Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Глава 8. Окислительное фосфорилирование
Суммарный процесс последовательного катаболического превращения одного моля глюкозы в ходе гликолиза, окислительного декарбоксилирования пирувата и в цикле Кребса приводит к образованию 10 моль NADH (NADРH), 2 моль FADH2, 2 моль АТФ и 2 моль ГТФ. Аэробная клетка может использовать энергию, выделяющуюся при окислении восстановительного потенциала NADH (NADРH), для образования максимального количества АТФ. В простейшем виде эта реакция записывается уравнением: Энергетический эффект этой реакции примерно соответствует окислению водорода кислородом (220 кДж/моль). Эта энергия должна оптимальным образом использоваться для образования АТФ, на биосинтез которого из АДФ и фосфата затрачивается 14 ккал/моль (более 60 кДж/моль). Если учесть, что за сутки организм человека потребляет 2800 ккал/моль, то это соответствует образованию примерно 200 моль или 100 кг АТФ, хотя в организме его стационарное содержание составляет около 50 г. Эти цифры показывают с какой эффективностью работает механизм воспроизводства расходуемого АТФ, причем потребность в нем меняется в зависимости от рода деятельности, в каждый отдельный момент (активная работа, отдых, сон и т.д.). Еще на ранней стадии биохимических исследований было установлено, что энергетическими «фабриками» аэробных эукариотических клеток являются митохондрии, а у прокариот синтез АТФ идет в клеточных мембранах. Митохондрии представляют собой органеллы размером примерно 0,5´1,5 мкм красновато-коричневого цвета (основной цвет пигментов, входящих в состав мембран), их число в клетках животных колеблется в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч Строение митохондрий из разных организмов единообразно; они окружены двойной мембраной (рис. 8.1). Внешняя гладкая мембрана содержит транспортные белки и ферменты, отвечающие за превращения аминогрупп (моноаминоксидазы), а также ферменты, участвующие в обмене жирных кислот. Внутренняя мембрана митохондрий для увеличения ее поверхности образует множество впячиваний, называемых кристами. Итак, содержимое митохондрии разделено на два объема: межмембранное и внутреннее пространство (матрикс), отделенное от межмембранного пространства внутренней мембраной. Митохондрии делятся, причем они содержат свою собственную нитевидную ДНК и набор РНК, что позволяет сделать предположение о том, что их присутствие в клетке представляет собой нечто вроде симбиоза: они могли образоваться в результате эндоцитоза аэробных прокариот анаэробными эукариотами и сохраниться в них, получая питательные вещества и снабжая приютившую их клетку аденозинтрифосфатом. Все митохондрии в клетках организмов, размножающихся половым путем, получены от материнской клетки. Это позволяет использовать ДНК митохондрий для установления родства.
Основные катаболические процессы локализованы в матриксе митохондрий. Сюда соответствующими транспортными системами переносятся субстраты для цикла Кребса и катаболического превращения жирных кислот (пируват, глутамат, аспартат, малат, 2‑кетоглутарат, цитрат, жирные кислоты), а также АДФ и фосфат, из которых образуется АТФ. Именно в матриксе митохондрий протекают конечные стадии катаболического превращения углеводов и жирных кислот, сопровождающиеся образованием восстановительного потенциала. Что же мы знаем о механизме образования АТФ в митохондриях? Субстратный путь образования АТФ, который реализуется живой природой при анаэробном катаболическом превращении глюкозы (перенос макроэргической фосфатной связи на АДФ с 1,3-дифосфоглицерата и с фосфоенолпирувата), очевидно, не может быть достаточно эффективно использован при окислении восстановительного потенциала, заложенного в NADH (NADРH) и в FADH2. Поэтому эволюция клеток в кислородсодержащей среде пошла по принципиально иному пути, использующему для синтеза АТФ электрохимический потенциал и градиент концентраций протонов с коэффициентом полезного действия, достигающим 60%. Этот процесс называют окислительным фосфорилированием. Реакция окисления NADH может быть представлена двумя полуреакциями. Сначала NADH отдает пару электронов по схеме: В стандартных биохимических условиях окислительно-восстановительный потенциал Е ° этого процесса равен –0,320 В. Затем пара электронов переносится на кислород: Для этой полуреакции Е ° = +0,816 В. Суммарная реакция окисления NADH кислородом характеризуется значением Е ° 1,136 В, что соответствует D G °¢ около 220 кДж/моль, тогда как на образование одного моля АТФ затрачивается более 60 кДж.
