Ֆոտոֆոսֆորիլացում

Ֆոտոսինթեզի գործընթացում  ԱԿՖ- ի ֆոսֆորիլացումը ՝ արևի լույսի էներգիայի միջոցով ԱԵՖ ձևավորելու համար, կոչվում է ֆոտոսֆոսֆորիլացում։ Ցիկլային ֆոտոֆոսֆորիլացումը տեղի է ունենում ինչպես աերոբ, այնպես էլ անաէրոբ պայմաններում։ Կենդանի օրգանիզմներին հասանելի են էներգիայի միայն երկու աղբյուր ՝ արևի լույս և վերականգնման-օքսիդացման (օքսիդավերականգնման) ռեակցիաներ։ Բոլոր օրգանիզմներն արտադրում են ԱԵՖ, որը կյանքի համընդհանուր էներգետիկ արժույթն է։ Ֆոտոսինթեզում դա սովորաբար ներառում է ջրի ֆոտոլիզ կամ ֆոտոդիզացիա և ջրերից էլեկտրոնների անընդհատ միակողմանի հոսք դեպի ֆոտոհամակարգ II:

Ֆոտոֆոսֆորիլացման ժամանակ լուսային էներգիան օգտագործվում է բարձր էներգիայի էլեկտրոն դոնոր և ավելի ցածր էներգիայի էլեկտրոն ընդունող ստեղծելու համար։ Այնուհետև էլեկտրոններն ինքնաբերաբար շարժվում են դոնորից ընդունիչ ՝ էլեկտրոնների փոխադրման շղթայի միջոցով։

ԱԵՖ և Ռեակցիաներ
ԱԵՖ- ն արտադրվում է ԱԵՖ սինթազ կոչվող ֆերմենտի միջոցով։ Այս ֆերմենտի կառուցվածքը և դրա հիմքում ընկած գենը նման են կյանքի բոլոր հայտնի ձևերին։ Կալվինի ցիկլը ֆոտոսինթեզի ամենակարևոր մասն է։ 
 
ԱԵՖ սինթազը աշխատում է միջմեմբրանային էլեկտրաքիմիական ներուժի գրադիենտով, սովորաբար պրոտոնային գրադիենտի տեսքով։ Էլեկտրոնների փոխադրման շղթայի գործառույթն է այս գրադիենտ արտադրելը։ Բոլոր կենդանի օրգանիզմներում մի շարք օքսիդավերականգնման ռեակցիաներ օգտագործվում են արտադրելու միջմեմբրանային էլեկտրաքիմիական ներուժի գրադիենտ կամ այսպես կոչված պրոտոնային շարժիչ ուժ (pmf):

Վերականգնման ռեակցիաները քիմիական ռեակցիաներ են, որոնցում էլեկտրոնները դոնոր մոլեկուլից տեղափոխվում են ընդունող մոլեկուլ։ Այս ռեակցիաները մղող հիմքում ընկած ուժը փոխազդողների և արտադրանքի Գիբսի ազատ էներգիան է։ Գիբսի անվճար էներգիան աշխատանք կատարելու համար առկա («անվճար») էներգիան է։ Ցանկացած ռեակցիա, որը նվազեցնում է համակարգի ընդհանուր Գիբսի ազատ էներգիան, կընթանա ինքնաբերաբար (հաշվի առնելով, որ համակարգը իզոբար է և նաև ադիաբատիկ), չնայած որ այն կարող է դանդաղ ընթանալ, եթե այն կինետիկորեն արգելակվի։

Էլեկտրոնների փոխանցումը բարձր էներգիայի մոլեկուլից (դոնորից) ցածր էներգիայի մոլեկուլին (ընդունողին) կարող է տարածականորեն բաժանվել մի շարք միջանկյալ օքսիդավերականգնման ռեակցիաների։ Սա էլեկտրոնների փոխադրման շղթան է։

Այն, որ ռեակցիան թերմոդինամիկորեն հնարավոր է, չի նշանակում, որ այն իրականում տեղի կունենա։ Ջրածնի եւ թթվածնի խառնուրդը ինքնաբերաբար չի կատարվում։ Անհրաժեշտ է կա՛մ ակտիվացման էներգիա մատակարարել, կա՛մ նվազեցնել համակարգի ներքին ակտիվացման էներգիան, որպեսզի կենսաքիմիական ռեակցիաների մեծ մասն անցնի օգտակար արագությամբ։ Կենդանի համակարգերը օգտագործում են բարդ մակրոմոլեկուլային կառուցվածքներ `կենսաքիմիական ռեակցիաների ակտիվացման էներգիան նվազեցնելու համար։

