ФОТОСИНТЕЗ От первых биомолекул до С4-растений

ФОТОСИНТЕЗ
От первых биомолекул до С4-растений
ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ ЭНЕРГИИ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ
Внутри организмов




Макроэргические связи
(фосфоэфирная, тиоэфирная)
Восстановители с высоким
редокс-потенциалом (NADH,
NADPH, ферредоксин)
Электрохимические мембранные
потенциалы
Химическая энергия сахаров,
аминокислот и других
органических веществ
На входе в экосистему


Свет
Пары окислитель-восстановитель
с достаточной разностью редокспотенциалов (O2 / Fe++, O2 / H2S, H2
/ CO2 и другие)
ЭНЕРГЕТИКА ДОКЛЕТОЧНЫХ ЖИВЫХ
СИСТЕМ
РНК-мир


Потребляет энергию на активацию
нуклеотидов - фосфоэфирные
связи
Азотистые основания и рибоза
могут синтезироваться абиогенно
из NCH, формамида и
формальдегида без
дополнительной энергии
“Metabolism-first” гипотезы


Потребляет энергию на
восстановление СО2 и рост
углеродных скелетов —
восстановители и тиоэфирные
связи
Потребность в фосфоэфирных
связях возможна, но не
обязательна
Мембраны на этой стадии могли быть
Но мембранные потенциалы — вряд ли
НЕКОТОРЫЕ ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВЕТА
НА ДОКЛЕТОЧНОЙ СТАДИИ ЭВОЛЮЦИИ



Прямое фотофосфорилирование АТФ (Ponnamperuma, 1963):
из АДФ и фосфата, 278nm УФ, квантовый выход 0,1%
Фотовозбужденный NADH (300-350nm УФ) — восстановитель с
высоким редокс-потенциалом (восстанавливает ферредоксин)
Тиоацетат → Ацетилфосфат
(Hagan, 2010): урацил,
278nm УФ, квантовый выход
до 10%
ФОТОХИМИЯ ФЛАВИНА И ПТЕРИНА
(Вы знали их как переносчиков водорода и метильных групп)
Фотолиаза — фермент
современных бактерий
Птерин (входит в состав
витамина В9)
 Восстанавливает тиминовые димеры в
ДНК
 Кофакторы – ФАД и птерин
 Фермент активен только при освещении
 ФАД поглощает синий свет и
восстанавливает тиминовый димер за
счет энергии возбуждения
 Птерин работает вспомогательным
пигментом, поглощает ближний УФ и
передает возбуждение на ФАД
Тиминовый димер
АБИОГЕННОЕ ФОТОФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
НА ОСНОВЕ ФЛАВИНА И ПТЕРИНА
(Критский, Телегина, Колесников)
 Сухую смесь аминокислот (Glu, Ala, Gly, Lys) запечь в духовке (180 'C, 6 часов)
 Запеченую массу растворить в воде с добавлением силикатов
 Образуются микросферы из случайных полипептидов длиной 50-100 а.к в
комплексе с силикатами, флавином и птерином (2-3% пигментов)
 При освещении синим светом и ближним УФ микросферы катализируют
фосфорилирование АДФ до АТФ. Механизм точно неизвестен, но включает в
себя окислительно-восстановительные стадии.
Квантовый выход фотофосфорилирования - до
20% !
 Те же пигменты в растворе или на поверхности минералов — не работают!
 Желательно наличие окислителей (Fe3+, H2O2 и т.д.)
АБИОГЕННЫЙ ФОТОСИНТЕЗ НА КРИСТАЛЛАХ
СУЛЬФИДА ЦИНКА
(Mulkidjanyan, 2009)






