V экологической конференции для молодых ученых (Гейнсвилл, США,2016);- II международной молодежной школе-конференции по экологии и оптикеприбрежных вод (Калининград, 2016);- международном симпозиуме «Биодиагностика и оценка качества природнойсреды: подходы, методы, критерии и эталоны сравнения в экотоксикологии»(Москва, 2016).Основные результаты диссертации изложены в 9 публикациях, в том числе в5 статьях, индексируемых в базах данных Web of Science, Scopus, RSCI.Объем работы.Диссертация состоит из введения, 5 глав с изложением литературных данныхи собственного экспериментального материала и выводов.
Диссертация содержит97 страницы, включая 32 рисунка и 5 таблиц. Список литературы включает 98ссылок на работы отечественных и зарубежных авторов.9ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКДЛЯ МОНИТОРИНГА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА РАСТЕНИЙ(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)1.1.Современные представления о структурно-функциональнойорганизации фотосинтетического аппарата высших растений.Фотосинтез – процесс преобразования энергии света в энергию химическихсвязей органических соединений. Фотосинтез подразделяется на оксигенный(побочным продуктом является кислород), использующий воду в качестве донораэлектронов, и аноксигенный (без выделения кислорода), в котором доноромэлектронов обычно являются различные восстановленные формы серы. Коксигенным фотосинтетикам относятся высшие растения, водоросли и некоторыевиды бактерий.
Общее уравнение оксигенного фотосинтеза [1]:6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 ↑.Процесс фотосинтеза является многоступенчатым и подразделяется на двеосновные стадии: световую и темновую. Для световой стадии, включающей в себяпоглощение света, миграцию энергии, разделение зарядов, передачу электроновпо цепи электронного транспорта и конечный синтез НАДФН и АТФ,обязательным условием является освещение фотосинтезирующего объекта.Темновая стадия, при которой происходит поглощение CO2 и реакции циклаКальвина, может проходить как в условиях освещения, так и в полной темноте,однаконекоторыерегуляторныемеханизмытемновойстадииявляютсясветозависимыми [2].Дляосуществленияспециализированныефотосинтезаорганеллы—вклеткаххлоропласты.растенийОниприсутствуютимеютформудвояковыпуклой округлой линзы с диаметром от 3 до 10 мкм (рис.
1). Пообщепризнанной на сегодняшний день теории, они являются результатомсимбиогенеза цианобактерий и нефотосинтезирующих эукариотов. Хлоропласты10высшихрастенийокруженыдвумямембранами;внешняяизначальнопринадлежала нефотосинтезирующему эукариоту, а внутренняя – цианобактерии.Внутренняя мембрана представляет собой липидный бислой, в который включеныпигмент-белковыекомплексы,составляющиефотосинтетическийаппарат.Структуры, образованные внутренней мембраной, называются тилакоидами ипредставляют собой изогнутые липидные слои, собирающиеся в стопки (граны)или же существующие вне стопок и соединяющие граны между собой(межгранные тилакоиды).
В хлоропласте может содержаться от 10 до 100 гран.Пространство, ограниченное тилакоидной мембраной, называют люменом. Этоткомпартмент выполняет важную функцию в процессе генерации градиента рН намембране.Рис. 1. Строение хлоропласта.Схема перемещения электронов в фотосинтетическом аппарате (ФА) высшихрастений представлена на рис. 2. Основными функциональными частями ФАявляются две фотосистемы (ФС) со светособирающими антеннами, электроннотранспортная цепь (ЭТЦ) между ними, а также водорасщепляющий комплекс(ВРК), входящий в состав ФС2, и комплекс АТФ-синтазы. При улавливаниифотонов антеннами фотосистем происходит разделение зарядов в реакционныхцентрах (РЦ). Электрон из РЦ ФС1 используется для восстановления НАДФ+ доНАДФН, а электрон из РЦ ФС2 передается по ЭТЦ на окисленный РЦ ФС1.Восстановление ФС2 происходит за счет разложения воды в ВРК.11Фотосистемысостоятизреакционногоцентра,многокомпонентнойсветособирающей антенны и нескольких переносчиков белковой и небелковойприроды.
Светособирающая антенна поглощает падающие на нее кванты света ипередаетэнергиювозбуждениянареакционныйцентр,состоящийизфотохимически активного хлорофилла. Реакционный центр ФС2 содержит только6 молекул хлорофилла, в то время как антенных хлорофиллов, приходящихся наодин коровый димер, насчитывается от 130 до 250 [3]. Антенна ФС1, по даннымработы [4], состоит из 167 молекул хлорофиллов. Эта структурная особенностьобъясняет высокую эффективность первичных процессов фотосинтеза.Рис.