Հնարավոր է միացնել ջերմադինամիկորեն բարենպաստ ռեակցիա (անցում բարձր էներգիայի վիճակից ցածր էներգիայի վիճակի) դեպի ջերմոդինամիկապես անբարենպաստ ռեակցիա (օրինակ ՝ լիցքերի տարանջատում կամ օսմոտիկ գրադիենտի ստեղծում), այնպես, որ համակարգի ընդհանուր ազատ էներգիան նվազի (դա դարձնում է այն ջերմադինամիկորեն հնարավոր), մինչդեռ օգտակար աշխատանք է կատարվում միևնույն ժամանակ։ Սկզբունքը, որ կենսաբանական մակրոմոլեկուլները կատալիզացնում են թերմոդինամիկորեն անբարենպաստ ռեակցիան, եթե և միայն այն դեպքում, երբ միաժամանակ տեղի է ունենում ջերմոդինամիկորեն բարենպաստ ռեակցիա, ընկած է կյանքի բոլոր հայտնի ձևերի հիմքում։

Էլեկտրոնային տրանսպորտային շղթաները (առավել հայտնի որպես ETC) էներգիա են արտադրում տրանսմեմբրանային էլեկտրաքիմիական ներուժի գրադիենտի տեսքով։ Այս էներգիան օգտագործվում է օգտակար աշխատանք կատարելու համար։ Գրադիենտը կարող է օգտագործվել մեմբրանների միջով մոլեկուլները տեղափոխելու համար։ Այն կարող է օգտագործվել մեխանիկական աշխատանք կատարելու համար, օրինակ ՝ պտտվող բակտերիա ֆլագելան։ Այն կարող է օգտագործվել ԱԵՖ և վերականգնված ՆԱԴ-ի բարձր էներգիայի մոլեկուլներ արտադրելու համար, որոնք անհրաժեշտ են աճի համար։

Ցիկլիկ ֆոտոֆոսֆորիլացիա
Ֆոտոֆոսֆորիլացման այս ձևը տեղի է ունենում ստրոմա լամելայի կամ fret ուղիների վրա։ Ցիկլիկ ֆոտոֆոսֆորիլացման դեպքում PS1- ի P700- ից անջատվող բարձր էներգիայի էլեկտրոնը հոսում է ցիկլիկ ճանապարհով։ Էլեկտրոնային ցիկլային հոսքի դեպքում էլեկտրոնը սկսվում է I ֆոտոհամակարգ կոչվող պիգմենտային համալիրից, անցնում է առաջնային ընդունիչից մինչև ֆերեդոքսին, այնուհետև պլաստոկինոն, այնուհետև ցիտոքրոմ b6f (նման բարդույթ, որը հանդիպում է միտոքոնդրիայում), այնուհետև պլաստոցիանինը ` մինչև վերադառնալը Ֆոտոհամակարգ -1։ Այս տրանսպորտային շղթան արտադրում է պրոտոն-շարժիչ ուժ ՝ H+ իոնները մղելով մեմբրանով և առաջացնելով կոնցենտրացիոն գրադիենտ, որը կարող է օգտագործվել քեմիոսմոսի ժամանակ ԱԵՖ սինթազը սնուցելու համար։ Այս ուղին հայտնի է որպես ցիկլային ֆոտոֆոսֆորիլացում, և այն չի արտադրում ոչ O2, ոչ էլ NADPH: Ի տարբերություն ոչ ցիկլային ֆոտոֆոսֆորիլացման, NADP+-ը չի ընդունում էլեկտրոնները. դրանք փոխարենը հետ են ուղարկվում ցիտոքրոմ b6f համալիր։

Բակտերիալ ֆոտոսինթեզում օգտագործվում է մեկ ֆոտոհամակարգ, և, հետևաբար, ներգրավված է ցիկլային ֆոտոֆոսֆորիլացման մեջ։ Այն նախընտրելի է անաէրոբ պայմաններում և բարձր ճառագայթման և CO2 փոխհատուցման կետերի պայմաններում։