Электроны, отданные восстановленными формами никотинамидадениндинуклеотида (NADH) или его фосфата (NADPH) и флавопротеинов, переносятся во внутренней мембране митохондрий в результате окислительно-восстановительных превращений молекул убихинона и атомов железа в железосерных белках и в гемовых структурах в составе цитохромов (обычно их называют пигментами электронпереносящей цепи). Движение электронов по компонентам электронпереносящей цепи сопровождается снижением восстановительного потенциала каждого принявшего электрон участника процесса, что в свою очередь сопровождается выделением энергии, которая может быть использована для синтеза АТФ. При этом исключается образование макроэргических соединений из компонент электронпереносящей цепи и фосфатов, так как при нарушении целостности внутренней мембраны митохондрии она продолжает окислять NADH (NADРH), но перестает генерировать АТФ. Есть даже митохондрии с пористой внутренней мембраной (митохондрии бурого жира), которые предназначены исключительно для генерирования теплоты. Было установлено, что в межмембранном пространстве устанавливается кислая среда, и есть много соединений, которые хорошо растворяются в липидах мембран как в виде аниона, так и в протонированном виде. Оказалось, что в их присутствии даже сплошная мембрана перестает синтезировать АТФ. Такие вещества называют разобщителями окислительного фосфорилирования. Классический пример – 2,4-динитрофенол. Некоторое время это соединение даже использовали в качестве медикаментозного средства для снижения веса. Его присутствие в организме приводит к непроизводительному расходованию пищевых веществ, выражающемуся в повышении температуры тела. Антибиотик валиномицин, структура которого напоминает баранку, составленную из повторяющихся фрагментов валина, гидроксиизовалериановой кислоты и молочной кислоты, переносит через мембраны ионы калия, снижая тем самым электрохимический мембранный потенциал. Это вещество послужило отправной точкой для получения циклических краун-эфиров, используемых в качестве катализаторов межфазного переноса. Итак, упомянутые выше косвенные данные говорят о том, что движущей силой в образовании АТФ является разность концентраций протонов по разные стороны внутренней мембраны митохондрий. Митохондриальная цепь переноса электронов включает: · никотинамидадениндинуклеотидный акцептор электронов и флавопротеин с флавинмононуклеотидом; · белки с железосерными кластерами, в которых атомы железа (два и более) связаны с сульфгидрильными группами цистеиновых фрагментов белка с участием неорганических сульфидных структурных элементов; · убихинон, связанный с мембраной исключительно гидрофобным взаимодействием олигоизопреноидного остатка этого вещества с липидными компонентами мембран; · цитохромы (cyt b, cyt c 1, cyt c, cyt a, cyt a 3) – белки с различными гемами. Все компоненты цепи переноса электронов, кроме цитохрома с (этот низкомолекулярный белок легко отмывается солевыми растворами), интегрированы в мембрану. В старых учебниках по биохимии приводится такая последовательность движения электронов по электронпереносящей цепи:
NADРH ® FMN ® убихинон ® cyt b ® cyt c 1 ® cyt c ® cyt aa 3 ® O2 Железосерные белки выполняют роль посредников (накопителей электронов) при контакте FMN с убихиноном и цитохрома b с цитохромом с1. В железосерных белках и в цитохромах перенос электронов осуществляется путем окисления и восстановления атомов железа Fe2+ и Fe3+. Убихинон (кофермент Q) переносит электроны путем превращения его в гидрохинон: Понятно, что с помощью убихинона идет не только транспорт электронов, но и перенос протонов, которые при образовании аниона гидрохиноновой формы могут быть приняты в матриксе, а при окислении с образованием хиноновой формы они могут быть отданы уже в межмембранное пространство. У гидрохинонов есть три степени окисления: сами гидрохиноны, свободнорадикальные семихиноны (–е–) и хиноны (–2е–), все они включены в систему транспорта протонов против градиента концентрации. Перенос протонов возможен также в результате окислительно-восстановительных превращений гемов, так как в максимальной степени окисления атом железа связан