Valgusreaktsioonid

Valgusreaktsioonid on fotosünteesi esimene reaktsioonide jada, kus toimub valgusenergia neeldumine ja muutumine keemiliseks energiaks. Valgusstaadiumi reaktsioonid toimuvad kloroplasti sees oleval membraansüsteemil, mida kutsutakse tülakoidiks. Valgusreaktsioonide lõppsaadused on kõrge energeetilise väärtusega ATP ja NADPH, mida kasutatakse fotosünteesi pimereaktsioonides suhkrute moodustamiseks. Valgusreaktsiooni oluline vahesaadus on hapnik, mis vabaneb atmosfääri.
Valgus neelatakse tülakoidi rakumembraanil paiknevates fotosüsteem II ja fotosüsteem I pigmendi-valgu kompleksides. Elektronid liiguvad saadud energia toimel läbi rea komponentide, mis käituvad redoksreaktsioonides kui elektronide doonorid ja aktseptorid. Selles reas on viimane elektronaktseptor NADP+, mis redutseeritakse NADPH-ks kahe elektroni toimel. Elektrontranspordi käigus pumbatakse prootoneid väljastpoolt, stroomast, tülakoidi sisse – luumenisse. See lisandub vee lagunemisel tekkinud prootonitele ja tulemuseks on tülakoidi membraanil prootongradient, mille energiat kasutab ATP süntaas ära ATP sünteesiks. Luumenis tekkinud hapniku molekulid liiguvad läbi membraani väljapoole, stroomasse ja uued vee molekulid luumenisse. See aine liikumine toimub läbi poolläbilaskva membraani osmoosi tõttu, ega nõua lisaenergiat. Üldkujul on fotosünteesi valgusreaktsioonide võrrand järgmine:
2 H2O + 2 NADP+ + 3 ADP + 3 Pi + 8 kvanti → 2 NADPH + 3 ATP + O2
Fotosüsteemid ja reaktsioonitsentrid.
Fotosünteetilise elektronide transpordiahela liikumapanevaks jõuks on kaks suurt multi-subühikulist pigmendi-valgu kompleksi, fotosüsteem II (PSII) ja fotosüsteem I (PSI). Need osalevad reaktsioonide ahelas, mida ühendab tsütokroomi b6f kompleks ja difundeeruvad elektronikandjad plastokinoon ja plastotsüaniin. Selle ahela ülesanne on lagundada vett, eraldades igast vee molekulist 2 elektroni ja 2 prootonit (vesiniku iooni H+) ning vabastades hapniku molekulaarsel O2 kujul. Selleks kasutatakse valguskvandi energiat, mis iooniseerib ühe klorofüllidest – nn tsentripigmendi – kandes elektroni üle plastokinoonile. Elektronita jäänud klorofüll indutseerib vee molekulide lõhestumise, haarates nendelt elektroni. Rohelistes taimedes funktsioneerivad PSII ja PSI antennisüsteemides pigmendid klorofüll a, klorofüll b ja mitmesugused karotenoidid, mis kõik on seotud kindlatesse, nn valgust püüdvatesse valgukompleksidesse (lüh LHC, "Light-Harvesting Complex"). Kummagi fotosüsteemi koosseisus on 235 klorofülli ja mitukümmend karotenoidi. Footon võib neelduda ja ergastada antennis ükskõik missuguse pigmendi molekuli. Seejärel kandub ergastus kiiresti (&lt; 1 ps jooksul) üle klorofüllilt klorofüllile, tabades lõpuks reaktsioonitsentri pigmenti, milleks on mitmest klorofüllist ja feofütiinist koosnev kompleks, tähistatud P680 (PSII-s) ja P700 (PSI-s). Tsentripigment oksüdeerub, saates elektroni primaarsele aktseptorile, milleks on kinoon.
Fotosüsteem II ja vee lagundamine (oksüdatsioon).
Fotosünteetiline elektrontransport algab, kui ergastus saabub PSII tsentripigmendile P680, mis kiiresti foto-oksüdeerub, andes oma elektroni primaarsele elektronaktseptorile. PS II on esmaseks elektron aktseptoriks on feofütiin, mis omakorda annab elektroni edasi valguga seotud plastokinoonile QA. Sellelt kantakse elektron kiiresti üle sekundaarsele aktseptorile QB, mis samuti on plastokinoon, kuid redutseerudes vabaneb see PSII küljest. Kinooni QB molekuli redutseeruv/oksüdeeruv osa on sümmeetriline benseeni ring. Molekul on stabiilne, olles kahelt poolt oksüdeeritud (kinoon) või redutseeritud (kinool). Seega on kinooni molekul kahe elektroni kandja. Peale vabanemist PSII-lt difundeerub hüdrofoobne plastokinool lipiidses membraanis, kuni seostub tsütokroomi b6f kompleksi reaktsioonisaidil. Seal kannab plastokinool oma elektronid üle tsütokroomide b6 ja f koosseisus olevatele raua aatomitele.
