Reja: Yorug‘lik reaksiyalari

2. Elektronlar o‘tkazilishining mexanizmlari

N₂O dan NADF + ga qarab elektronlar oqimini shakllantiruvchi barcha elektron tashuvchilar, oksidlanish-qaytarilish potensialining markazida vertikal joylashishi va I sxemasining hozirdagi yaratilgan ko‘rinishi keltirilgan. Bir birini boshqarib turuvchi komponentlar ko‘rsatkichlar bilan belgilangan. Bu yerda sxema kinetik va termodinamik axborotlar shakllanishida amal qiladi.
Katta vertikal ko‘rsatkichlar tizimga yorug‘lik energiyasini kirishini ko‘rsatadi.
Fotonlar xlorofillarning maxsus reaksiya markazlarini qo‘zgatadi va elektronlar ajratiladi. Fotosintez kimyoviy reaksiyalarining oson amalga oshishini ta'minlovchi barcha kimyoviy jarayonlar asosan 4 ta oqsil birikmalari tomonidan amalga oshiriladi: II fototizimlar, sitoxrom kompleksi, I fototizim va ATF sintezi oqsil birikmalari. Bu to‘rt integral oqsil birikmalari tilakoid membranalarda shakllanish uchun quyidagi holatlarda vektorial yo‘nalgan bo‘ladi.

• 
  II fototizimlar tilakoidlar chaqnashlarida suvni kislorodgacha oksidlaydi va natijada protonlarni ajratib beradi
  
• 
  Sitixrom esa fototizimlardan elektronlarni qabul qilib oladi va ularni fototizimlarga uzatadi. U shuningdek qo‘shimcha protonlarni stromalardan jarayonlarga yetkazilishini ta'minlaydi.
  
• 
  fototizimlar ferredoksin va flavoproteinferredoksin- NADF-reduktaza ta'sirida stromalardagi NADFN+ da NADF ni kamaytiradi
  
• 
  ATF-sintazalar, protonlarni jarayonlardan stromalarga qaytadan diffundirlanishi kabi ATF ni ishlab chiqaradi.
  

