Хімія Фотосинтез А . А . Чиркин, доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой химии Витебского государственного университета им. П . М . Машерова Фотосинтезирующие организмы улавливают солнечную энергию и запасают ее в фор­ ме АТФ и НАДФН, которые служат им источником энергии для синтеза углеводов и дру­ гих органических компонентов клетки из оксида углерода(ІУ) и воды, вы деляя при этом кислород в атмосферу. Аэробные гетеротрофы используют этот кислород для расщепле­ ния богатых энергией органических продуктов фотосинтеза до СО 2 и Н 20 , чтобы генери­ ровать таким путем А Т Ф для своих собственных нужд. Оксид углерода(ІУ), образующий­ ся при дыхании гетеротрофов, возвращается в атмосферу и вновь используется фотосин­ тезирующими растениями. Солнечная энергия, таким образом, создает движущую силу для кругооборота, в процессе которого атмосферный оксид углерода(ІУ) и атмосферный кис­ лород непрерывно циркулируют, проходя через биосферу (А . Ленинджер, 1985). Общая характеристика фотосинтеза Фотосинтез — это •совокупность про­ цессов, в ходе которых солнечная энергия запасается в виде химических связей органических соединений, синтезируе­ мых из неорганических веществ. Фото­ синтез состоит из двух фаз: световой (фотофизический и фотохимический этапы) и темновой. В ходе световой фазы проис­ ходит поглощение солнечной энергии хлорофиллом и передача ее в реакцион­ ный центр, где в результате химических реакций, включающих транспорт элект­ ронов между различными переносчиками и сопряженного с ним фосфорилирова­ ния, образуются восстановительные и энергетические эквиваленты (НАДФН и АТФ). Для протекания световой фазы требуются световая энергия, сборщики световой энергии и вода (или другой ис­ точник водорода). Темновая фаза фотосин­ теза — это фиксация и восстановление С02 с образованием углеводов и других конечных продуктов фотосинтеза. В этих реакциях используются образованные в световой фазе НАДФН и АТФ. Световая фаза: свет + 1 2Н20 —>12НАДФН + 18АТФ + 602; темновая фаза: 12НАДФН+18АТФ + 6С02->С6Н120 6 + 6Н20. Фотосинтез происходит в клетках эукариот (высшие зеленые растения и низшие их формы — зеленые, бурые и красные водоросли) и одноклеточных (эвгленовые, динофлагелляты и диато­ мовые водоросли), а также в клетках прокариот (сине-зеленые водоросли, зе­ леные и пурпурные бактерии). Локализация фотосинтетических си­ стем. У бактерий фотосинтезирующие структуры представлены мезосомами — впячиваниями клеточной мембраны с образованием пластинчатых органоидов. Хроматофоры — это изолированные из разрушенных бактерий мезосомы. У эукариот имеются специализирован­ ные органеллы для осуществления фо­ тосинтеза — хлоропласты. Подобно ми­ тохондриям, хлоропласты способны де­ литься в собственном ритме (содержат не­ обходимые для деления ДНК, РНК и ап­ парат синтеза белка). Хлоропласты круп­ нее митохондрий: их длина 3 — 10 мкм, диаметр 0 ,2 — 2,0 мкм. В клетках выс­ ш их растений содержится несколько десятков хлоропластов. Кроме хлоропластов в них имеются и митохонд­ рии, обеспечивающие клетки энергией в темноте за счет дыхания. По струк­ туре хлоропласты напоминают строе­ ние митохондрий: они окружены двумя мембранами — наружной и внутрен- ней. Внутренняя мембрана уложена в виде стопок уплощенных пузырьковид­ ных дисков — ламелл. Уплощенные пу­ зырьки ламелл называют тилакоидами (замкнутая