Foto-oksüdeerunud doonorpigment P680+ saab asenduselektroni veelt, mis lagundatakse vett oksüdeeriva kompleksi ("Water-Oxidizing Complex", "WOC") abil. WOC on iga PSII üks subühikuid, mis asub tülakoidi membraani luumenipoolsel küljel. Toimuva keemilise reaktsiooni üldvalem on järgmine:
2H2O → O2 + 4H+ + 4e-.
Kahelt vee molekulilt eemaldatakse kokku 4 elektroni, mille tagajärjel tekib hapniku molekul ja luumenisse eraldub 4 H+ iooni ehk prootonit. Vee lagundamise reaktsiooni põhiprobleemiks on kahe molekuli oksüdeerimine ühe korraga, nii et tekiks otsekohe O2 ilma mitmesuguste aktiivsete vaheühendite staadiumeid läbimata. Kuna footonid kannavad elektrone ühekaupa, siis on WOC koosseisus nelja mangaani aatomit sisaldav kompleks, mis täidab positiivse laengu akumulaatori rolli. Igale P680 ergastusele järgneb ühe elektroni eemaldamine sellest 4Mn0xCa kompleksist, kuni akumuleerub 4 positiivset elektroni vakantsi. Seejärel redutseerub kogu kompleks ühekorraga, oksüdeerides kaks vee molekuli ja vabastades O2. Selline mehhanism on taimedele väga oluline, sest hapniku ioonvormid on keemiliselt aktiivsed, seega taimedele kahjulikud. Vee lagundamise mehhanismi detailid on veel lõpuni lahendamata.
Tsütokroomi b6f kompleks.
Tsütokroomi b6f kompleks (Cyt b6f) on suur, mitmest subühikust kokku pandud valgukompleks, mis koosneb kahest b-tüüpi heemist ja ühest c-tüüpi heemist (tsütokroom f). Cyt b6f ülesanne on katalüüsida elektronide liikumist plastokinoolilt plastotsüaniinile. Reaktsioon on analoogne reaktsiooniga, mida katalüüsib kompleks III (tsütokroom bc1) mitokondriaalses elektronitranspordiahelas. Samaaegselt elektronide liikumisega läbi Cyt b6f kompleksi transporditakse H+ ioone stroomast luumensisse. Q-tsüklis toimub iga elektroniga paardunud kahe H+ kandumine stroomast luumenisse. Seega on elektronide transport läbi Cyt b6f kompleksi vastutav prootongradiendi tekkimise eest, mis omakorda aktiveerib ATP sünteesi. Tsütokroomi kompleksilt (konkreetselt tsütokroomilt f) kanduvad elektronid edasi plastotsüaniinile. Viimane on väike, hügroskoopne vaske sisaldav valk, mis on võimeline difundeeruma tülakoidi luumenis.
Fotosüsteem I.
Fotosüsteemi I moodustab reaktsioonitsenter koos valgust püüdva pigment-valk-antennisüsteemiga ja elektronide transpordiahela komponentidega, mis tagavad NADP+ redutseerimise. PSI footoneid püüdev antennisüsteem kasutab mõneti sarnaseid valke nagu PSII antennisüsteem, kuid tema struktuurne ehitus erineb oluliselt PSIIst. Kuigi PSI antennis on kokku samapalju klorofülli kui PSII antennis, puudub seal klorofüll b ja karotenoide on tunduvalt vähem. PSI tsentri pigmendikompleks P700 neelab pikema lainepikkusega valgust kui PSII tsentri pigmendikompleks P680. Ka PSI-s on elektroni primaarseks aktseptoriks kinoon. Kinoonilt kandub elektron edasi rauda sisaldavate mitteheemsete FeS- struktuuride kaudu, millest osa on struktuurselt seotud PSI valkudega, kompleksist võib eralduda aga viimane elektroni kandja ferredoksiin. Ferredoksiinilt kanduvad elektronid ferredoksiin-NADP reduktaasi kaudu üle fotosünteesi elektrontransportahela viimasele lülile, milleks on nikotiinamiidadeniindifosfaat NADP+.
Ferredoksiin.
Ferredoksiinid on vees lahustuvad väikese molekulmassiga valgud, mis sisaldavad mitteheemset rauda. Redoksreaktsioonides on elektroni ülekanne seotud mitteheemse rauaga (Fe 2+ ↔ Fe 3+). Elektronide ülekannet redutseeritud ferredoksiinilt NADP-le katalüüsib flavoproteiinne ensüüm, ferredoksiini:NADP oksüdoreduktaas.
Fotofosforüleerimine.