Xlorofill molekulasi elektron akseptorlari kamayishi bilan energiya ushlab turiladi. Avval muhokama etganimizdek, yorug‘likning xlorofillning maxsus reaksiya markazlarini qo‘zgatishidagi ahamiyati yoki nurni to‘g‘ridan-to‘g‘ri yutilishi yoki ko‘p hollarda qabul qiluvchi qismlarning pigmentlari yordamida energiyaning uzatilishidan iborat Bunday qo‘zg‘alish jarayonini elektronlarning eng yuqori energiya holatidagi harakati xlorofillning to‘liq orbitalidan uning to‘la bo‘lmagan orbitalining minimum energiyasigacha bo‘lgan harakati deb tasavvur qilish mumkin. Yuqori orbital holatida elektronlar kuchsiz bog‘langan bo‘ladi va agar elektronlarni qabul qiluvchi molekula yaqin masofada bo‘lsa, ularning osongina bog‘lari uziladi,
Elektronlar energiyasini kimyoviy energiyaga aylantiradigan birinchi reaksiya , ya'ni birinchi fotokimyoviy jarayon xlorofillarning qo‘zg‘algan holatida elektronlarning reaksiya markazlarida molekulaning akseptoriga uzatilishidan iborat Bu jarayonlarning yana bir jihati shundan iboratki, yutilgan fotonlar xlorofill reaksiya markazlarida elektronlarning fotondagi energiyaning bir qismi oksidlanish-qaytarilish energiyasi ko‘rinishida saqlab turilgan elektronlar uzatilishining keyingi jarayonlarida qayta guruhlanishiga olib keladi.
Xlorofill reaksiya markazining oksidlangan holatga o‘tishi bilan (elektron yetishmasligi yoki musbat zaryadli holatida) unga qo‘shni molekula elektron akseptorlari kamayadi.(elektronlarga boy va manfiy zaryadli holatda ) Tizimning bunday kritik holatida orbitalning nisbatan kichik kichik musbat zaryadlangan energiya holatida xlorofill reaksiya markazlari oksidlanadi va elektronlar qabul qilish imkoniyatigi ega bo‘ladi. Agar molekula akseptori o‘zidagi elektronni qaytadan xlorofillning reaksiya markaziga uzatsa, tizim yorug‘lik ta'sir etishidan avvalgi va barcha energiya issiqlik holida ajratilib bo‘lingandagi avvalgi holatiga qaytadi.
Bu rekombinatsiya jarayoni kam samarali hisoblanadi ammo reaksiya markazlarining shakllanishida qandaydir ahamiyatga ega bo‘lmaydi. Buning o‘rniga bir akseptorning qo‘shimcha energiyasining ikkinchi akseptorga o‘tkazilishi uchun va keyinchalik uzatish zanjirida pastga yo‘naltirish uchun xizmat qiladi. Xlorofillning reaksiya markazining oksidlanishi ikkilamchi donor elektronlari kamayadi o‘z navbatida uchlamchi donor ham tiklanadi. O‘simliklarda oxir oqibatda elektronlar donorlari suv hisoblanadi va elektronlarning oxirgi akseptorlari NADF+ hisoblanadi.
Energiyaning fotosintetik to‘planishining asl mohiyati qo‘zgalgan xlorofilldan molekula akseptoriga elektronning birlamchi o‘tkazilishi, keyingi musbat va manfiy zaryadlarni ajratadigan juda tez amalga oshuvchi kimyoviy reaksiyalardan iboratdir. Bu ikkilamchi reaksiyalar zaryadlarni tilakoid membranalarining qarama-qarshi tomonlarga taxminan 200 pikosoniya (1 pikosoniya = 10-12 s)ga ajratadi.
Zaryadlarning bunday ajratilishi bilan reaksiyaning aks o‘zgarishi sekinlashadi va energiya ma'lum vaqt davomida ushlab turiladi. Har bir ikkilamchi elektron o‘tkazilishi jarayonni amalda qaytmas jarayonligini ta'minlab, ma'lum miqdordagi energiyaning yo‘qotilishi bilan amalga oshadi.
Ikki fototizimlarda xlorofillning reaksiya markazlari, turli to‘lqin uzunliklaridagi yutilish.
Yuqorida ko‘rib chiqilganidek birinchi va ikkinchi fototizimlarda yorug‘lik yutilishining mogiyati turlicha bo‘ladi. Yorug‘lik yutilishininig maksimal aniqlikdagi o‘lchovi xlorofillar reaksiya markazlaridagi amalga oshishi mumkin bo‘lgan, qaytarilish va oksidlanish holatlaridagi optik o‘zgarishlar bilan amalga oshirilgan. Xlorofillning reaksiya markazi elektron yo‘qotilganidan keyin juda qisqa vaqt davomida oksidlangan holatda bo‘ladi va qayta uning elektron akseptori bo‘lishiga sharoit yaratiladi.