с одним анионным остатком, а при переходе железа в двухвалентное состояние этот анион может быть протонирован. Очень важна роль цитохромов а и а3, связанных в прочный комплекс. Эти переносчики электронов имеют две гемовых компоненты и два иона меди, которые также участвуют в переносе электронов за счет перехода Важность согласованной работы комплекса цитохромов а и а3 состоит в том, что они должны одновременно перенести на молекулу кислорода четыре электрона. Любой сбой в этой системе вызовет образование активного окислителя – супероксида (один электрон), пероксида (два электрона) или гидроксильного радикала (три электрона). В соответствии с устаревшими представлениями о работе системы окислительного фосфорилирования предполагалось, что перенос электронов от NADРH сопровождается переносом из матрикса в межмембранное пространство шести протонов, в результате чего в нем устанавливается кислая среда с рН около 4,0. Возникший градиент концентраций протонов при обратной диффузии их через АТФ‑синтетазный комплекс белков приводит к фосфорилированию АДФ активным фосфатом (в схеме А и R означают, соответственно, адениновый и рибозидный остатки): Сегодня считается, что интегрированные в мембрану пигменты электронпереносящей цепи скомпонованы в четыре комплекса. В состав первого входит NAD, второй включает FAD, третий –цитохромы b и с1, четвертый – цитохромы а и а3. Цитохром с – это периферический гемопротеин с небольшой молекулярной массой (в его составе кроме гема около ста аминокислот), он растворим в воде и легко перемещается по внешней стороне внутренней мембраны, осуществляя связь между разными комплексами электронпереносящей цепи.
Установлено, что для синтеза одной молекулы АТФ из межмебранного пространства в матрикс входят три протона. Но для этого из матрикса должны выйти четыре протона, так как один протон теряется при обмене молекулы АТФ, образовавшейся в матриксе, на поступающие из межмембранного пространства АДФ и фосфат. Работа электронпереносящей цепи, сопровождающая окислением восстановительного потенциала одной молекулы NADH (NADРH), завершается выходом из матрикса в межмембранное пространство десяти протонов. Окисление молекулы FADH2 с более низким восстановительным потенциалом сопровождается выходом шести протонов. Из них, очевидно, два протона – это результат образования в матриксе недиссоциирующей молекулы воды из молекулы кислорода (связывание двух протонов в матриксе эквивалентно появлению двух протонов в межмембранном пространстве), а еще восемь (или четыре от FADH2) – это не установленная во всех деталях работа убихинона и других пигментов электронпереносящей цепи. В соответствии с этим окисление 1 моль NADH (NADРH) завершается образованием 2,5 моль АТФ, а окисление одного моля FADH2 дает 1,5 моль АТФ. Внутренняя (обращенная к матриксу) поверхность крист внутренней мембраны плотно покрыта сферическими белковыми структурами, которые прикреплены к погруженному в мембрану комплексу нескольких интегрированных белков. Вместе они образуют ферментную систему АТФ-синтетазы (иногда ее называют также АТФ‑синтазой), осуществляющей биосинтез АТФ из АДФ и фосфата. В ходе эволюции этот фермент изменялся очень незначительно. Во всяком случае различия между АТФ‑синтетазами прокариот, одноклеточных организмов, хлоропластов в растениях, митохондрий в клетках растений и животных очень незначительны. Принцип функционирования АТФ-синтетаз лежит также в основе биохимических систем, приводящих в движение жгутики однолеточных и сперматозоидов. Долгое время не удавалось установить механизм работы АТФ-синтетазы. Было известно, что она состоит из двух принципиально различных комплексов белков. Один из них с обозначением Fo (он блокируется олигомицином) интегрирован в мембрану, другой (F1) связан с первым, но выступает из мембраны. Их можно разделить, поместив мембрану с АТФ-синтетазой в солевой раствор, отделяющий растворимую в воде компоненту F1 от мембраны. Современные достижения в исследовании пространственного строения белков позволили получить достаточно точное представление о функционировании этой системы, похожей на электромотор из белковых молекул (рис. 8.2).