ZnS + CO2 + 2H+ -> HCOOH +
Zn2+ + S (на свету)
Так же образуются уксусная,
пировиноградная, яблочная и
другие кислоты
N2 восстанавливается до NH3,
образуются аминокислоты и
формамид
Кристаллы ZnS постепенно разрушаются, цинк выходит в раствор
Фосфиты (H3PO3) окисляются в фосфаты и присоединяются к органическим
молекулам, замедляя разрушение кристаллов ZnS
ZnS снимает фотовозбуждение с нуклеотидов и РНК, защищая их от УФ,
при этом фотосинтез ускоряется
ФИКСАЦИЯ СО2: ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ
ЦИКЛ КРЕБСА
Реакций только 11.
Но все разные!
ФИКСАЦИЯ СО2: ЦИКЛ
КАЛЬВИНА
Выглядит страшно?
Но реакций только 3 типа
Много общего с реакцией
Бутлерова
ПУТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В
ФОТОСИНТЕЗЕ ДОКЛЕТОЧНЫХ СИСТЕМ
ПУТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В
СОВРЕМЕННОМ ФОТОСИНТЕЗЕ
СОВРЕМЕННЫЙ ФОТОСИНТЕЗ
Световая стадия — АТФ и НАДФН из света и донора электронов
В качестве доноров электронов пригодны H2S, S, Fe2+, Mn2+, H2O2, H2O
Темновая стадия — органика из СО2, АТФ и НАДФН
(обычно цикл Кальвина)

Не специфична для фотосинтеза, те же реакции идут при хемосинтезе
ФОТОСИСТЕМЫ ФCI И ФСII

ФСI/RC1 переносит электроны на водорастворимые железо-серные белки

ФСII/RC2 переносит электроны на мембранные хиноны

ФСI сильнее как восстановитель и слабее как окислитель

У растений и цианобактерий есть обе ФС, у бактерий — одна из двух
Бактерии с RC1:


Chlorobi (зеленые серные бактерии) — автотрофы, используют H2S, S,
Fe2+, H2
Heliobacteria — фотогетеротрофы, донор электронов — органика, не
фиксируют СО2
Бактерии с RC2:
Пурпурные бактерии - автотрофы, используют H2S, S, H2
Chloroflexi — фотогетеротрофы, донор электронов — органика, не
фиксируют СО2
ЭВОЛЮЦИЯ ХЛОРОФИЛЛ-СВЯЗЫВАЮЩИХ
БЕЛКОВ
Mulkidjanyan, Junge, 1997
ЭВОЛЮЦИЯ ХЛОРОФИЛЛЬНОГО
ФОТОСИНТЕЗА





Хлорофилл и его предшественники (протохлорофиллиды) вне фотосистем
обладают красной флуоресценцией
Хлорофилл-связывающие белки реакционных центров обоих ФС и
вспомогательные антенные белки происходят от одного предкового белка,
имевшего 11 хлорофилл-связывающих доменов. Его функцией могла быть
УФ-защита мембран путем рассеяния УФ-возбуждения в красный свет.
Каротиноиды появились параллельно как другая система УФ-защиты
мембран.
Реакционные центры ФСI и ФСII произошли независимо от защитного
белка путем преобразования части доменов в сайты связывания
ферредоксина или хинонов
С выходом бактерий из доклеточного мира на основе ФСI и ФСII возникли
разные варианты фотосинтеза
ПОЯВЛЕНИЕ КИСЛОРОДНОГО ФОТОСИНТЕЗА



Объединение ФСI и ФСII в одной клетке повысило эффективность
железного и марганцевого фотосинтеза.
4Mn-кластер водоокисляющего комплекса окисляет HCO3- до O2 лучше,
чем воду – это было первым вариантом кислородного фотосинтеза
Снижение концентрации СО2 вынудило к переходу на H2O в качестве
донора электронов
С4-ФОТОСИНТЕЗ: ОТВЕТ НА
ОКСИГЕНИЗАЦИЮ АТМОСФЕРЫ



Рибулозобифосфат-карбоксилаза катализирует побочную реакцию
присоединения кислорода
Продуктом этой реакции становится фосфогликолат. Возвращение его в
метаболизм приводит к потерям углерода в виде СО2
Дополнительные реакции фосфоенолпирувата и малата идентичны
реакциям восстановительного цикла Кребса
ПРОИСХОЖДЕНИЕ МЕМБРАННЫХ АТФаз
ПРОИСХОЖДЕНИЕ МЕМБРАННОГО
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ЦИКЛА
Изолирующие липиды бактерий и архей
ВОЗМОЖНОСТИ ПРОТОННОЙ И
НАТРИЕВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
ИСТОРИЯ МЕМБРАН
ПИГМЕНТЫ, СПОСОБНЫЕ УТИЛИЗИРОВАТЬ
ЭНЕРГИЮ СВЕТА
Меланин
Хлорофиллы
Каротиноиды
Флавины