Биофизика курс лекций
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
. Убихинон сосредоточен на внутренней стороне плаз- молеммы, а цитохром с – на наружной. Расстояние между ними более 2,5 нм. Чтобы передать электрон цитохрому с, убихинон должен пересечь плазмо- лемму. Для этого он превращается в убихинол, присоединив вместе с парой электронов два протона, которые мембрана черпает из цитоплазмы. Убихи- нол перемещается от внутренней стороны плазмолеммы к наружной и, отда- вая там электроны цитохрому с, окисляется с отдачей 2Н + и выделением их в окружающую среду. Поглощение одного фотона обеспечивает перенос одно- го Н + -иона через плазматическую мембрану хлорофиллсодержащей бакте- рии. Содержание Н + в цитоплазме выше, чем в окружающей среде. Следова- тельно, система электронного транспорта в фотосинтетическом комплексе плазмолеммы хлорофиллсодержащей бактерии обеспечивает то же, что и бактериородопсин в плазматической мембране галобактерии, – трансмем- бранный перенос Н + -ионов в соответствии с их концентрационным градиен- том. Пассивный транспорт протонов приводит к эффекту обращения про- тонной помпы, сосредоточенной также в плазмолемме. В результате Н + - 101 зависимая АТФаза (Н-АТФаза), являющаяся главным компонентом протон- ного насоса, катализирует не гидролиз АТФ, а его синтез из АДФ и ортофос- фата, т. е. выполняет роль АТФсинтазы. За счет АТФ осуществляются все процессы жизнедеятельности хлорофиллсодержащей бактерии, включая под- держание ионных градиентов на ее плазматической мембране. Такие микроорганизмы не способны синтезировать углеводы за счет работы фотосинтетического комплекса, поскольку возбужденные электроны, отдав фитину, убихинолу и цитохрому избыточную энергию, возвращаются с цитохрома сна молекулу хлорофилла. Итак, фотосинтез у хлорофиллсодержащих бактерий ограничен обра- зованием АТФ за счет реализации протонного градиента на плазматической мембране. Дальнейшая эволюция жизни связана с появлением у зеленых рас- тений способности использовать фотосинтез для созидания углеводов и дру- гих высокомолекулярных органических веществ. Клетки зеленых растений (автотрофов) обеспечивают за счет фотосинтеза питательными веществами, а значит, и свободной энергией, как самих себя, так и гетеротрофов. Для син- теза углеводов электроны, возбужденные светом в хлорофилле, должны не только регулировать трансмембранный перенос Н + -ионов, но и переноситься на другие вещества, вплоть до СО 2 , а не возвращаться в молекулы, которым они прежде принадлежали. Поэтому цепь переноса возбужденных электро- нов, замкнутая у хлорофиллсодержащих бактерий, становится разомкнутой у зеленых растений. Фотосинтез у зеленых растений Энергия фотонов преобразуется в энергию химических связей синтези- руемых органических веществ. Скорость фотосинтеза измеряется количеством кислорода, выделенно- го за единицу времени. Она зависит от интенсивности поглощенного света. Максимальная скорость фотосинтеза при постоянном сильном освещении достигает одной молекулы О 2 (на одну молекулу хлорофилла) за 50 с. Источ- ником всего атмосферного кислорода служит вода, участвующая в реакциях фотосинтеза. При восстановлении углекислого газа до углевода осуществляется пе- ренос 4 атомов водорода с Н 2 О на СО 2 . Изменение свободной энергии в ре- акциях фотосинтеза при образовании одной молекулы О 2 составляет около 500 кДж∙моль -1 , на что затрачивается 8 квантов света с суммарной энергией примерно 1470 кДж∙моль -1 . Следовательно, коэффициент использования сол- нечной энергии при фотосинтезе достигает 34%. Примерно к такому же КПД можно прийти путем другого расчета – при сопоставлении энергии, заклю- ченной в 8 фотонах, с энергией, затрачиваемой на синтез углеводов. Свободная энергия, затрачиваемая на транспорт электронов против разности потенциалов при переносе атомов водорода с Н 2 О на СО 2 , черпает- ся из фотохимических процессов, в которых участвует хлорофилл.