Fotosintetička fosforilacija

Fotosinteza je osnovni proces u prirodi zato što obezbeđuje organske materije za sve žive organizme. Sve ostale sinteze u živim bićima nastavljaju se na fotosintezu.

Fotosintetička fosforilacija

Sinteza ATP (iz ADP i P) u fotosintezi se obavlja na svetlosti u tilakoidnim membranama i zato se naziva fotosintetička fosforilacija. Prvi put je eksperimentalno dokazana sa izolovanim hloroplastima od strane Arnona i sar. 1954. godine. Ovaj proces spada u endergonične reakcije i zahteva veliku količinu energije.

U svetloj fazi fotosinteze fotosintetička fosforilacija se ostvaruje na račun transporta elektrona i protona . Za objašnjenje veze između transporta elektrona i fosforilacije je bilo predloženo više teorija od kojih hemijska objašnjava da se potrebna količina energije za ovaj proces dobija u transportu elektrona od nekog jedinjenja koje je u visoko energetskom stanju. Prema konformacionoj teoriji sinteza ATP u membranama se obavlja u samoj membrani zahvaljujući konformacionim promenama u membrani i enzimima odgovornim za fosforilaciju. Međudtim, i pored intenzivnih istraživanja nije se uspelo da se hemijski identifikuju jedninjenja koja bi potvrdila ove teorije.

ATP

Hemiosmotska hipoteza

Savremeni koncept objašnjenja fosforilacije počiva na Mičelovoj hemiosmotskoj hipotezi iz 1961. godine. Iako u početku osporavana, ova hipoteza je danas prihvaćena kao univerzalni mehanizam za objašnjenje biosinteze ATP u svim procesima uključujući i fotosintezu i disanje (oksidativna fosforilacija). Za ovaj izuzetno značajan doprinos razumevanju transformacije energije u živim ćelijama, Mičel je nagrađen Nobelovom nagradom za hemiju 1978. godine.

U svojoj hipotezi Mičel je predložio indirektnu vezu između enzima koji vrše fosforilaciju i transporta elektrona i protona u membranama mitohondrija, hloroplasta ili ćelija bakterija. Mičelova hipoteza je bazirana na sledećim postulatima:

• Fosforilacija se može obaviti pod uslovom da su membrane nepropustljive za pasivan transport protona i da na njima postoji elektron-transportni sistem;
• Prenosioci elektrona treba da budu tako asimetrično raspoređeni da omoguće da se protoni vezuju sa jedne, a otpuštaju sa druge strane membrane;
• ATP sinteza počinje sa povratkom protona sa mesta akumulacije pomoću integralnog membranskog kompleksa koga čini enzim ATP sintetaza.

Slobodna energija elktro-hemijskog protonskog gradijenta sastoji se od dve komponente:

• električnog potencijala;
• hemijskog potencijala.

Ove dve komponente čine protonsku motornu silu, odnosno daju energiju, koja omogućava da enzim ATP sintetaza sintetiše ATP iz ADP i P. Naziv hemiosmotska hipoteza je dobila po tome što se protoni kreću kroz kanale na membranama u skladu sa koncentracionim i elektrohemijskim gradijentom (procesom osmoze), a pošto se ta energija koristi za hemijski proces (sintezu ATP), dodat je prefiks hemi. Mičelova hipoteza je potvrđena eksperimentima Jagendorfa i Uribea (1996).

Ciklična i neciklična fosforilacija

Fosforilacija i sinteza ATP

Apsorpcija svetlosti i eksitacija PSII i PSI pokreće transport elektrona, fotolizu vode i transport protona. Pri tom se transportu razdvaja naelektrisanje i to tako da se elektroni kreću duž elektron-transportnog lanca, a protoni se iz strome preko sistema plastohinona ubacuju u unutrašnjost (lumen) tilakoida. Kao rezultat redoks ciklusa plastohinona dolazi do nakupljanja protona u unutrašnjosti tilakoida, gde se zajedno sa jonom vodonika iz fotolize vode stvaraju protonski gradijent. Tilakoidna membrana zbog transporta jona hlora i magnezijuma ima neutralno naelektrisanje, tako da protonska sila, koja je rezultat gradijent protona, je jedina energija koja pokreće sintezu ATP u hloroplastima. Po tome se sinteza ATP u hloroplastima razlikuje od sinteze ATP u mitohondrijama.

