Фотосинтетичка фосфорилација

Фотосинтеза је основни процес у природи зато што обезбеђује органске материје за све живе организме. Све остале синтезе у живим бићима настављају се на фотосинтезу.

Фотосинтетичка фосфорилација

Синтеза АТП (из АДП и П) у фотосинтези се обавља на светлости у тилакоидним мембранама и зато се назива фотосинтетичка фосфорилација. Први пут је експериментално доказана са изолованим хлоропластима од стране Арнона и сар. 1954. године. Овај процес спада у ендергоничне реакције и захтева велику количину енергије.

У светлој фази фотосинтезе фотосинтетичка фосфорилација се остварује на рачун транспорта електрона и протона . За објашњење везе између транспорта електрона и фосфорилације је било предложено више теорија од којих хемијска објашњава да се потребна количина енергије за овај процес добија у транспорту електрона од неког једињења које је у високо енергетском стању. Према конформационој теорији синтеза АТП у мембранама се обавља у самој мембрани захваљујући конформационим променама у мембрани и ензимима одговорним за фосфорилацију. Међудтим, и поред интензивних истраживања није се успело да се хемијски идентификују једнињења која би потврдила ове теорије.

АТП

Хемиосмотска хипотеза

Савремени концепт објашњења фосфорилације почива на Мичеловој хемиосмотској хипотези из 1961. године. Иако у почетку оспоравана, ова хипотеза је данас прихваћена као универзални механизам за објашњење биосинтезе АТП у свим процесима укључујући и фотосинтезу и дисање (оксидативна фосфорилација). За овај изузетно значајан допринос разумевању трансформације енергије у живим ћелијама, Мичел је награђен Нобеловом наградом за хемију 1978. године.

У својој хипотези Мичел је предложио индиректну везу између ензима који врше фосфорилацију и транспорта електрона и протона у мембранама митохондрија, хлоропласта или ћелија бактерија. Мичелова хипотеза је базирана на следећим постулатима:

• Фосфорилација се може обавити под условом да су мембране непропустљиве за пасиван транспорт протона и да на њима постоји електрон-транспортни систем;
• Преносиоци електрона треба да буду тако асиметрично распоређени да омогуће да се протони везују са једне, а отпуштају са друге стране мембране;
• АТП синтеза почиње са повратком протона са места акумулације помоћу интегралног мембранског комплекса кога чини ензим АТП синтетаза.

Слободна енергија елктро-хемијског протонског градијента састоји се од две компоненте:

• електричног потенцијала;
• хемијског потенцијала.

Ове две компоненте чине протонску моторну силу, односно дају енергију, која омогућава да ензим АТП синтетаза синтетише АТП из АДП и П. Назив хемиосмотска хипотеза је добила по томе што се протони крећу кроз канале на мембранама у складу са концентрационим и електрохемијским градијентом (процесом осмозе), а пошто се та енергија користи за хемијски процес (синтезу АТП), додат је префикс хеми. Мичелова хипотеза је потврђена експериментима Јагендорфа и Урибеа (1996).

Циклична и нециклична фосфорилација

Фосфорилација и синтеза АТП

Апсорпција светлости и екситација ПСИИ и ПСИ покреће транспорт електрона, фотолизу воде и транспорт протона. При том се транспорту раздваја наелектрисање и то тако да се електрони крећу дуж електрон-транспортног ланца, а протони се из строме преко система пластохинона убацују у унутрашњост (лумен) тилакоида. Као резултат редокс циклуса пластохинона долази до накупљања протона у унутрашњости тилакоида, где се заједно са јоном водоника из фотолизе воде стварају протонски градијент. Тилакоидна мембрана због транспорта јона хлора и магнезијума има неутрално наелектрисање, тако да протонска сила, која је резултат градијент протона, је једина енергија која покреће синтезу АТП у хлоропластима. По томе се синтеза АТП у хлоропластима разликује од синтезе АТП у митохондријама.

Акумулирани јони водоника теже да се у складу са осмотским кретањима врате из лумена тилакоида (већа концентрација) у строму (мања концентрација). Међутим, непропустљивост тилакоидне мембране не дозвољава протонима да из лумена тилакоида једноставно дифундују назад. Повратак протона у строму ограничен је на веома специфичне протонске канале који пролазе кроз тилакоидне мембране и који су део ензима који синтетише АТП (АТП синтетазе). Синтеза АТП која је резултат нецикличног транспорта електрона се назива нециклична фотосинтетичка фосфорилација. До синтезе АТП долази и у току цикличног транспорта електрона (циклична фотосинтетичка фосфорилација). Поред ова два пута синтеза АТП се остварује и при псеудоцикличном путу и означава се као псеудоциклична фосфорилација.

Механизам дејства синтетазе (АТПазе) је потврђен тек када је откривена њена структура. Она је велики протеин кога чине два полипептидна комплекса позната као ЦФ0 и ЦФ1. Комплекс ЦФ0 је хидрофобни протеин који формира канале за пролаз водоникових јона и тако каналише енергију протонског градијента ка активном центру ензима АТП синтетазе. Овај активни центар се налази у оквиру комплекса ЦФ1. Као каналски комплекс ЦФ0 пролази кроз мембрану, док ЦФ1 као крупна глобула лежи у строми.

На основу предложеног механизма за функционисање АТПазе који су предложили Вокер и Бојер (награђени Нобеловом наградом 1997. године за хемију) деловање протонске моторне силе не користи се директно за синтезу АТП. То дејство је индиректно, односно утиче на конформацију ензимских компоненти у ЦФ1 која омогућава да се оствари синтеза АТП (из АДП и П), односно да се ослободи образовани АТП. Прорачун је да се три АТП молекула синтетишу за сваку ротацију ензима. Веома сложене реакције фосфорилације могу се укратко сумирати на следећи начин:

• Цикличан или нецикличан транспорт електрона ствара протонски градијент и то тако да унутрашњост тилакоида има већу концентрацију јона водоника од строме.
• Протонски градијент ствара разлику у pH између унтрашњости тилакоида и строме и разлику у наелектрисању мембране и то чини тзв. протонску моторну силу.
• Разлика у наелектрисању мембрана код хлоропласта се неутралише јонима хлора и магнезијума и зато протонску моторну силу за синтезу АТП у хлоропластима чини само ΔpH.
• Разлика у концентрацији јона водоника покреће дифузију јона водоника, али они због непропустљивости мембране пролазе само кроз канал АТПазе.
• При транспорту кроз канал АТПазе протони ослобађају енергију која се користи за синтезу АТП. За образовање 1 молекула АТП потребно је да се 4 водоникова јона транспортују из тилакоида у строму.
• Енергија ΔpH се не користи директно у синтези АТП, већ за промене у конформацији ензима АТПазе. За сваки окрет ензимске субјединице синтетише се 3 АТП.

Треба такође истаћи и да је једна од основних поставки Мичелове хипотезе реверзибилност реакције синтезе АТП.То значи да у одређеним условима ЦФ0-ЦФ1 комплекс може да користи слободну енергију која настаје при хидролизи АТП и да тако поново успостави протонски градијент.

Спољашње везе

• АТП