Интегрированная в мембрану компонента Fo состоит из трех различных типов фиксированных в липидах мембраны гидрофобных белковых субъединиц (а, b и c). Субъединица а является частью системы, преобразующей энергию движущихся по градиенту концентраций протонов во вращательное движение. Образованная двумя пептидными цепями субъединица b связывает с мембраной компоненту F1, лишая ее возможности вращаться вместе с выполняющей роль ротора субъединицей γ, входящей в состав компоненты F1. Субъединицы с расположены по кругу. У бактерии Escherichia Coli он образован двенадцатью пептидными цепями, каждая из которых сложена вдвое с перегибом примерно в середине цепи. Каждая пептидная цепь субъединицы с имеет активный центр, вызывающий перемещение субъединицы с по кругу при прохождении протонов из межмембранного пространства в матрикс митохондрии на границе контакта субъединиц а и с. Растворимая в воде компонента F1 находится на обращенной к матриксу стороне внутренней мембраны митохондрии. В ее состав входят пять типов субъединиц – α, β, γ, δ и ε. Три пары белков, состоящих из субъединиц α и β, образуют каталитические системы, на которых идет синтез АТФ из АДФ и фосфата. Связанная с субъединицей с вращающаяся ось АТФ-синтазы обозначается как γ. Ее вращение, вызванное движением протонов в компоненте Fо, вызывает структурные перестройки в субъединицах a и b. Субъединица δ соединяет комплекс трех пар белков a и b с интегрированной в мембрану субъединицей b, и не дает им вращаться вместе с осью γ. Предполагается, что субъединица ε связывает с осью γ кольцо из субъединиц с. Активные центры, отвечающие за биосинтез АТФ, расположены между белками a и b. Структурной перестройкой образующих активный центр аминокислотных фрагментов этих пар белков управляет ротор g. В одном фиксированном положении активный центр, образованный первой парой белков a и b, открыт, и в него входят и соответственно ориентируются молекулы АДФ и фосфорной кислоты. В другой паре a и b создаются условия для фосфорилирования АДФ фосфорной кислотой и образуется АТФ (по приведенной на стр. 164 реакции активации фосфорной кислоты с образованием фосфорцентрированного катиона). В третьей паре активный центр раскрыт и образовавшаяся молекула АТФ покидает его. В результате диффузии трех протонов через субъединицу Fо ротор g и связанный с ним белок e поворачиваются на 120° и вызывают структурную перестройку в создающих активный центр белках a и b, в результате которой в первой паре создаются условия для синтеза АТФ, вторая пара открывает активный центр и освобождается от образовавшей молекулы АТФ, а третья пара принимает АДФ и фосфат. В следующем повороте на 120° роли снова поменяются в этом порядке. Поскольку в состав комплекса F1 входят три пары катализирующих биосинтез АТФ белков a и b, один полный оборот ротора g с белком e в самом благоприятном случае приводит к образованию трех молекул АТФ. Работа этой системы носит обратимый характер. В избытке АТФ ротор вращается, вызывая транспорт протонов против градиента концентраций (АТФ при этом гидролизуется на АДФ и фосфат). Этот процесс используется некоторыми бактериями для поддержания водно-солевого баланса. В АТФ-синтетазе природой реализован не имеющий аналогов в органической химии механизм использования энтропийного фактора для образования источника свободной химической энергии. Для раскрытия деталей этого механизма было использовано много оригинальных методик, включая, например, присоединение к выступающему из F1 субъединицы концу ротора g фибриллярного белка актина с молекулами светящегося в УФ-свете люминофора, присоединенного к функциональным группам на поверхности этого фибриллярного белка. С помощью микроскопа можно наблюдать его вращение и даже определять скорость вращения. Весь этот комплекс исследований был отмечен Нобелевской премией 1997 г. (П.