Ոչ-ցիկլիկ ֆոտոֆոսֆորիլացում
Մյուս ուղին ՝ ոչ ցիկլիկ ֆոտոֆոսֆորիլացումը, երկու քայլանի գործընթաց է, որը ներառում է քլորոֆիլի երկու տարբեր ֆոտոհամակարգեր։ Լույսի ռեակցիա լինելով ՝ ոչ ցիկլային ֆոտոֆոսֆորիլացումը տեղի է ունենում թիլակոիդ թաղանթում։ Նախ, ջրի մոլեկուլը բաժանվում է 2H + + 1/2 O2 + 2e−  ֆոտոլիզ (կամ լույսի բաժանում) կոչվող գործընթացի։ Ջրի մոլեկուլից երկու էլեկտրոնները պահվում են II ֆոտոհամակարգում, մինչդեռ 2H+ և 1/2O2 դուրս են մնում հետագա օգտագործման համար։ Հետո ֆոտոնը ներծծվում է քլորոֆիլի պիգմենտներով, որոնք շրջապատում են ֆոտոհամակարգի ռեակցիոն կենտրոնը։ Լույսը գրգռում է յուրաքանչյուր պիգմենտի էլեկտրոնները ՝ առաջացնելով շղթայական ռեակցիա, որն ի վերջո էներգիա է փոխանցում ֆոտոհամակարգի II միջուկին ՝ գրգռելով երկու էլեկտրոնները, որոնք փոխանցվում են էլեկտրոնների առաջնային ընդունիչ ֆեոֆիտինին։ Էլեկտրոնների պակասը համալրվում է ջրի մեկ այլ մոլեկուլից էլեկտրոններ վերցնելով։ Էլեկտրոնները փոխանցվում են ֆեոֆիտինից պլաստոքուինոն, որը վերցնում է 2e−  ֆեոֆիտինից, և երկու H+ իոն ՝ ստրոմայից և ձևավորում PQH2, որը հետագայում կոտրվում է PQ, իսկ 2e−- ն ազատվում է ցիտոքրոմ b6f համալիրից, և երկու H+  իոնները արձակվում են թիլակոիդի լյումենի մեջ։ Այնուհետև էլեկտրոններն անցնում են Cyt b6 և Cyt f միջով։ Հետո դրանք փոխանցվում են պլաստոցիանին ՝ ապահովելով էներգիա ջրածնի իոնների ( H+) մղելու համար թիլակոիդի տարածություն։ Սա ստեղծում է գրադիենտ ՝ ստիպելով H+ իոններին հետ հոսել դեպի քլորոպլաստայի ստրոմա ՝ ապահովելով էներգիա ԱԵՖ-ի կրկին սինթեզի համար։

ֆոտոհամակարգի II-ի համալիրը փոխարինեց իր կորած էլեկտրոնները արտաքին աղբյուրից, սակայն երկու այլ էլեկտրոններ չեն վերադարձվում ֆոտոհամակարգ II- ին, ինչպես դա արվում էր անալոգային ցիկլային ճանապարհով։ Փոխարենը, դեռ գրգռված էլեկտրոնները փոխանցվում են  ֆոտոհամակարգի I համալիր, ինչը նրանց էներգիայի մակարդակը բարձրացնում է ավելի բարձր մակարդակի ՝ օգտագործելով երկրորդ արևային ֆոտոնը։ Բարձր գրգռված էլեկտրոնները փոխանցվում են ընդունող մոլեկուլին, բայց այս անգամ փոխանցվում են Ferredoxin-NADP+ reductase կոչվող ֆերմենտին, որն օգտագործում է դրանք ռեակցիան կատալիզելու համար (ինչպես ցույց է տրված).

NADP+ + 2H+ + 2e− → NADPH + H+

Սա սպառում է ջրի բաժանման արդյունքում առաջացած H+ իոնները, ինչը հանգեցնում է 1/2O2, ATP և NADPH+ H+ արտադրությանը ՝ արևային ֆոտոնների և ջրի սպառմամբ։

NADPH- ի կոնցենտրացիան քլորոպլաստում կարող է օգնել կարգավորել, թե որ էլեկտրոններն են անցնում լուսային ռեակցիաներով։ Երբ քլորոպլաստը աղքատ է ԱԵՖ- ով Կալվինի ցիկլի համար, NADPH- ը կկուտակվի, և գործարանը կարող է ոչ ցիկլիկից անցնել էլեկտրոնային ցիկլային հոսքի։

Վաղ պատմություն
1950-ին Օտտո Քանդլերը ներկայացրեց առաջին փորձնական ապացույցները in vivo- ի առկայության վերաբերյալ `օգտագործելով անձեռնմխելի Chlorella բջիջները և մեկնաբանեց իր գտածոները որպես լույսից կախված ԱԵՖ ձևավորում։ 1954 թվականին Դանիել Ի. Առնոն և այլք հայտնաբերել է ֆոտոֆոսֆորիլացում in vitro մեկուսացված քլորոպլաստներում ` P32- ի օգնությամբ։ Նրա առաջին ակնարկը լուսաֆոսֆորիլացման վաղ հետազոտությունների վերաբերյալ հրապարակվել է 1956 թվականին։

Ծանոթագրություններ

Professor Luis Gordillo
Fenchel T, King GM, Blackburn TH.  Bacterial Biogeochemistry: The Ecophysiology of Mineral Cycling.  2nd ed.  Elsevier; 1998.
Lengeler JW, Drews G, Schlegel HG, editors.  Biology of the Prokaryotes.  Blackwell Sci; 1999.
Nelson DL, Cox MM.  Lehninger Principles of Biochemistry.  4th ed.  Freeman; 2005.

Stumm W, Morgan JJ.  Aquatic Chemistry.  3rd ed.  Wiley; 1996.
Thauer RK, Jungermann K, Decker K.  Energy Conservation in Chemotrophic Anaerobic Bacteria.  Bacteriol. Rev. 41:100–180; 1977.
White D.  The Physiology and Biochemistry of Prokaryotes.  2nd ed.  Oxford University Press; 2000.
Voet D, Voet JG.  Biochemistry.  3rd ed.  Wiley; 2004.
Cj C. Enverg
Ֆոտոսինթեզ