полость с поперечником 15 нм). Внутри тилакоида — внутритилакоидное пространство ( thylahoid lumen). Тилакоиды уложены поперек хлоропласта стопками, называемыми гранами. В клетке высших растений со­ держится до 50 гран, которые соедине­ ны между собой мембранными пере­ мычками. Водная среда между гранами является стромой хлоропласта. В гране от 10 до 20 тилакоидов. Элементарной структурной и функциональной фотосинтетической единицей мембран тила­ коидов, содержащей аппарат улавлива­ ния и трансформации солнечной энер­ гии, является квантосома (величина около 17,5 нм, молярная масса порядка 2 млн Да). В ламеллярной системе про­ текают световые процессы фотосинтеза, в строме — темновые ферментативные реакции, связанные с фиксацией С 0 2 (рис. 1). Транспорт веществ через внут­ реннюю мембрану хлоропласта осуще­ ствляется с помощью транслоказ, на­ пример перенос АТФ в обмен на АДФ. Пигменты фотосинтеза. Выделяют три группы пигментов, участвующих в улавливании световой энергии. 1. Все фотосинтезирующие организ­ мы содержат хлорофиллы — зеленые Cell cytoplatm імія: праблемы выкладання. Ns 12, 2006 Sucrose synthesis % Chlor opt<ut envelope l i l i i Thy Irfc old lumen Puc. 1. Схема фотосинтеза в хлоропластах (по Ort, Donald R. Encyclopedia of Life Science. — Nature Publishing Group, 2001). И л л ю стр и р ует к о м п л е к сы II и п р о стр а н ств е к о б р а зова н и ю к о н ц е п ц и ю , согл а сн о к отор ой вы зван н ы й св етом п оток эл ек тр он ов через белковы е I ф о то си сте м (P S II, P S I) соп р я ж ен с а к к у м у л я ц и ей п р отон ов во вн утри тил акои дн ом (thylakoid lumen), возвращ ен ие к о т о р ы х через А Т Ф -си н та з у (ATP-syntha.se) ведет А Т Ф (А Т Р ). Д оп ол н и тел ьн о эн ерги я п огл ощ ен н ого света в ти л а к ои дн ой мембране а к к у м у л и р у ется при обра зова н и и Н А Д Ф Н (N A D P H ). Ф о т о с и н т е т и ч е ск о е в осстан овл ен и е угл ерода и дет в тр и ста ди и в стр ом е хл ор оп л а ста (cloroplast strom a ): 1) к а р б ок си л и р ов а н и е — С 0 2 к овал ен тн о св я зы в а ется с у гл ер од н ы м ск ел етом ; 2) восстан овл е­ ние — эн ер ги я А Т Ф и Н А Д Ф Н и сп ол ь зуется для обр а зова н и я п р о с т о го угл евод а ; 3) регенерация — эн ер ги я А Т Ф и сп о л ь з у е тся для регенераци и у гл ер од н ого ск ел ета для к а рбок си л и рова н и я . О б озн а ч ен и я : PQ и PQ H 2 — п л а стох и н он и восста н овл ен н ы й п л а стох и н он ; cy t — ц и тохр ом ; FeS — ж ел езо-сер н ы й бел ок ; PC — п л а стоц и а н и н ; Fd — ф ерр едокси н ; F N R — ф ер р ед ок си н -Н А Д Ф -р ед ук та за ; sucrose syntesis — си н тез са ха р озы ; starch synthesis — си н тез к рахм ал а А. Д. Ч и рки н магний-порфириновые пигменты. И з­ вестно свыше 10 их видов, различаю­ щихся природой заместителей (присое­ диненных к пиррольным структурам порфиринового ядра), окраской, распро­ странением среди живых организмов. У всех зеленых растений содержатся хлорофиллы а и 6, в диатомовых водо­ рослях — хлорофилл с, в красных водо­ рослях — хлорофилл d. Все хлорофил­ лы являются фоторецепторами, так как интенсивно поглощают видимый свет (в спектрах поглощения имеются четы­ ре полосы — три в красно-желтой и одна в синей областях). Функции реак­ ционных (фотохимических) центров вы­ полняют особые формы хлорофилла а: пигмент Р700’ поглощающий свет с длиной волны около 700 нм и пигмент Р680, поглощающий свет с длиной вол­ ны 680 нм. На долю этих фотохимичес­ ки активных форм хлорофилла прихо­ дится 1 /4 0 0 часть общего количества хлорофилла в клетке. 