Фотохімічні процеси, електронний транспорт і фотофосфорилювання

2.4 Фотохімічні  процеси, електронний транспорт  і фотофосфорилювання

Останнє десятиліття відзначилося істотними  змінами в розумінні регуляції  процесів абсорбції світлової енергії  та перетворень у тилакоїдних  мембранах хлоропластів, головним чином  завдяки вдосконаленню і широкому застосуванню методів досліджень флуоресценції  хлорофілу й, особливо, ПАМ-флуориметрії ( від англійського РАМ – Pulse Amplitude Modulated). Сформувалися досить чіткі уявлення про здатність фотосинтетичного апарату швидко пристосуватися до різких змін світлового режиму, перерозподіляти поглинену енергію світла між фотохімічними реакціями, що ініціюють транспорт електронів, та її дисипацією у вигляді тепла. При цьому висока ефективність механізмів перерозподілу потоків енергії дає змогу захищати фотосинтетичний апарат від значних пошкоджень навіть за високої інсоляції, що часто супроводжує посуху в природних умовах. Хоча в роботах, де в основному вивчали наслідки тривалої жорсткої посухи, повідомлялось про зниження вмісту хлорофілу і зміни співвідношення хлорофілів а і b, ширші дослідження показали незмінність вмісту хлорофілів за умов м’якої і помірної посухи, тобто вміст хлорофілу, як правило, починає знижуватись тільки тоді, коли асиміляція СО₂ тривалий час була дуже сильно пригнічена. Практично загальноприйнятими є погляди щодо відносної стабільності максимальної квантової ефективності адаптованої до темряви ФС (F_y/F_m) навіть за умов жорсткого водного стресу, а при наростанні водного дефіциту інтенсивність асиміляції СО₂ знижується завжди раніше і сильніше, ніж інтенсивність електронного транспорту. Зменшення активності водного транспорту здебільшого спостерігається тільки за помірної і жорсткої посухи. Показано, що за умов стресу піридинові кофактори знаходяться у відновленому стані, рівень НАДФ×Н залишається сталим, а НАД×Н – зростає, підвищується рівень відновленості строми і цитоплазми у широких межах змін ВВВ. Отже, надлишок поглиненої світлової енергії зазвичай є складовою водного стресу за природних умов і причиною низки змін у структурі фотосинтетичних мембран, які зрештою гальмують інтенсивність перенесення електронів через ФС ІІ, що дістало зальну назву – фотоінгібування.

Під поняттям “фотоінгібування”  іноді об’єднують низку процесів, які зачіпають різні компоненти фотосинтетичного апарату й мають  різні кінетичні параметри, а  це призводить до певних термінологічних  неузгодженостей. Видається доцільним  запропонований Осмондом розподіл на динамічне фотоінгібування (ДФ) (dynamic photoinhibition, down-regulation, photoprotection) і хронічне фотоінгібування, або фотоінактивацію (cronic photoinhibition, photodamage, photoinactivation). Динамічне фотоінгібування описує зниження квантової ефективності ФС ІІ на інтенсивному світлі, яке супроводжується посиленням теплової десипації енергії збудження антигенними формами хлорофілу і відновлюється після повернення до темряви або дуже слабкого освітлення протягом десятків хвилин. Його механізми включають підвищення трансмембранного градієнта рН і деепоксидацію віолаксантину в ксантофіловому циклі. Фотоінактивація характеризується тривалішим періодом відновлення (протягом годин) і пов’язана переважно з пошкодженням компонентів ФС ІІ, насамперед структурного білка D1.

Водний  дефіцит підвищує чутливість рослин до фотоінгібування, що зумовлено, як правило, посиленням ДФ і меншою мірою (принаймні  в добре адаптованих до яскравого  світла листків) фотоінактивацією. Посилення  теплової дисипації за водного стресу пов’язують з підвищенням концентрації зеаксантину, найбільш деепоксидованої  форми ксантофілу і загальну пулу ксантофілів. Слід зазначити, що  за водного дефіциту можливе значне уповільнення реконверсії зеаксантину  зі збереженням високого рівня не фотохімічного гасіння флуоресценції  протягом 12 год темряви. Тривала  жорстка посуха може спричинити посилення  деградації Д1 і зниження кількості  функціональних комплексів ФС ІІ, однак  індуковане посухою накопичення  АБК стимулює синтез D1. Підвищення кількості Q_b-невідновлюючих комплексів ФС ІІ за жорсткого стресу було виявлено в рослин пшениці. Цікаво, що відзначене в роботах зменшення кількості активних ФС ІІ не призводило до істотного зниження фотохімічної активності ФС ІІ.

Слід  наголосити, що теплова дисипація  сприяє збереженню цілісності структурних  елементів фотосинтетичного апарату, але не їх  функціональної активності на світлі. Підтримання інтенсивного перенесення електронів в ЕТЛ  хлоропластів за м’якого і помірного  стресів відбувається внаслідок  активації фото дихання і реакції  Мелера, які забезпечують утилізацію значної частини відновлюваного потенціалу. Активність фотодихання  гальмується з посиленням посухи, й інтенсивність електронного транспорту знижується за одночасного підвищення теплової дисипації енергії збудження  хлорофілу.

Незважаючи  на тісний зв’язок процесів електронного транспорту і фотофосфорилювання, їх реакції на водний дефіцит схоже  істотно різняться. І хоча інгібування  синтезу АТФ у хлоропластах тривалий час дискутується як можлива причина  ослаблення фотосинтезу (лімітуючий чинник) за водного дефіциту, через методичні  труднощі це питання залишається  слабко вивченим і контраверсійним [16]. У ранніх дослідженнях, прведених  на ізольованих хлоропластах, було виявлено інгібування фотофосфорилювання як одну з первинних реакцій фотосинтетичного апарату на водний стрес, однак повідомлялося  також і про відносно високу стабільність фотофосфорилювання за умов посухи. Результати досліджень активності синтезу АТФ  у хлоропластах інтактних листків  з використанням непрямих методів (вимірювання електрохромного ефекту), а також прямих визначень вмісту АТФ у листках на світлі виявилися  також доволі суперечливими: отримано свідчення як високої чутливості АТФази, фактора спряження (CF) до стресу і зниження рівня АТФ вже за м’якої посухи, так і їх стабільності навіть за жорсткої посухи. Автори детальних досліджень, проведених у лабораторії Лоулора з рослинами соняшника, дійшли висновку, що синтез АТФ у хлоропластах все ж може бути основним лімітуючим чинником фотосинтезу, починаючи з найраніших етапів посухи. Показано, що збільшення водного дефіциту спричинювало зменшення активності кількості CF, що призводило до зниження рівня АТФ та енергозабезпечення фотосинтетичного метаболізму. Однак залишається нез’ясованим, які чинники викликали зменшення кількості CF на раніх етапах посухи.