2. Схема первичных процессов фотосинтеза высших растений.Антенна ФС2 состоит из двух коровых хлорофилл-связывающих белковCP43 и CP47 и множества дополнительных периферических субъединиц, в составкоторых входят хлорофиллы а (Хл а), хлорофиллы b (Хл b) и несколько видовкаратиноидов (лютеин, неоксантин, виолаксантин, зеаксантин, β-каротин) [5].Одна из периферических антенн, называемая светособирающим комплексом 2(ССК2), способна перераспределять энергию возбуждения: отделяться от ФС2 и12мигрировать к ФС1, увеличивая светосбор ФС1. Реакционный центр ФС2представляет собой два белка D1 и D2 и связанную с ними специальную паруP680 – димер хлорофилла, способный под действием света передавать электронна молекулу феофетина и, становясь при этом сильным окислителем,индуцировать окисление воды. Комплексы фотосистемы 2 в основномрасполагаются в тилакоидах гран, что обеспечивает дополнительную защиту отактивных форм кислорода, образующихся при окислении воды [6].
В состав ФС2также входит водорасщепляющий комплекс, состоящий из марганец-содержащегокластера. Он включает в себя 4 атома марганца, валентность которых меняется входе окислительно-восстановительных реакций под действием света [4]:2Mn4+ + 2H2O → 2Mn2+ + 4H + + O2 .Фотосистема 1 имеет ряд отличий от фотосистемы 2. В частности, ее антеннапредставленапигментами,присоединенныминепосредственнокбелкамреакционного центра. Светособирающий комплекс 1, в отличие от ССК2, неспособен изменять свое положение и всегда связан с комплексом ФС1.Реакционный центр ФС1 представлен белками A и B, которые осуществляюттранспорт электронов от димера хлорофилла P700 по двум параллельным цепямпереносчиков, в то время как в ядре ФС2 активен только один путь.
Этаособенность делает транспорт электронов в ФС1 более быстрым, но менееуправляемым [2,4].Важной частью цепи электронного транспорта между фотосистемами 1 и 2является цитохром b6f. Этот белковый комплекс осуществляет окисление пулапластохинолов и восстановление пластоцианина. При переносе электрона от ФС2к ФС1 осуществляется сопряженный перенос протонов из стромы (внешнего поотношению к тилакоиду пространства) в люмен, что создает электрохимическийградиент протонов, используемый в дальнейшем для синтеза АТФ. Редокссостояниецитохромногокомплексаиграетважнуюрольврегуляциираспределения потока энергии между фотосистемами, определяя переход ССК2от ФС2 к ФС1 и обратно.13Вода, используемая оксигенными фотосинтетиками в качестве донораэлектронов, является очень слабым восстановителем.
С этим связана особенностьстроения фотосинтетического аппарата подобных организмов – наличие двухфотосистем. Общая энергия, необходимая для восстановления молекулы НАДФ+,слишком велика для того, чтобы можно было осуществить ее передачу спомощью одного реакционного центра и энергии одного кванта света. Врезультате, в процессе эволюции образовались две фотосистемы, различающиесяпо функциям. Задачей фотосистемы 2 является окисление молекулы воды, а ФС1повышает энергетический потенциал электронов, делая возможным их перенос намолекулы НАДФ.
Расположение переносчиковвосстановительногопотенциалаиихпо величине окислительно-пространственнойлокализациивфотосинтетическом аппарате образует так называемую Z-схему фотосинтеза(рис. 3). Перенос электрона от воды к молекуле НАДФ+ против градиентаокислительно-восстановительного потенциала при поглощении двух квантовсвета последовательно осуществляется двумя фотосистемами: коротковолновойФС2, поглощающей свет с λ < 690 нм, и длинноволновой ФС1, поглощающей светс λ < 710 нм.Z-схема фотосинтеза описывает нециклический транспорт электронов. Кроменего, в фотосинтетическом аппарате существуют также другие пути переносаэлектрона, называемые циклическим и псевдоциклическим транспортом.Циклический транспорт электронов осуществляется каждой фотосистемой вотдельности. Циклический транспорт ФС1 представляет собой перенос электронаот восстановленного ферредоксина обратно к окисленному димеру P700+ черезцепь переносчиков.
Циклический поток электронов с участием ФС1 сопряжен ссинтезом АТФ (циклическое фотофосфорилирование) и может обеспечиватьдополнительный синтез АТФ, необходимый для процесса поглощения СО 2.Циклический транспорт в ФС2 происходит путем передачи электрона отвосстановленных первичных акцепторов QA, QB к окисленному пигментуреакционного центра P680+ (рис. 2). Эти пути электронного транспорта являются14альтернативным способом утилизации энергии возбуждения при высокихинтенсивностях падающего света или при повреждении водорасщепляющегокомплекса.Рис. 3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