2. В хлоропластах содержатся каро­ тиноиды — желтые и оранжевые пиг­ менты полиизопреновой природы. Ос­ новными представителями у высших растений являются ß-каротин и ксанто­ филл. Каротиноиды, благодаря системе сопряженных двойных связей, также поглощают свет, но с другими длинами волн и передают поглощенную энергию на молекулы хлорофилла. Каротиноиды предохраняют молекулы хлорофилла от разрушения в процессе фотоокисления. 3. Фикобилины — красные и синие пигменты (фикоэритрины, фикоцианины), построенные из линейносвязан­ ных четырех пиррольных структур. Фикобилины поглощают световую энергию в зеленой и желтой областях спектра и передают ее на хлорофилл. Таким образом, помимо хлорофилла, в сборе световой энергии в широком диапазоне длин волн участвуют специ­ ально организованные для- поглощения квантов солнечной энергии молекулы каротиноидов и фикобилинов. Энерге­ тический уровень возбужденного состо­ яния Р70о и Р680 ниже, чем у других хлорофиллов-фоторецепторов, поэтому они способны забирать поглощенную энергию фотонов от фоторецепторов в виде экситонов. Перенос энергии к ре­ акционному центру идет быстрее, чем за наносекунды. При поглощении этой энергии пигменты — реакционные центры — теряют электроны. Следователь­ но, Р7оо и Р680 являются энергетичес­ кой ловушкой и служат для отведения электронов из фотопоглощающего ан­ самбля. Это единственные молекулы ансамблей, которые могут превращать световую энергию в химическую. Световая фаза фотосинтеза По классическим представлениям в световой фазе участвуют два ансамбля светопоглощающих пигментов — I и II фотосистемы. Функциональная едини­ ца I фотосистемы содержит около 200 молекул хлорофилла а и 50 молекул каротиноидов. Эти пигменты являются сборщиками энергии фотонов. В этом ансамбле имеется одна молекула пиг­ мента Р700’ играющего роль реакцион­ ного центра. II фотосистема включает 200 молекул хлорофилла а, 200 моле­ кул хлорофилла Ь, фикобилины или ксантофиллы. Реакционным центром этой фотосистемы является молекула пигмента Р680. Фотосборщики обеих фотосистем поглощают кванты света, возбуждаются и отдают энергию возбуж­ дения в виде экситонов реакционным центрам — пигментам Р70о (I) и Р680 (II). Роль ОВП. В темноте (в основном со­ стоянии) окислительно-восстановитель­ ный потенциал (ОВП) Р70о равен + 0,4 0 В. Тенденция к отдаче электрона ничтож­ на. При поглощении энергии эксито­ нов пигмент Р700 переходит в возбуж­ денное состояние, что сопровождается изменением ОВП до - 0 ,6 0 В. Это обес­ печивает способность Р700 отдать элек­ трон на молекулу Н АДФ с величиной ОВП, равной - 0 ,3 2 В. Передача элект­ рона осуществляется через ряд посред­ ников: Р70о‘ Связанный ферредоксин —» растворимый ферредоксин —> Н АД Ф редуктаза —> Н А Д Ф . Два электрона транспортируются двумя молекулами ферредоксина. Потеря молекулой Р70о электрона приводит к переходу его в окисленное состояние — возникает «электронная дырка», подлежащая за- 5 Хімія: праблемы выкладання, № 12, 2006 полнению. Заполнение «электронной дырки» в молекуле Р70о осуществляет­ ся второй цепью переносчиков электро­ нов, связывающей обе фотосистемы. При освещении II фотосистемы