Spektrning qizil qismidagi kuchli yorug‘lik yutilishida oksidlangan holatda xlorofillning o‘ziga xos xususiyatli rangi yo‘qoladi yoki rangsizlanadi. Shuning uchun xlorofillarning oksidlanish- qaytarilish holatlarini bu rang o‘zgarishining bevosita amalga oshganligi bois,optiko‘lchash usullari yordamida nazorat qilish mumkin.
Bunday usullarni qo‘llash bilan Bessel Kok birinchi fototizimlar o‘zining qaytarilgan holatida maksimal 700 nm to‘lqin uzunlikdagi yorug‘likni yutishi mumkinligini aniqlagan. Mos ravishda bu xlorofill R700 (R pigmentni anglatadi) deb ataladi. X.T. Vitta va uning jamoadoshlari shunday optik o‘tish jarayonida ikkinchi fototizimlar 680 nm to‘lqin uzunligida yorug‘lik qabul qilishini aniqlagan va mos ravishda bu tizim reaksiya markazlaridagi xlorofillar R680 deb atalishiga asoa bo‘lgan. Bundan avvalroq Lui Dyuyzens qizil fotosintezlovchi bakteriyalardan bo‘lgan bakterioxloroqillalarining reaksiya markazlaridagi xlorofillarning 870 nm to‘lqin uzunligidagi yorug‘lik yutishini aniqlagan va xlorofillar R870 deb yuritilgan.
Bakteriyalar reaksiya markazlarining rentgen strukturasidan shu narsa ko‘rinib turibdiki, R870 xlorofillar o‘zaro bir emas bir juft yoki dimer ko‘rinishda mustahkam bog‘langan bo‘ladi. Birinchi fototizimning asosiy elektroe donori A xlorofillning dimer molekulasi hisoblanadi. Ikkinchi fototizim ham birlamchi elektron donori R680 tizimdagi pigmentlarda butunlay doimiy ravishda joylashmasada, dimer xlorofillardan tashkil topgan bo‘ladi. Oksidlangan holatida xlorofillarningt reaksiya markazlari juft bo‘lmagan elektronlarga ega bo‘ladi. Juft bo‘lmagan elektronlarga ega molekulalarni ko‘pincha elektro paramatnitrezonans (EPR), SOE tekshiruvlari, avval ko‘rib o‘tilgan spektroskopik o‘lchashlar hamda magnit rezonans texnologiyalar yordamida aniqlash mumkin. Bu texnologiyalar fotosintetik tizimlarda elektron o‘tkazilishining oraliq vositachilarini aniqlashda ham keng qamrovda foydalanilgan.
II fototizimlarning reaksiya markazlari multisubedinik pigment-protein birikmasi hisoblanadi.
II fototizimlar birikmasidan tashkil topgan. Yuksak o‘simliklarda o‘ta murakkab multisubedinik oqsillar ikkita butun reaksiya markazlariga va bir necha qabul quluvchi qismlarga ega bo‘ladi. Reaksiya markazlarining yadrosi 1 i 2 nomi bilan ataladigan ikkita membrana oqsillaridan, shu bilan birga boshqa oqsillardan tashkil topgan bo‘ladi.
Birlamchi xlorofill donorlar (R680), qo‘shimcha xlorofillar, karotinoidlar, feofitin va plastokvinonlar (elektronlarning ikki akseptorlari, batafsil ma'lumotlar keyingi bo‘limda keltirilgan) 1 va 2 membrana oqsillari bilan bog‘langan bo‘ladi. Bu oqsillar qizil bakteriyalarning va M peptidlari bilan bir qancha o‘xshashlikka ega. Boshqa oqsillar qabul qiluvchi qismlar sifatida yoki kislorod ajratilishida ishtirok etadi. Sitoxrom kabi ulardan ba'zilari aniq bir ahamiyatga ega emas, ammo II fototizimlar atrofidagi himoya zanjirlariga jalb etilishi mumkin. II fototizimlarda suv kislorodgacha oksidlanadi.
Bu reaksiya tenglamasidan shu narsa ko‘rinib turibdiki, ikki molekula suvning oksidlanishidan bir molekula kislorod molekulasi va to‘rtta vodorod ioni bilan birga to‘rtta elektron ajraladi. O‘ta murakkab tomonlar, qabul qiluvchi qismlarning qo‘shimcha birikmalari, qo‘shimcha kislorod ajratuvchi birikmalar to‘q sariq va sariq aylanalar bilan belgilangan.
Taqsimlanmagan spirallar kulrang rang bilan belgilangan (S). Kompleksning yon tarafdan ko‘rinishi kislorod ajratuvchi tizimlar oqsillarining geometrik shakldan tashqarida qanday joylashganini ko‘rsatadi.
Suv juda ham barqaror modda hisoblanadi. Suvning molekulyar kislorod ko‘rinishida oksidlanishi juda qiyin jarayon hisoblanadi, fotosintetik kislorod ajratilishi tizimi esa bu reaksiyani amalga oshishi mumkin bo‘lgan yagona biokimyoviy tizim hisoblanadi. Fotosintetik kislorod ajratilishi yer atmosferasidagi barcha kislorodning manbai hisoblanadi.