Каждая молекула хлорофилла тесно связана с донором (Д) и акцептором (А) элек- тронов. Поэтому при ее фотовозбуждении происходят следующие превраще- ния. Акцептор принимает электрон от возбужденного хлорофилла и превра- 102 щается в А - . Место этого электрона в хлорофилле занимает другой, прини- маемый им от донора. Электрон не может перейти с донора на акцептор не- посредственно, так как они пространственно разобщены и не взаимодейст- вуют между собой. Пространственное разобщение их обеспечивается тем, что донор и акцептор являются компонентами биологической мембраны и фиксированы в ее определенных точках. Не взаимодействуя между собой, А - и Д + , образовавшиеся под действием света при участии хлорофилла, могут участвовать в других окислительно-восстановительных реакциях с теми мембранными компонентами, которые тесно контактируют с ними. Вне био- мембраны фотосинтез не осуществляется. Местом фотосинтеза в зеленых растениях являются мембранные сис- темы хлоропластов. В этом специализированном органоиде, кроме двойной наружной мембраны, содержится сложно организованная сеть внутренних мембран, образующих многослойные структуры, упакованные в пачки (гра- ны). Внутренние мембраны ограничивают замкнутые объемы в виде упло- щенных пузырьков – тилакоидов. В каждом хлоропласте примерно 1000 ти- лакоидов, а в одной клетке – от 50 до 200 хлоропластов. В мембранах тила- коидов протекают светозависимые фотосинтетические реакции, так как там сосредоточены хромофоры – молекулы, поглощающие световую энергию. К ним относятся хлорофилл а, хлорофилл b, каротиноиды и другие пигменты. Хлорофилл поглощает свет наиболее интенсивно в синей и красной, но от- ражает в зеленой и желтой областях. Этим определяется зеленый цвет расте- ний. На один хлоропласт приходится примерно 10 9 молекул хлорофилла. Две разновидности хлорофилла (а и b), имея незначительные различия в химическом строении, существенно отличаются по физическим свойствам и биологической активности. О коренных отличиях в механизмах переноса энергии свидетельствует наличие флуоресценции у хлорофилла а (с кванто- вым выходом около 0,2) при ее отсутствии у хлорофилла b. Последний сам по себе непосредственно не участвует в фотосинтетических превращениях, но он входит в состав светособирающей пигментной матрицы, помогающей улавливать солнечную энергию. После фотовозбуждения хлорофилл b быст- ро передает свою избыточную энергию хлорофиллу а, который при этом воз- буждается и принимает непосредственное участие в фотосинтезе. Хлорофилл а может возбуждаться светом и без посредника, но участие хлорофилла b по- вышает коэффициент использования солнечной энергии. Он повышается также благодаря присутствию в светособирающей матрице других пигментов (каротиноидов и фикобилинов). Сопоставив спектры поглощения хлорофил- ла и каротиноидов, нетрудно убедиться, что хлорофилл поглощает энергию ограниченного участка солнечного спектра. Однако фотосинтез идет под действием почти всей видимой области электромагнитного спектра, посколь- ку зеленый свет хорошо поглощают каротиноиды, входящие в светособи- рающую матрицу. Кроме того, каротиноиды защищают хлорофилл от фото- окисления при избыточном освещении. Перенос энергии от различных пигментов этой матрицы на хлорофилл, а осуществляется по резонансному механизму. В конце концов, энергия фо- 103 товозбуждения достигает реакционного центра, в котором сосредоточено не- сколько молекул хлорофилла а, ориентированных определенным образом в тилакоидной мембране. Здесь начинается первая стадия фотохимического процесса . Совокупность реакционного центра и светособирающей матрицы называется фотосинтетической единицей . Каждая из них включает прибли- зительно 300 молекул хлорофилла. Фотосинтетическая единица входит в состав фотосистемы (ФС), ком- понентами которой являются также интегральные белки тилакоидной мем- браны. Мембранные протеины фиксируют многие молекулы хлорофилла на одной полипептидной цепи, создавая тем самым необходимую ориентировку пигмента. Комплекс «хлорофилл а – мембранный белок» служит главным уз- лом фотогенератора, как иногда называют фотосистему. Функциональным элементом тилакоидной мембраны считается квантосома, в состав которой входят две фотосистемы, не одинаковые по свойствам. В каждой ФС есть собственная фотосинтетическая единица, причем относительное содержание хлорофилла а в ФС I много выше, чем в ФС II. Обе фотосистемы поглощают свет с длинами волн короче 680 нм, но только ФС I способна возбуждаться и более длинноволновым светом, причем ее максимум поглощения приходится на 700 нм. Поэтому хлорофилл а, входящий в разные фотосистемы, имеет различное наименование: в ФС I его называют пигментом Р 700 , а в ФС II – пигментом Р 680 . Различия определяются не особенностями молекулярной структуры пигментов (она одинакова), а специфическим мембранным окру- жением хлорофилла а в ФС I и ФС II (вероятно, составом мембранных бел- ков, фиксирующих молекулы пигмента). В целом молекулярная масса кван- тосомы достигает 2∙10 6 дальтон. Между молекулами