экситоны поглощаются пигментом Рбво> кото­ рый переходит в возбужденное состоя­ ние. Это сопровождается уменьшением величины ОВП с + 1 ,0 В (в темноте, ос­ новное состояние) до - 0 ,0 6 В (возбуж­ денное состояние). В итоге два электро­ на получают возможность перемещаться от возбужденного пигмента Р680 к окис­ ленному пигменту Р700(ОВП = + 0 ,4 6 В) с целью заполнения «электронной дыр­ ки» через цепь переносчиков: прочно связанный пластохинон —> подвижный пластохинон —> цитохром £>559 —» цито­ хром Ь552 —> пластоцианин (Си) -+ окисленная форма Р 70о- У пигмента Р680 в результате возникает дефицит электронов — «электронная ды рка», которая заполняется за счет электронов воды (ОВП воды = + 0 ,8 2 В, а ОВП окисленного пигмента Р680 = + 1 ,0 В). При фотолизе воды выделяется кисло­ род и протоны. Эти протоны присоеди­ няются к НАДФ, принявшему 2 элект­ рона от возбужденного пигмента Р70оСовременные представления о свето­ вой фазе фотосинтеза представлены на рисунке 2 . Таким образом, свет вызывает пере­ нос протонов от воды к НАДФ. Перенос электронов идет против градиента ОВП за счет энергии света. Такой перенос электронов, сопряженный с восстанов­ лением НАДФ, носит название «нецик­ лический путь». Возможен также дру­ гой путь переноса электронов с пигмен­ та Р700 по циклу —> цитохром 65бЗ —> цитохром с552 —> пластоцианин —» Р70о (циклический путь). Фотофосфорилирование. В обоих пу­ тях возвращение возбужденных электро­ нов на окисленный Р700 сопровождает­ ся освобождением энергии, которая ак­ кумулируется в фосфатных связях АТФ . Этот процесс называют фотофос­ форилированием: при циклическом пе- Рис. 2. Современная Z-схема вызванного светом переноса электронов в мембране тилакоида (по Weber, Andrev N. Encyclopedia of Life Science. — Nature Publishing Group, 2001). II ф о то си сте м а и сп ол ь з у ет эн ер ги ю света для ок и сл ен и я воды (ф отол и з Н 20 ) и восстан овл ен ия п л а сто х и н о н а (P Q H 2). В это т п р оц есс вовлечен м арган ец (к ом п он ен т о к и сл я ю щ е го воду ком плекса) и более 26 бел к ов (3 3 , 23, 17, D 2, D1 и д р .), ф еоф итин a (P h eo), хи н он ы (QA и QB), ц и тохр ом Ь5Sg. Э л ек трон ы о т Peso п ер е н о ся тся п оп ер ек м ем бран ы ти л а к ои д а к QB (к а ж д а я м ол ек ул а а к кум ул и рует 2 эл е к т р он а ); QB отд ел я ется от к ом п л ек са II ф о то си сте м ы и м и гр и р у ет к b e /f -к ом п л ек су. I ф о то си сте м а к а та л и зи р у ет п ерен ос эл ек тр он а от пл а стоц и а н и н а (P C ) к ф ерр едокси н у (F x) и затем к Н А Д Ф . I ф о то си сте м а с о с т о и т из 13 и н ди в и дуа л ьн ы х бел к ов и 100 м ол ек ул хлороф илла а. С ч и таю т, ч то I ф отоси стем а вк л ю ч ает 2 цепи п ер ен осч и к ов эл ек т р он ов м еж д у Р 700 и Fx. П оказано, ч т о Р 700 я в л я е тся ди м ером и м еж д у Р 700 и F x н а х о д я тся 4 м ол ек ул ы хлороф ил ла о —| реносе происходит циклическое фото­ фосфорилирование, а при нецикличес­ ком — соответственно нециклическое фотофосфорилирование. Постулируемый механизм фотофос­ форилирования: 1) в переносе электро­ нов от воды к НАДФ+ участвуют 3 ком­ плекса — II фотосистема, цитохром bö/ f и I фотосистема. Дважды восстановлен­ ный QB, отделившись от II фотосисте­ мы, перемещается в область пластохинонов. PQH2 диффундирует к комплек­ су цитохромы &б//> гДе окисляется, а протоны