Akumulirani joni vodonika teže da se u skladu sa osmotskim kretanjima vrate iz lumena tilakoida (veća koncentracija) u stromu (manja koncentracija). Međutim, nepropustljivost tilakoidne membrane ne dozvoljava protonima da iz lumena tilakoida jednostavno difunduju nazad. Povratak protona u stromu ograničen je na veoma specifične protonske kanale koji prolaze kroz tilakoidne membrane i koji su deo enzima koji sintetiše ATP (ATP sintetaze). Sinteza ATP koja je rezultat necikličnog transporta elektrona se naziva neciklična fotosintetička fosforilacija. Do sinteze ATP dolazi i u toku cikličnog transporta elektrona (ciklična fotosintetička fosforilacija). Pored ova dva puta sinteza ATP se ostvaruje i pri pseudocikličnom putu i označava se kao pseudociklična fosforilacija.

Mehanizam dejstva sintetaze (ATPaze) je potvrđen tek kada je otkrivena njena struktura. Ona je veliki protein koga čine dva polipeptidna kompleksa poznata kao CF0 i CF1. Kompleks CF0 je hidrofobni protein koji formira kanale za prolaz vodonikovih jona i tako kanališe energiju protonskog gradijenta ka aktivnom centru enzima ATP sintetaze. Ovaj aktivni centar se nalazi u okviru kompleksa CF1. Kao kanalski kompleks CF0 prolazi kroz membranu, dok CF1 kao krupna globula leži u stromi.

Na osnovu predloženog mehanizma za funkcionisanje ATPaze koji su predložili Voker i Bojer (nagrađeni Nobelovom nagradom 1997. godine za hemiju) delovanje protonske motorne sile ne koristi se direktno za sintezu ATP. To dejstvo je indirektno, odnosno utiče na konformaciju enzimskih komponenti u CF1 koja omogućava da se ostvari sinteza ATP (iz ADP i P), odnosno da se oslobodi obrazovani ATP. Proračun je da se tri ATP molekula sintetišu za svaku rotaciju enzima. Veoma složene reakcije fosforilacije mogu se ukratko sumirati na sledeći način:

• Cikličan ili necikličan transport elektrona stvara protonski gradijent i to tako da unutrašnjost tilakoida ima veću koncentraciju jona vodonika od strome.
• Protonski gradijent stvara razliku u pH između untrašnjosti tilakoida i strome i razliku u naelektrisanju membrane i to čini tzv. protonsku motornu silu.
• Razlika u naelektrisanju membrana kod hloroplasta se neutrališe jonima hlora i magnezijuma i zato protonsku motornu silu za sintezu ATP u hloroplastima čini samo ΔpH.
• Razlika u koncentraciji jona vodonika pokreće difuziju jona vodonika, ali oni zbog nepropustljivosti membrane prolaze samo kroz kanal ATPaze.
• Pri transportu kroz kanal ATPaze protoni oslobađaju energiju koja se koristi za sintezu ATP. Za obrazovanje 1 molekula ATP potrebno je da se 4 vodonikova jona transportuju iz tilakoida u stromu.
• Energija ΔpH se ne koristi direktno u sintezi ATP, već za promene u konformaciji enzima ATPaze. Za svaki okret enzimske subjedinice sintetiše se 3 ATP.

Treba takođe istaći i da je jedna od osnovnih postavki Mičelove hipoteze reverzibilnost reakcije sinteze ATP.To znači da u određenim uslovima CF0-CF1 kompleks može da koristi slobodnu energiju koja nastaje pri hidrolizi ATP i da tako ponovo uspostavi protonski gradijent.

Spoljašnje veze

• ATP