хлорофилла, принадле- жащими разным ФС в одной квантосоме, расположены молекулы других ве- ществ, входящих в ее состав и выполняющих функцию переноса электронов. Поэтому говорят, что ФС I и ФС II разобщены в пространстве тилакоидной мембраны, но сопряжены между собой системой переноса электронов, кото- рые переносятся с ФС II на ФС I, и обратный переход невозможен. В темноте молекула хлорофилла а пребывает на нижнем синглетном уровне. Световая энергия по резонансному механизму переводит его элек- троны на более высокий энергетический уровень. Полосы поглощения хло- рофилла соответствуют переходам S o →S 1 * (в красной области спектра) и S o →S 2 * (в синей области). Раствор хлорофилла a in vitro флуоресцирует за счет обратного перехода электронов с S 1 * на S 0 (заметим, что обратный пере- ход с S 2 * на S 1 – безызлучательный). С уровня S 2 * возможен также безызлу- чательный переход на метастабильный триплетный уровень Т. Находясь на нем, электроны хлорофилла могут перейти под действием света на уровень Т*, что означает возбужденное триплетное состояние хлорофилла. Именно такой переход присущ хлорофиллу in vivo, когда он встроен в тилакоидную мембрану. С уровня Т электроны могут возвратиться и на уровень S 0 , что со- провождается фотолюминесценцией. Поэтому хлорофилл алюминесцирует не только в пробирке, но и в хлоропластах. Однако его квантовый выход in vivo только 0,03-0,06, тогда как in vitro – 0,2. Из сопоставления этих чисел 104 ясно, что львиная доля энергии, выделяющейся при электронных переходах в облученной молекуле хлорофилла а, находящейся в тилакоидной мембране, идет на фотосинтез. Фотосинтез осуществляется за счет перехода возбужденных электро- нов с Т на Т*, при котором изменяется их спин. Появление же неспаренных электронов приводит к образованию свободных радикалов.Возникновение свободных радикалов при фотосинтезе доказано методом ЭПР. Полный цикл фотосинтетических превращений начинается с фотовоз- буждения хлорофилла ав ФС II (Р 680 ). Возбужденный электрон переносится с Р 680 на акцептор, тесно контактирующий с хлорофиллом в тилакоидной мем- бране. По-видимому, акцептором служит цитохром 555 (Q). На переход за- трачивается энергия возбуждения электрона, так как он преодолевает восста- новительный потенциал в 1,24 В (идет «в гору»). Приняв электрон, акцептор восстанавливается, а в молекуле хлорофилла, отдавшей его, возникает дырка. Она заполняется электроном воды, которая расщепляется в процессе фото- синтеза с образованием кислорода, протонов и электронов. По-видимому, расщепление воды (точнее, ее окисление до О 2 ) производит не сам возбуж- денный хлорофилл, а некое промежуточное окисленное соединение, обра- зующееся при возбуждении Р 680 . Окисление воды, приводящее к выделению кислорода, катализируется ферментной системой, содержащей трехвалент- ный ион марганца. Присоединив электрон, хлорофилл (Р 680 ) восстанавливается, и к нему возвращается способность возбуждаться новыми квантами света. Кислород выделяется в атмосферу. Протоны закисляют содержимое тилакоидов, под- держивая там более высокую концентрацию Н + по сравнению с цитозолем. Такова судьба всех продуктов расщепления воды при фотосинтезе. Теперь следует обратиться к электронам, покинувшим молекулы хло- рофилла (Р 680 ) и восстановившим вещество Q. Проследим их миграцию по цепи переноса ФС II. С вещества Q они последовательно переходят от одного компонента транспортной цепи к другому в направлении более высокого по- ложительного восстановительного потенциала («с горы») – к пластохинону и далее к пластоцианину. Свободная энергия, выделяющаяся при этом ступен- чато (дискретно), запасается тилакоидной мембраной и обеспечивает синтез АТФ из АДФ и ортофосфата. Так как скорость переноса электронов по транс- портной цепи ФС II не зависит от температуры, то возникло предположение о туннельном механизмемиграции электронов между окислительно- восстановительными компонентами этого каскада. Последним из них в ФС II является Р 700 , т. е. хлорофилл а, принадлежащий другой фотосистеме (ФС I) в данной квантосоме. Однако Р 700 приобретает способность принять электроны из ФС II только после того, как сам поглотит свет, возбудится и потеряет свой элек- трон, который поступит в транспортную цепь ФС I. При потере электрона в молекуле Р 700 возникает дырка, которую и занимает электрон, пришедший сюда из ФС II (с пластохинона). Следовательно, возбужденный хлорофилл, входящий в состав ФС II, восстанавливает пластохинон (до гидрохинона), а 