переходят во внутритилакоидное пространство; 2) под действием све­ та при участии II фотосистемы внутри тилакоида происходит фотолиз воды и здесь накапливаются протоны; 3) в ре­ зультате на мембране тилакоида созда­ ется электрохимический потенциал, величиной около 0,2 5 В; 4) протоны не могут пересечь мембрану тилакоида в любом месте, а только в области протон-зависимой АТФ-сщнтазы, состоя­ щей из протонного канала в мембране тилакоида CF0 и сопрягающей части фермента CFj (состоит из пяти субъеди­ ниц). Каждая CFx содержит три a ß -ди­ мера, которые вместе образуют 3 ката­ литических сайта. Каждый димер мо­ жет связать АДФ и фосфат с образова­ нием АТФ. Каждый из димеров отли­ чается по аффинности к нуклеотидам; 5) при возвращении протонов из тила­ коида в строму хлоропласта через ка­ нал CF0 изменяется конформация одно­ го из сопрягающих сайтов CFx субъеди­ ницы АТФ-синтазы, что обеспечивает синтез и освобождение молекулы АТФ . Согласно одной из моделей, предпола­ гается, что перенос протонов через CF0 вызывает вращение CF* для оптимиза­ ции образования АТФ . Здесь же — в строме хлоропласта — вышедшие протоны, а также электро­ ны, перенесенные от Р700. восстанавли­ вают НАДФ+. Отличия фотофосфорилирования от окислительного фосфорилирования в митохондриях: 1) в тилакоидах направ­ ление переноса протонов и электронов через мембрану противоположно на­ правлению его в митохондриальной мембране; 2 ) внутри тилакоида скон- центрирован положительный заряд изза накопления протонов, а на внешней стороне мембраны тилакоида концент­ рируется относительный отрицатель­ ный заряд; 3) основная доля электрохи­ мического потенциала создается за счет градиента pH; 4) протоны вытал­ киваются из внутритилакоидного про­ странства наружу через протон-зависимую АТФ-синтазу. Таким образом, в результате свето­ вой фазы фотосинтеза образуется АТФ и Н АДФ Н для использования в фер­ ментативных реакциях темновой фазы. Темновая фаза Темновая фаза протекает в строме и называется «цикл Кальвина». Она со­ стоит из трех стадий — карбоксилирование, восстановление и регенерация (рис. 3, 4). Карбоксилирование, рибулозо-1,5би сф осф аткар бокси лаза/окси геназа. Синтезированные на свету А ТФ и НАДФН используются для связывания С 0 2 и восстановления его до углеводов. С 0 2 присоединяется к рибулозо-1,5бисфосфату при участии фермента рибулозо-1 , 5-бисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа (rubisko, КФ 4 .1 .1 .3 9 ), кото­ рый локализован на внешней поверхно­ сти мембран тилакоидов. Фермент со­ ставляет 1 /6 часть всех белков хлоро­ пласта и 50 % от растворимых белков листьев С3-растений. Он характеризу­ ется молекулярной массой 550 кДа и состоит из 8 идентичных больших и 8 идентичных малых субъединиц; актив­ ный центр фермента локализуется в каждой большой субъединице. Это наи­ более распространенный белок на Зем­ ле. Высокая концентрация фермента определяется его низкой каталитичес­ кой активностью. Число оборотов фер­ мента ниже в 103— 1 0 5 раз по сравне­ нию с другими ферментами, например дегидрогеназами. Концентрация актив­ ных центров rubisko около 4 ммоль/л, а концентрация субстрата реакции С 0 2 составляет 10 м к м о л ь /л , что создает необычную ситуацию, когда концент­ рация активных центров существенно превышает концентрацию субстрата. 