Fotofosforüleerimine on valguse tingitud ATP moodustumine kloroplastides. ATP on kloroplastides lisaks süsihappegaasi redutseerimisele vajalik veel erinevate metaboolsete sünteeside jaoks, nagu seda on stroomas toimuv tärklise ja valkude süntees ning proteiinide ja metaboliitide transport kloroplasti ja tsütoplasma vahel. ATP sünteesiks on vajalik prootoni kontsentratsiooni gradient tülakoidi membraani erinevate poolte vahel. Luumenisse koguneb fotosünteesi valgusreaktsioonide tõttu prootoneid rohkem kui stroomasse. Prootonite kogunemise luumenisse tagavad kaks põhilist mehhanismi. Esimene on vee fotooksüdatsioon, mille tulemusena vabanevad luumenisse iga oksüdeeritud vee molekuli kohta kaks prootonit. Teine mehhanism on tsütokroomil b6f plastokinooli oksüdeerimisega paardunud prootonite pump, Q-tsükkel. Tekkinud prootongradiendi energia kasutab ära ATP süntaas.
Fotosünteesi komponentide paigutus.
Kloroplastisiseses tülakoidide süsteemis eristuvad kaks osa. Nn graana membraanid on tihedalt pakitud ja moodustavad üksteise peale laotud müntides tornisarnase struktuuri. Graana tülakoidide membraani pinda nimetatakse ka lamellideks. Nende tornide vahel on "mündid" ühendatud stroomale avatud tülakoididega. Kuna fotosünteetiline elektrontransport ja fotofosforüleerimine toimuvad tülakoidi membraanil, siis nendeks protsessideks vajalike komponentide paigutus peab olema vastavuses vajadusega molekulide ülekandeks strooma ja membraani pinna vahel. Fotosüsteem II paikneb tihedasti peamiselt graana membraanil (lamellil). Fotosüsteem I ja ATP süntaas seevastu asetsevad peamiselt stroomale avatud membraanidel, aga ka graana lamellide stroomale avatud külgmises osas. Tsütokroomi b6f on leitud mõlemat liiki membraanides. Selleks, et elektronid jõuaks PSII-lt PSI-le, on vajalikud mobiilsed (difundeeruvad) elektronikandjad, milleks ongi plastokinoon ja plastotsüaniin. Kindlat põhjust tihedalt pakitud graana moodustumiseks ei ole teada. Nt mitokondris tihedasti pakitud graanalaadset struktuuri ei esine, vaid kõik elektronikandjad paiknevad enam-vähem ühtlaselt. Uuemad andmed viitavad siiski ATP süntaasi eelistatud paiknemisele krista membraani järsult pöörduvatel voltidel.
Tsükliline elektrontransport.
Tsüklilise elektrontranspordi hüpoteesi esitas Daniel Israel Arnon. Ta kirjeldas tsüklilist elektrontransporti kui protsessi, mille puhul PSI võib transportida elektrone kinnises tsüklis PSII-st sõltumatult. Sel juhul kannab ferredoksiin elektroni NADP+ asemel tagasi plastokinoonile hüpoteetilise ferredoksiin-plastokinoon reduktaasi kaudu. Seejärel naaseb elektron P700+-le, läbides uuesti Cyt b6f ja plastotsüaniini. Elektrontransport läbi Cyt b6f oleks siis paardunud H+ transpordiga, millega kaasneks ka H+ transport nagu lineaarsegi elektrontranspordi korral. Tekkivat prootonite gradienti saaks ära kasutada ADP tsükliliseks fotofosforüülimiseks sõltumatult lineaarsest elektronide voost H2O → NADP+. Kuigi tsükliliseks fotofosforüülimiseks vajalikku ensüümi – ferreoksiin-NADP+ reduktaasi – ei ole siiani leitud, püsib tsüklilise fosforüülimise hüpotees päevakorral selle funktsionaalse vajaduse tõttu. Lineaarsel elektrontranspordil tekib ATP ja NADPH kindlas proportsioonis (3ATP/ 4e- = 3ATP/2NADPH kohta) ning täpselt sellises proportsioonis kasutatakse nad ära süsihappegaasi redutseerimisel. Kuid kloroplastis on veel protsesse, mis vajavad ATP-d. Arvatakse, et tsükliline elektrontransport ongi selle lisa-ATP allikas. Sedasama otstarvet täidaks aga osa elektronide (kas Fd või NADPH) kasutamine alternatiivseteks taandusprotsessideks, nagu seda on nitraadi (NO3-) või molekulaarse õhuhapniku O2 taandamine. Üsna kiire tsükliine elektrontransport on lehtedes tõepoolest mõõdetud, kuid mitte paardunult prootonite transpordiga, vaid olukorras, kus taimele langeb liiga palju valgust. Selle hüpoteesi kohaselt on tsükliline elektrontransport vajalik fotosünteesi molekulaarse aparaadi kaitseks PSI väga madala redokspotentsiaaliga aktseptorpoolel tekkida võivate aktiivsete hapniku radikaalide eest.