Молекулярная биология клетки. Том 1. Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology
 Скачать 25.6 Mb.
|
|
7.3.6. Фотосинтез определяется фотохимией молекулы хлорофилла [31] Рассмотрев реакции связывания углерода, вернемся теперь к вопросу о том, как в процессе фотосинтетического переноса электронов, протекающем в хлоропласте, образуются АТР и NADH, необходимые для синтеза углевода из СО 2 и Н 2 О (см. рис. 7-41). Необходимая энергия извлекается из солнечного света, поглощаемого молекулами хлорофилла (рис. 7-46). Процесс преобразования энергии начинается с возбуждения молекулы хлорофилла квантом света (фотоном), сопровождающегося переходом электрона на более высокий энергетический уровень. Такая возбужденная молекула нестабильна и стремится вернуться к исходному состоянию одним из трех способов: 1) в результате превращения избыточной энергии в тепло (в молекулярное движение), либо в тепло и свет с большей длиной волны (флуоресценция) в том случае, когда лучистая энергия поглощается отдельной молекулой хлорофилла в растворе; 2) в результате передачи энергии (но не электрона) непосредственно соседней молекуле хлорофилла при помощи процесса, называемого резонансной передачей энергии; или 3) путем передачи высокоэнергетического электрона одной из ближайших молекул (акцептору электрона) и возвращения в первоначальное состояние в результате принятия низкоэнергетического электрона от какой-то другой молекулы (донора электрона, рис. 7-47). Последние два механизма играют ключевую роль в фотосинтезе. Рис. 7-46 . Строение хлорофилла. Атом магния связан в порфириновом кольце, близком по структуре к порфириновому кольцу, связывающему железо в геме (сравните с рис. 7-27). Цветом выделена система сопряженных двойных связей. 468 Рис. 7-47 . Три возможных пути возвращения активированного хлорофилла (молекулы, содержащей высокоэнергетический электрон) в исходное невозбужденное состояние. В первом случае (I) лучистая энергия, поглощенная изолированной молекулой хлорофилла, полностью высвобождается в виде света и тепла. В отличие от этого при фотосинтезе хлорофилл передает свою энергию другой молекуле в антенном комплексе (2) или отдает возбужденный электрон в реакционном центре (3), как подробнее описано в тексте. 7.3.7. Фотосистема содержит реакционный центр и антенный комплекс [32] Фотосистемами называют состоящие из множества белков комплексы, которые катализируют преобразование энергии света через энергию возбужденных молекул хлорофилла в биологически полезные формы. Фотосистема содержит два тесно связанных компонента: фотохимический реакционный центр и антенный комплекс (рис. 7-48). Антенный комплекс необходим для улавливания света. В хлоропластах он представляет собой скопление нескольких сотен молекул хлорофилла, связанных между собой белками, которые прочно удерживают эти молекулы в тилакоидной мембране. В зависимости от вида растения в каждом комплексе находятся также дополнительные пигменты - каротиноиды, которые способны улавливать свет с другими длинами волн. При возбуждении молекулы хлорофилла в антенном комплексе энергия быстро передается от одной молекулы к другой путем резонансного переноса до тех пор, пока не достигнет двух особых молекул хлорофилла в фотохимическом реакционном центре. Таким образом, каждый антенный комплекс действует как «воронка», со- Рис. 7-48. Фотосистема состоит из реакционного центра и антенны. Реакционный центр представляет собой трансмембранный белковый комплекс, удерживающий «специальную пару» молекул хлорофилла в определенном положении относительно других переносчиков электронов (см. рис. 7- 49). Реакционный центр катализирует третий процесс, представленный на рис. 7-47. Если рассматривать этот центр как фермент, то его субстратами будут слабый донор электронов (молекула А) и слабый акцептор электронов (молекула Б), а продуктами реакции -сильный акцептор электронов (окисленная молекула А) и сильный донор электронов (восстановленная молекула Б). Антенный комплекс содержит большую часть хлорофилла тилакоидной мембраны и служит как бы воронкой, направляющей энергию возбужденного электрона к реакционному центру. Многие из этих актов переноса энергии происходят между идентичными молекулами хлорофилла, передающими возбуждение случайным образом (процесс 2 на рис. 7- 47). Однако средний промежуток времени между поглощением возбуждающего кванта и передачей возбуждения в реакционный центр составляет всего лишь 10 -10 -10 -9 с, так что