Fotosintez jarayonida suvning oksidlanishining kimyoviy mexanizmlari ko‘pgina tadqiqotchilar bu jarayon haqida juda ko‘p fikrlarni keltirgan bo‘lsada, haligacha to‘liq o‘rganilmagan. Suvning oksidlanishidan hosil bo‘lgan protonlar bevosita stromal teshikchalardan emas balki, tilakoid yoriqchalaridan ajratiladi. Ular membrananing vektor tabiati bois ajralib chiqadi, va bu omil, ya'ni kislorod ajratilishi tilakoidlarning ichki membranalarida lokallanadi.
Bu protonlar oxir oqibatda yoriqchalardan translokatsiya yo‘li bilan ATF sintazalar orqali stromalarga o‘tkaziladi. Shu yo‘l bilan suvning oksidlanishi paytida ajraladigan protonlar ATF hosil bo‘lishini shakllantiradigan elektrokimyoviy potensialni ta'minlab beradi. I fototizimlar reaksiya markazlari NADF + ni kamaytiradi.
I fototizimlar reaksiya markazlari murakkab multisubedinik birikmalar hisoblanadi. II fototizimlardan farqdi ravishda, taxminan 100 ta xlorofilldan iborat asosiy qabul qiluvchi qismlar I fototizimlar va R700 ning reaksiya markazlari qismlari hisoblanadi. Qabul qiluvchi qismlarning markazlari va R700 66 dan 70 kDa diapazon molekula ogirligiga ega ikkita oqsil RjL va RzaV lar bilan o‘zaro bog‘lanib turadi.
Pigmentlarning qabul qiluvchi qismlari chashkasimon bo‘lib tizimning markazida joylashgan elektron o‘tkazish kofaktorlarining atrofini o‘rab turadi. Qaytarilgan holda o‘tkazilgan, I fototizimlar akseptor qismlarini shakllantiradigan elektron o‘tkazuvchilar kuchli qaytaruvchilar hisoblanadi. Bu qaytaruvchi omillar juda beqaror hisoblanadi, shu yo‘sinda ularni aniq baholashning iloji yo‘q. Ma'lumotlardan ko‘rinib turibdiki, akseptorlarning biri xlorofill molekulalarini o‘zida aks ettiradi, ikkinchi akseptor esa o‘zida xinon, filloxinon, shuningdek vitamin K nomi bilan ma'lum vitamin xilma- xilligini aks ettiradi.
NADF+ ning oksidlanishiga qo‘shimcha ravishda ferridoksin ishlab chiqarishini kamaytiruvchi I fototizimlar xloroplastlarda bir necha boshqa vazifalarni ham bajaradi. Elektronlarning siklik oqimi NADF ni emas ATF ni shakllantiradi.
Sitoxrom 6 G‘ birikmalarining bir qanchasi fototizimlar joylashgan membranalarning stroma qismlarida joylashadi. Ma'lum bir sharoitlarda birinchi fototizimning qaytarilgan qismiidan elektronlarning siklik oqimi V6 f kompleksidan va qayta R700 ga o‘tishi yuz beradi.Elektronlarning bunday siklik oqimi hosil bo‘lishi ATF sintezlanishi uchun foydalanilishi mumkin bo‘lgan ammo suv oksidlanishi yoki NADF+ ning kamayishi uchun foydalanilmaydigan protonlarning yoriqchalarga tortilishi bilan bog‘liq. Elektronlarning siklik oqimi ba'zi uglerod fiksatsiya qiluvchi o‘simliklar xloroplastlarida ATF manbasi bo‘libxizmat qiladi. Bir qancha gerbitsidlar elektron oqimlarini to‘sib qo‘yadi.
Zamonaviy qishloq xo‘jaligida begona o‘tlarni yo‘qotish uchun gerbitsidlarni qo‘llash juda ham keng tarqalgan. Gerbitsidlarning juda ko‘p sinflari ishlab chiqilgan va ular aminokislotalar, karotinoidlarni bloklash yoki lipidlar biosintezini to‘xtatish, yoxud xujayralar bo‘linish jarayonlarini izdan chiqarish bilan ta'sir qiladi. Boshqa gerbitsidlar, va parakvat fotosintetik elektronlar oqimini bloklaydi. Ko‘p gerbitsidlar, ikkinchi fototizimlar xinon akseptorlariga elektrok oqimini bloklaydi va odatda OV tomonidan band qilinadigan plastoxinonlar bilan bog‘lanadi. Parakvat kabi gerbitsidlar esa birinchi fototizimlar ilk akseptorlari elektronlarini qabul qilib oladi undan keyin esa kislorod bilan birikib 02- ko‘rinishida superoksid birikmalar hosil qiladi. Superoksidlar xloroplast birikmalari, asosan lipidlar uchun juda ham zararli hisoblanadi.