Д. Бойер и Дж. Э. Уокер). ГЛАВА 9. ФОТОСИНТЕЗ Фотосинтез – это основной анаболический процесс, основанный на ассимиляции диоксида углерода с образованием углеводов, протекающий на свету во всех содержащих хлорофилл клетках. В катаболических окислительных превращениях и при горении углеводов образуются диоксид углерода и вода, выделяется энергия и потребляется кислород. Из этого следует, что обратный процесс может протекать только с затратой энергии (ее то и поставляет поглощаемый хлорофиллами свет) и с участием восстановительного потенциала. Поскольку в природе водород находится в виде протонов, восстановление диоксида углерода должно сопровождаться переносом электронов от какого-либо донора (ХΘ): Интенсивность фотосинтеза зависит от температуры и поэтому все протекающие при этом реакции не могут быть чисто фотохимическими. Это подтверждается и тем, что ассимиляция диоксида углерода некоторое время продолжается и после переноса растения в темноту. Понятно также, что энергия света должна быть трансформирована в обычный для живых клеток источник химической энергии, которым может быть только АТФ. Поскольку окислительно-восстановительный потенциал системы глюкоза–кислород/вода–диоксид углерода равен примерно –0,4 В, участвующий в превращении СО2 → углеводы восстановитель должен иметь более сильный восстановительный потенциал. В этой роли выступает NADPH с восстановительным потенциалом, равным около –0,45 В. Эти общие рассуждения приводят к следующим выводам: 1. Превращение диоксида углерода в углеводы требует восстановительного потенциала и АТФ. 2. Свет нужен только для образования в клетке аденозинтрифосфата и NADPH. 3. При наличии в клетке АТФ и NADPH превращение диоксида углерода в углеводы может идти и без света (правда это не совсем верно, так как некоторые участвующие в ассимиляции ферменты активируются светом). Организмы, использующие в качестве источника энергии свет, очень разнообразны, а масштабы фотосинтеза можно проиллюстрировать тем, что весь кислород атмосферы Земли имеет биогенное происхождение. В настоящее время около половины всего кислорода поступает из воды в результате жизнедеятельности водорослей и фитопланктона. В растительных клетках фотосинтез протекает в органеллах, которые называются хлоропластами (рис. 9.1). Во внутренней среде (строме) хлоропластов, отделенной от цитозоля двойной мембраной, находятся плоские тилакоиды, стопки из которых образуют граны, все тилакоиды соединены протоками. В мембране тилакоидов содержатся ферменты, транспортные белки и электронпереносящие пигменты. Одним из ферментов в мембране тилакоидов является АТФ-синтетаза, она аналогична АТФ-синтетазе митохондрий, работа которой представлена на стр. 165–168. Фиксация диоксида углерода идет в строме с участием соответствующих ферментов. Имеется определенное подобие хлоропластов и митохондрий, но набор транслоказ и ферментов в хлоропластах значительно беднее, поскольку в растениях основные катаболические превращения также протекают в митохондриях. Для поглощения энергии света в фотосинтезирующих клетках содержатся хлорофиллы – магнийпорфирины зеленого цвета: В число вспомогательных пигментов входят каротиноиды, защищающие молекулы хлорофиллов от повреждения активированным кислородом:
b-Каротин Плоская металлопорфириновая структура хлорофилла фиксирована и определенным образом ориентирована в мембране тилакоида липофильным фрагментом сесквитерпенового спирта фитола, связанного эфирной связью с карбоксильной группой. Циклическая система сопряженных двойных связей позволяет молекулам хлорофиллов поглощать в видимой области спектра широкие полосы с длинами волн около 450 нм (синий цвет) и около 650–700 нм (красный). Поглощение света сопровождается переходом электронов на орбитали с более высокой энергией. Так, поглощение «красного» фотона соответствует переходу электрона на первый энергетический уровень, «синего» – на второй. При этом составляющие пару электроны находятся в синглетных состояниях S 0, S 1 и S 2 (нулевой, первый и второй уровни), сохраняя антипараллельность спинов. В молекулах с большим числом сопряженных двойных связей p‑электроны делокализованы, и для них становится возможным нахождение на нескольких подуровнях с энергиями выше и ниже основного p-p*-перехода изолированной двойной связи. На каждом из возбужденных состояний возможен безизлучательный переход возбужденного электрона (экситона) на более низкие