в результате бесполезного процесса 1 теряется очень небольшая доля поглощенных 469 Рис. 7-49. Расположение переносчиков электронов в фотохимическом реакционном центре бактерий, установленное путем рентгеноструктурного анализа. Изображенные молекулы пигмента удерживаются внутри трансмембранного белка и окружены липидным бислоем. От хлорофилла антенного комплекса возбуждение передается электрону специальной пары молекул хлорофилла с помощью резонансного механизма (процесс 2 на рис. 7-47), а затем происходит перенос возбужденного электрона от специальной пары молекул хлорофилла на хинон (через ряд промежуточных этапов, см. рис. 7-50). бирающая энергию и направляющая ее к специальным участкам, где она может быть использована наиболее эффективно (рис. 7-48). Фотохимический реакционный центр это трансмембранный белково-пигментный комплекс, составляющий самое «сердце» фотосинтеза. Полагают, что этот комплекс впервые появился у примитивных фотосинтезирующих бактерий более 3 млрд. лет назад. Особая пара молекул хлорофилла в реакционном центре действует как надежная ловушка для энергии возбуждения благодаря тому, что реакционно-способные электроны этих молекул прямо передаются в цепь акцепторов, расположенных в непосредственной близости к хлорофиллу в том же самом белковом комплексе (рис. 7-49). Быстро удаляя высокоэнергетический электрон от хлорофилла, реакционный центр передает его близлежащим молекулам, в которых электрон может находиться в гораздо более стабильном состоянии. Тем самым электрон становится доступным для последующих фотохимических реакций, протекание которых требует времени. Как мы увидим, суммарный результат этих более медленных реакций заключается в том, что низкоэнергетический электрон в составе слабого донора электронов (такого, как вода) становится высокоэнергетическим в составе сильного донора (такого, как хинон). 7.3.8. Лучистая энергия, поглощенная хлорофиллом реакционного центра, используется для замены слабого донора электронов сильным [33] Процессы переноса электронов в только что описанных фотохимических реакциях интенсивно изучались с помощью методов скоростной спектроскопии, особенно в фотосистеме пурпурных бактерий, более простой, чем эволюционно близкая к ней фотосистема хлоропластов. Реакционные центры бактерий можно солюбилизировать и выделить в активной форме с помощью детергента. Это крупные белково-пигментные комплексы, и в 1985 г. методом рентгеноструктурного анализа удалось определить их полную трехмерную структуру (см. рис. 6-72 и 7-49). Эта структура в сочетании с данными кинетики дает наилучшее представление о реакциях переноса электронов, лежащих в основе фотосинтеза. На рис. 7-50 схематически представлена последовательность этих реакций в реакционном центре пурпурных бактерий. Электрон, возбужденный в результате поглощения света, быстро передается от особой 470 пары молекул хлорофилла через ряд других пигментов (рис. 7-49) на прочно связанный хинон - акцептор электронов, обозначенный Q A . В результате этого переноса электрона, происходящего менее чем за 10 -9 с и практически необратимого, в хлорофилле образуется положительно заряженная «дырка», обладающая очень высоким сродством к электронам. В результате захвата электрона от ближайшего цитохрома (в норме слабого донора электронов) эта «дырка» заполняется. Затем высокоэнергетический электрон, удерживаемый Q A , переходит на второй хинон, Q B , после чего покидает реакционный центр и переходит на подвижную молекулу хинона (Q) в фотосинтетической мембране. Будучи восстановлен, этот хинон служит сильным донором электронов, восстановительная способность которого может использоваться для перемещения протонов. Основной принцип описанного процесса заключается в том, что фотосистема дает возможность использовать энергию света для переноса электрона от слабого донора электронов, т. е. молекулы, имеющей большое сродство к электронам (в данном случае от цитохрома), на такую молекулу, как хинон, который в восстановленной форме служит сильным донором электронов. Таким образом, энергия возбуждения, которая в обычных условиях рассеялась бы в виде тепла и/или флуоресценции, используется для повышения энергии электрона и образования сильного донора электронов. Как мы увидим, в хлоропластах высших растений начальным донором электронов служит не цитохром, а вода, чем и объясняется выделение кислорода при фотосинтезе у растений. Прежде чем перейти к рассмотрению процессов, происходящих в более сложной фотосистеме хлоропластов и доставляющих в конечном результате энергию для синтеза АТР и NADPH, посмотрим, как эти конечные продукты образуются у пурпурных бактерий с помощью менее сложного, но похожего механизма. 