105 возбужденный хлорофилл, принадлежащий ФС I, окисляет гидрохинон до пластохинона, возвращая ему способность принимать новые электроны от Р 680 . Такое сопряжение в работе двух фотосистем осуществляется в пределах одной квантосомы. В ней между молекулами хлорофилла, принадлежащими разным фотосистемам, иными словами, между Р 680 и Р 700 , расположено при- мерно 5 молекул пластохинона. Пигмент Р 700 , приняв электроны от компо- нентов ФС II, восстанавливается, и к нему возвращается способность возбу- ждаться светом. В ФС I пока не идентифицировано вещество с наибольшим (по моду- лю) отрицательным восстановительным потенциалом, на которое переходят возбужденные электроны с Р 700 . Обозначим его буквой X. Приняв электрон от возбужденного хлорофилла, Xстановится сильным восстановителем (Х - ), с которого начинается второй каскад переноса электрона в сторону более вы- сокого положительного восстановительного потенциала. Последним компо- нентом цепи транспорта электронов в ФС I является НАДФ + , восстанавли- ваемый до НАДФН. Донором водорода служит вода, расщепившаяся под действием света при участии хлорофилла (Р 680 ) еще на первой стадии фото- синтеза. Конечным акцептором электронов, прошедших последовательно ФС II и ФС I, является СО 2 . Перенос на него электронов с редокс-пары НАДФ + /НАДФН (восстановительный потенциал равен -0,324 В) осуществля- ется сложной ферментной системой, входящей в так называемый цикл Каль- вина – последовательность химических реакций, протекающих в 13 стадий. Энергия, выделяемая при транспорте электронов с названной редокс-пары на СО 2 , недостаточна для его восстановления до углеводов. Дополнительная энергия, необходимая для синтеза углеводов, поступает в цикл Кальвина в форме АТФ. Так, образование одной молекулы гексозы из 6 молекул СО 2 обеспечивается не только переносом электронов с НАДФН на СО 2 , но еще и 18 молекулами АТФ. Этот макроэрг образуется также в реакциях фотосинте- за посредством преобразования солнечной энергии, поглощенной хлорофил- лом. Синтезу АТФ служит транспорт в квантосоме (в ФС II и ФС I) до этапа восстановления НАДФ + За счет поглощения двух квантов света двумя молекулами хлорофилла (Р 680 и Р 700 ), принадлежащими одной квантосоме, происходит перенос одного электрона на СО 2 . Кроме того, энергия этих двух фотонов обеспечивает пе- ренос одного электрона с воды на Р 680 . Рассматривая процессы электронного транспорта в ФС II и ФС I в совокупности, можно заключить, что поглоще- ние двух квантов света двумя молекулами хлорофилла приводит к переносу одного электрона с Н 2 О на СО 2 , из которого синтезируются углеводы. В ходе двухтактного (в ФС II и ФС I) фотоэлектронного преобразова- ния возникают молекулярный кислород, НАДФН (восстановленный НАДФ), а также АТФ. Это единственная, хотя и сложная (многоступенчатая) световая реакция в процессе фотосинтеза. Дальнейшие аутотрофные биосинтетиче- ские реакции не нуждаются в свете. Они происходят в зеленых растениях за счет энергии, заключенной в электронах, принадлежащих НАДФН и АТФ. 106 Лучше других реакций фотосинтеза изучен процесс образования шес- тиуглеродной молекулы глюкозы из 6 молекул СО 2 и 6 молекул Н 2 О (реакция фиксации углекислого газа).12 пар возбужденных электронов, необходимых для осуществления этой реакции, поступают от НАДФН. Дополнительным поставщиком свободной энергии служат 18 молекул АТФ. Вклад НАДФН и АТФ в фотосинтез одного моля глюкозы составляет соответственно 660 и 252 ккал. Аналогично углеводам происходит фотосинтез всех биологически важных макромолекул. И здесь нужно подчеркнуть, что для созидания угле- водов, белков, жиров, нуклеиновых кислот и других высокомолекулярных органических соединений из двуокиси углерода, воды, нитратов, сульфатов и прочих сравнительно простых веществ необходим колоссальный приток электронов к ним. Углеводы, белки, жиры служат основными питательными веществами для гетеротрофов. В ходе катаболических процессов, также обеспечиваемых электрон-транспортными системами, освобождаются электроны примерно в таком же количестве, в каком они захватывались органическими веществами при их фотосинтезе. Электроны, освобождающиеся при катаболизме, пере- носятся на молекулярный кислород дыхательной цепью митохондрий. Здесь окисление сопряжено с фосфорилированием – синтезом АТФ посредством присоединения к АДФ остатка фосфорной кислоты (т. е. фосфорилирования АДФ). Этим обеспечивается энергоснабжение всех процессов жизнедеятель- ности животных и человека. |