подуровни с потерей энергии в виде теплоты при соударениях с другими молекулами. Этот процесс называется колебательной релаксацией. Возможен также безизлучательный переход электрона с орбитали S 2 на орбиталь S 1 в результате внутренней конверсии, если у подуровня с низкой энергией орбитали S 2 есть энергетический (частотный) эквивалент на одном из высоких подуровней орбитали S 1. Возврат на нулевой уровень протекает с излучением кванта света (флуоресценция) через несколько нано- или даже микросекунд после его поглощения. При спонтанных обращениях спинов возбужденных электронов возвращение на нулевой уровень становится невозможным из-за того, что оба электрона пары получают параллельные спины. Такие возбужденные состояния, называемые триплетными (Т 1, Т 2), могут обмениваться электронами с молекулой кислорода, оба атома которой находятся в триплетном состоянии, и тогда образуется синглетный кислород, который обладает повышенной реакционной способностью по отношению к органическим веществам. Для нейтрализации (гашения) триплетного состояния хлорофилла и синглетного состояния кислорода в состав пигментов мембран тилакоидов входят каротиноиды, сопряженные двойные связи которых образуют электроннопе облако, задерживающее электрон с обращенным спином в неактивном состоянии. Излучательный возврат возбужденного триплетного состояния хлорофилла в невозбужденное синглетное возможен только после повторного обращения спина экситона. Это обычно растянуто во времени, и такое свечение называют фосфоресценцией. Независимо от длины волны поглощаемого света хлорофилл флуоресцирует и фосфоресцирует только в красном свете. Цвет листа растения определяется соотношением пигментов в мембранах тилакоидов. Он может меняться от сине-зеленого у ели до темнобурого у некоторых декоративных растений и водорослей, но зеленые хлорофиллы обязательны для всех фотосинтезирующих биохимических систем. Все пигментные молекулы фотосистем поглощают свет и могут обмениваться экситонами, но на группу из примерно 200 молекул хлорофилла и 50 молекул каротиноидов есть одна пара молекул хлорофилла, связанных в комплекс с белком. Этот хлорофилл лежит в начале электронпереносящей цепи пигментов, превращающих световую энергию в химическую. В отличие от интегрированных в мембрану молекул хлорофилла, называемых антенными, комплекс хлорофилла и белка называют фотохимическим реакционным центром,или фотореакционным центром. Передача экситона от одной молекулы к другой происходит в области перекрывания электронных облаков молекул: экситон переходит в электронное облако другой молекулы, а его место занимает S 0-электрон этой молекулы. Возбужденные электроны передаются от одной молекулы антенного хлорофилла к другой до тех пор, пока не оказываются в молекуле хлорофилла фотореакционного центра (рис. 9.2). Отсюда начинается их путь по пигментам мембраны тилакоидов для совершения работы по синтезу АТФ и для превращения NADP+ в NADPH. Тилакоидные мембраны высших растений содержат фотосистемы двух типов со своим набором антенных молекул и фотохимическими реакционными центрами. Фотосистема I (ФС I) поглощает свет в более длинноволновой области (около 700 нм), и при облучении изолированных хлоропластов монохроматическим светом с этой длиной волны генерируется восстановительный потенциал при невысокой скорости образования кислорода и биосинтеза АТФ. Основная полоса поглощения хлорофиллов фотосистемы II (ФС II) лежит в области 680 нм, и облучение хлоропластов только таким светом приводит к усилению синтеза АТФ с выделением кислорода. Существуют также микроорганизмы, в клетках которых фотосинтез не сопровождается генерированием кислорода. Их мембраны содержат только компоненты фотосистемы I. Фотосинтезирующие микроорганизмы, обитающие в восстановительных средах, передают электроны возбужденного состояния хлорофилла на NADP+, а образовавшийся дефицит электронов восполняет донор, принимающий их от субстратов восстановителей (органические вещества, сероводород или др.). Однако подавляющее большинство растений и использующих энергию света одноклеточных микроорганизмов находятся в условиях, где источники