7.3.9. В процессе бактериального фотосинтеза на плазматической мембране создается электрохимический протонный градиент, энергия которого используется для синтеза как АТР, так и NADPH [34] Энергия электронов, переносимых восстановленным хиноном, используется в плазматической мембране пурпурных бактерий двумя раз- Рис. 7-50. Перенос электронов, происходящий в фотохимическом реакционном центре пурпурных бактерий. Полагают, что сходная цепь реакций осуществляется и в эволюционно близкой фотосистеме II у растений. Вверху справа схематично представлены молекулы, переносящие электроны, - те, что изображены на рис. 7-49, и, кроме того, обмениваемый хинон (Q B ) и подвижный хинон Q, растворенный в липидном бислое. Переносчики электронов 1-5 определенным образом связаны с трансмембранным белком, который состоит из 596 аминокислотных остатков, образующих две отдельные субъединицы (см. рис. 6-32). После возбуждения световым фотоном богатый энергией электрон переходит с одной молекулы пигмента на другую, и это ведет к разделению зарядов, что показано на рисунке внизу (стадии В-Д; молекулы пигмента, несущие высокоэнергетические электроны, выделены цветом.) Перейдя в липидный бислой, хинон с двумя электронами захватывает два протона и утрачивает свой заряд (см. рис. 7-30). 471 Рис. 7-51 . Две реакции переноса электронов в фотосинтетической системе пурпурных бактерий. Эти реакции протекают в плазматической мембране, а цитохром с 2 находится в растворимой форме в периплазматическом пространстве под наружной мембраной (см. рис. 6-54). А. В результате циклического потока электронов на плазматической мембране создается электрохимический протонный градиент. Энергия этого градиента используется АТР-синтетазой для синтеза АТР в бактериальной плазматической мембране. Б. Обратный поток электронов через NADH- дегидрогеназу, осуществляемый за счет энергии того же протонного градиента, используется для синтеза NADH. личными способами для двух целей - для синтеза АТР и образования NADPH. АТР синтезируется с помощью механизма, включающего перекачку протонов и похожего на тот, с которым мы уже познакомились, рассматривая митохондрии (разд. 7.1.8): протоны перемещаются через плазматическую мембрану бактерии в результате переноса высокоэнергетических электронов хиноном на комплекс b-с 1 , встроенный в эту мембрану. Комплекс b-c l передает затем свои электроны на растворимый цитохром, от которого электроны (теперь уже с низкой энергией), пройдя через другой, прочно связанный цитохром, вновь попадают в реакционный центр, завершая таким образом циклический процесс (рис. 1-51, А). NADPH образуется в ходе второго электронтранспортного процесса, в котором высокоэнергетические электроны переходят от хинона не на комплекс b-с 1 , а на NAD. Образующийся при этом NADH превращается затем с помощью трансгидрогеназы в NADPH. Так как переносимые 472 хиноном высокоэнергетические электроны находятся на более низком энергетическом уровне, чем электроны в NADH (напомним, что в митохондриях электроны переносятся с NADH на хинон, а не наоборот - см. рис. 7-34), образование NADH из NAD требует затраты энергии. У пурпурных фотосинтезирующих бактерий электрохимический протонный градиент, создаваемый на плазматической, мембране, заставляет протоны возвращаться в клетку через NADH-дегидрогеназный комплекс, снабжая этот комплекс энергией, необходимой для обратного переноса электронов от хинона на NAD (рис. 7-51, Б). Таким образом, в плазматической мембране пурпурных бактерий реакционные центры используются для создания большого пула восстановленных молекул. Часть этих молекул обеспечивает создание на плазматической мембране значительного электрохимического протонного градиента. За счет энергии этого градиента осуществляются два процесса: 1) синтез АТР с помощью АТР-синтетазы и 2) создание обратного потока электронов от остальной части восстановленного хинона на NAD, в результате чего генерируется восстановительная сила, необходимая для синтеза органических молекул. 