легкодоступных электронов отсутствуют, и они вынуждены с большой затратой энергии отбирать их у воды – вещества, которое в большем или меньшем количестве присутствует повсеместно. В процессе эволюции живого у таких автотрофных клеток возникла дополнительная фотосистема – ФС II, которая за счет лучистой энергии приобретает способность окислять кислород воды. В результате согласованной работы ФС I и ФС II в мембранах хлоропластов возникает ток электронов от воды к NADP+ через цепь пигментов. В фотосистеме II антенные молекулы хлорофилла передают возбужденные электроны на фотореакционный центр, от которого они поступают на пластохинон (он аналогичен убихинону в мембранах митохондрий): затем на цитохромы b и f (сyt b, сyt f) и далее через пластоцианин на фотореакционный центр ФС I. Молекулы хлорофилла в фотохимическом реакционном центре ФС II после передачи возбужденных электронов молекулам пластохинона превращаются в ион-радикалы (P680+·), которые получают электроны от молекул воды через окислительно-восстановительную систему, основанную на металлопротеине, в состав которого входит ион марганца Mn2+. Фотореакционный центр ФС I, представляющий собой белково-хлорофилловый пигмент (P700), отдает электроны ферредоксину – металлопротеину с атомами железа в окружении сульфидных групп. Эти посредники с помощью фермента ферредоксин-NADP+-оксидоредуктазы восстанавливают никотинамидадениндинуклеотидфосфат: Энергия электронов в ФС II используется также для создания градиента концентраций ионов водорода с подкислением (рН ≈4,0) внутренней среды тилакоидов, то есть градиент концентраций создается между внутритилакоидным пространством и стромой. Как и в окислительном фосфорилировании протоны проходят через АТФ‑синтетазу, но в этом случае ее выступающаяся из мембраны субъединица F1 направлена в сторону стромы. Комплекс из ФС I и ФС II работает достаточно гибко. Если нет необходимости в восстановительном потенциале (весь NADP+ превратился в NADPH), то электрон от ФС II не поступает в цепь переноса электронов ФС I, а возвращается на пигменты ФС II и в циклическом процессе продолжает участвовать в создании градиента концентрации протонов, обеспечивая работу АТФ-синтетазы. Механизм переноса протонов в электрон-переносящей цепи в мембране тилакоида аналогичен тому, который рассматривался при изучении окислительного фосфорилирования (см. стр. 162–164). Здесь также определенную роль играет вода, но если при окислительном фосфорилировании перенос электронов на молекулу кислорода приводил к связыванию четырех протонов с образованием воды, то в фотосинтезе при окислении молекулы воды остаются два протона. В соответствии с этим ферментная система, окисляющая воду и генерирующая кислород, расположена на внутренней стороне мембраны тилакоида и подкисляет его внутреннее пространство. В 1937 г. профессор Кембриджского университета Р. Хилл показал, что выделение кислорода и восстановление диоксида углерода не связаны в единый процесс. Он облучал светом суспензию хлоропластов, выделенных из растительных клеток, в растворе синего красителя, восстановленная форма которого бесцветна. При этом оказалось, что обесцвечивание красителя, сопровождающееся выделением кислорода, идет только на свету, и роль лучистой энергии сводится таким образом к индукции переноса электронов от кислорода воды к акцептору по уравнению: Это уравнение в общем виде называют реакцией Хилла, а А – реагентом Хилла. Интенсивность этого упрощенного варианта фотосинтеза легко определяется спектрофотометрически по изменению оптической плотности раствора красителя, и поэтому реакцию Хилла часто используют для оценки биологической активности гербицидов, механизм действия которых направлен на ингибирование фотосинтеза. В стандартных условиях можно сравнивать различные фитоактивные вещества без учета факторов детоксикации, активации или транспорта в многоклеточном растении. В хлоропластах роль реагента Хилла выполняет NADP+. Многоступенчатый путь окислительно-восстановительных превращений пигментов в мембранах хлоропластов очень уязвим. Многие вещества могут вмешиваться в этот процесс, блокируя перенос электронов от одного члена цепи к другому. В частности, мочевинные и триазиновые гербициды – диурон и симазин:
связываются с регуляторным центром белково-хлорофиллового комплекса ФС II и останавливают перенос электронов на пластохинон. Тогда возбужденные электроны переходят на кислород, и превращают его в сильнейший окислитель ион-радикал супероксид – О2–•, который вызывает окислительную деструкцию липидных составляющих клеточных мембран и гибель растения. Действие дипиридиллиевых солей основано на вмешательстве в функционирование ФС I. Такие вещества, как паракват, очень близки по потенциалу восстановления к NADP+ и, конкурируя с ним в активном центре ферредоксин-NADP+-оксидоредуктазы, принимают электроны, превращаясь в сравнительно устойчивые окрашенные свободные радикалы (на схеме приведена одна из шести возможных мезомерных структур): Образовавшийся свободный радикал (у параквата он окрашен в фиолетовый цвет) отдает неспаренный электрон кислороду, возвращается в исходное состояние и может снова принимать электрон в ФС I: Превратившаяся в супероксид молекула кислорода запускает цепь окислительных превращений в растительных клетках, вызывая их гибель. Каким же образом идет фиксация диоксида углерода при фотосинтезе? Опыты с меченным по углероду CO2 показали, что у большинства растений первым соединением с радиоактивной меткой оказывается 3-фосфоглицерат и лишь потом это соединение превращается в другие вещества с бóльшим или меньшим количеством атомов углерода. Было установлено, что образование 3-фосфоглицерата протекает с помощью фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы, локализованной на поверхности тилакоидных мембран. Этот самый распространенный фермент биосферы имеет молекулярную массу около 550 кДа, и в его состав входят 8 каталитических и 8 регуляторных субъединиц. Химизм процесса представляется следующим образом: енольная форма 1,5-дифосфорибулозы образует стабильный нуклеофильный анион, который при ферментативном катализе реагирует с диоксидом углерода с образованием аниона фосфорилированной b‑кетокислоты, разлагающейся водой с разрывом C–C-связи между вторым и третьим углеродным атомами углеродного скелете рибулозы: Дальнейшие превращения молекул фосфоглицерата описываются циклом Кальвина. Двенадцать молекул фосфоглицерата, образовавшихся в результате присоединения шести молекул диоксида углерода к шести молекулам дифосфорибулозы, фосфорилируются АТФ по карбоксильной группе и восстанавливаются действием NADPH до фосфоглицеринового альдегида. После этого пять молекул фосфоглицеринового альдегида изомеризуются в фосфат диоксиацетона. По реакции, обратной начальному этапу гликолиза, из трех молекул фосфоглицеринового альдегида и трех молекул фосфата диоксиацетона образуются три молекулы 6-фосфофруктозы. Одна молекула 6-фосфофруктозы выводится из цикла и включается в обычные метаболические процессы (например, идет на биосинтез крахмала), а две оставшихся реагируют с двумя молекулами 3-фосфоглицеринового альдегида по схеме Эта катализизируемая транскетолазой реакция приводит к образованию эритрозо-4-фосфата и ксилулозо-5-фосфата. Две молекулы эритрозо-4-фосфата и две молекулы фосфата диоксиацетона при катализе альдолазой реагируют с образованием двух молекул соответствующей дифосфогептулозы, гидролизующейся до 7‑фосфоседогептулозы. Затем две молекулы 7-фосфоседогептулозы и две молекулы фосфоглицеринового альдегида при катализе транскетолазой по аналогии с приведенной выше схемой превращаются в две молекулы 5-фосфорибулозы и две молекулы 5-фосфоксилулозы, а четыре молекулы 5-фосфоксилулозы (две из этой и две из предыдущей реакции) при катализе соответствующей эпимеразой также превращаются в 5-фосфорибулозу. В общем виде это представляется схемой: Все эти превращения относятся к реакциям, для протекания которых свет уже не нужен, их протекание обеспечивается накопленными в процессе фотосинтеза аденозинтрифосфатом и NADPH, поэтому их называют темно
|
|||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2021-05-12; просмотров: 110; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.135.219.166 (0.075 с.) |