7-24; 7-25; 7-26 7.3.10. У растений и цианобактерий в результате нециклического фотофосфорилирования образуются как NADPH, так и АТР [31, 35] Наиболее сложен фотосинтез у растений и цианобактерий. Здесь в двухступенчатом процессе, называемом нециклическим фотофосфорилированием, сразу образуются и АТР, и NADPH. Благодаря тому что две фотосистемы последовательно возбуждают электрон, последний способен пройти весь путь от воды до NADPH. По мере прохождения высокоэнергетических электронов через сопряженные фотосистемы часть заключенной в электронах энергии генерирует NADPH, а часть отводится на синтез АТР. В первой из двух фотосистем, по историческим причинам получившей название фотосистемы II, кислород двух молекул воды связывается группой атомов магния при участии плохо изученного фермента, расщепляющего воду. Извлекаемые по одному электроны сразу же заполняют образовавшиеся под действием света «дырки» в хлорофилле реакционного центра. Как только четыре электрона извлечены (для этого требуются четыре кванта света), фермент освобождает О 2 ; таким образом, фотосистема II катализирует реакцию 2Н 2 О → 4Н + + 4е - + О 2 «Ядро» реакционного центра в фотосистеме II гомологично только что описанному бактериальному реакционному центру и точно так же генерирует сильные доноры электронов в форме восстановленных молекул хинона в мембране. Эти молекулы передают электроны на комплекс b 6 - f, сходный с бактериальным комплексом b-с и комплексом b - с 1 в дыхательной цепи митохондрий. Как и в митохондриях, комплекс b 6 - f перекачивает протоны через тилакоидную мембрану в тилакоидное пространство (в хлоропластах) или из цитозоля через впячивания плазматической мембраны (у цианобактерий), и создающийся при этом электрохимический градиент доставляет энергию для синтеза АТР АТР- синтетазой (рис. 7-52 и 7-53). Конечным акцептором в этой цепи переноса электронов служит вторая фотосистема (фотосистема I), принимающая электроны в «дырки», образовавшиеся под действием света в хлорофилле ее реакционного центра. В то время как электроны, активированные фотосистемой II, имеют слишком низкую энергию, 473 Рис. 7-52. Перенос электронов в процессе фотосинтеза в тилакоидной мембране. Подвижными переносчиками электронов в этой цепи служат пластохинон (очень сходный с убихиноном митохондрий), пластоцианин (небольшой медьсодержащий белок) и ферредоксин (небольшой белок, содержащий железо-серный центр). Комплекс b b -f очень похож на комплекс b-с 1 митохондрий и комплекс b-с бактерий (см. рис. 7-63): все три комплекса принимают электроны от хинонов и перекачивают протоны. Обратите внимание, что протоны, высвобождаемые при окислении воды, и протоны, захватываемые при образовании NADPH, тоже участвуют в создании электрохимического протонного градиента, доставляющего энергию для синтеза АТР. чтобы перейти на NADP + , каждый электрон, покидающий фотосистему I, находится на очень высоком энергетическом уровне благодаря последовательной активации двумя квантами света. В результате эти электроны способны перейти на железо-серный центр ферредоксина и восстановить NADP + до NADPH (рис. 7-53); при этом из среды извлекается один протон. Зигзагообразную схему фотосинтеза, показанную на рис. 7-53, называют Z-схемой. В результате двух отдельных этапов возбуждения, каждый из которых катализируется своей фотосистемой, электрон передается от воды, обычно прочно удерживающей свои электроны (редокс- потенциал + 820 мВ), на NADPH, который имеет довольно слабое сродство к электронам (редокс-потенциал — 320 мВ). Один квант видимого света не способен сообщить электрону достаточно энергии для прохождения всего пути от начала фотосистемы II до конца фотосистемы Рис. 7-53. Изменения редокс-потенциала при прохождении электронов в процессе фотосинтеза с образованием NADPH и АТР у растений и цианобактерий. Фотосистема II очень похожа на реакционный центр пурпурных бактерий (см. рис. 7-50), с которым она эволюционно связана. Фотосистема I отличается от этих двух систем: как полагают, она эволюционно родственна фотосистемам другой группы прокариот - зеленых бактерий. В фотосистеме I электроны возбужденного хлорофилла проходят через ряд прочно связанных железо-серных центров. Две последовательно соединенные фотосистемы обеспечивают суммарный поток электронов от воды к NADP + с образованием NADPH. Кроме того, образуется АТР с помощью АТР-синтетазы (не показана) за счет энергии электрохимического протонного градиента, который создается электронтранспортной цепью, связывающей фотосистему II с фотосистемой I. Эту Z-схему образования АТР называют нециклическим фосфорилированием в отличие от циклической схемы, представленной на рис. 7-54 (см. также рис. 7-52). |