3 Хімія жывога Хімія: праблемы выкладання, N» 12, 2006 Рис. 3. Три стадии темновой фазы фотосинтеза: карбоксилирование, восстановление и регенерация (по Heineke, Dieter. Encyclopedia of Life Science. — Nature Publishing Group, 2001) Фермент катализирует реакции карбоксилирования с образованием двух молекул 3-фосфоглицерата и ок­ сигенации с образованием молекулы 3-фосфоглицерата и молекулы 2-фосфогликолата (токсический для расте­ ния продукт). Аффинность фермента существенно отличается для двух суб­ стратов: К т для С 0 2 составляет 9 м к м о л ь/л , а Кт для 0 2 составляет 535 м км оль/л. Однако концентрация кислорода в атмосфере — 21 % , а С 02 — 0 ,0 3 1 6 % . В процессе фотосинтеза в листе при 25 °С отношение оксигенирования к карбоксилированию нахо­ дится в пределах 1 :4 — 1 :2 . Ф икса­ ция 1 молекулы С 0 2 требует расходо­ вания 3 молекул А Т Ф и 2 молекул Н АД Ф Н , в то время как реакция оксигенирования требует 5 молекул АТФ и 3 молекул Н АД Ф Н . Считают, что rubisco может фиксировать одну молекулы кислорода на каждые три молекулы углекислого газа. Цикл Кальвина. Последовательность реакций: 6 рибулозо-1,5-бисфосфат + + 6 С 0 2 + 6 Н 20 (карбоксилирование) -> 12 3-фосфоглицериновая кислота + + 12 А ТФ -» 12 1,3-бисфосфоглицериновая кислота + 1 2 НАДФН (восстанов­ ление) —» 12 3-фосфоглицериновый аль­ дегид. Восстановление 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты в 3-фосфоглице­ риновый альдегид катализирует фер­ мент НАДФН-зависимая глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназа. Дальней­ шие стадии приводят к образованию молекулы глюкозы и 6 молекул рибулозо-5-фосфата (регенерация), на фос­ форилирование которых затрачивается еще 6 молекул А Т Ф . Таким образом, регенерируются все 6 молекул рибулозо-1,5-бисфосфата (цикл Кальвина). В итоге на каждую молекулу С 02 рас­ ходуется 2 НАДФН и 3 АТФ. Первич­ ным продуктом при ассимиляции С 0 2 является 3-фосфоглицериновая кислота, а другие органические вещества явля­ ются продуктами ее преобразований (рис. 4). Пять из каждых шести моле­ кул 3-фосфоглицериновой кислоты ис­ пользуется в стадии регенерации, а Export to cytosol (sucrose biosynthesis) Starch biosynthesis (chloroplast) Puc. 4. Цикл Кальвина (по Raines, Christine A ., Lloyd, Julie C. Encyclopedia of Life Science. — Nature Publishing Group, 2001). Ф ерм ен ты ц и кла: 1 — р и б у л о за -1 ,5 -б и сф о сф а т к а р б о к си л а за /о к си ге н а за ( rubisco ); 2 — ф осф огл и ц ера тк и н а за ; 3 — гл и ц ер ал ьдеги д-3 -ф осф а т деги дроген а за ; 4 — тр и озоф осф ати зом ера за ; 5 — альдолаза; 6 — ф р у к тоз а -1 ,6 -б и сф осф а та з а ; 7 — тр а н ск етол а за ; 8 — се д о ге п ту л оза -1 ,7 -б и сф осф а та за ; 9 — р и б ул озоф осф а т-эп и м ер а за ; 10 — р и б оза -5 -ф осф а т и зом ер а за ; 11 — ф осф ор и б ул ок и н а за одна молекула в листе растения либо экспортируется в цитозоль для синтеза сахарозы, либо в хлоропласте вступает в реакции синтеза крахмала. Суммарное уравнение реакций темновой фазы: 6Р-1,5-БФ+6С02+18АТФ+12НАДФН—» ->ГЕКСОЗА+6Р-1,5-БФ+18АДФ+ 18Рн+12НАДФ. Регуляция фотосинтеза 1. На свету функционирует тиоредоксин-опосредованный механизм регуляции ряда ферментов хлоропласта (рис. 5). Восстановленный ферредоксин акти­ вирует фосфатазу фруктозо-1 ,6 -бисфосфата, бисфосфатазу седогептулезы, ки­ назу рибулозофосфата и НАДФ-глицеральдегид-дегидрогеназу. Образующий­ ся фруктозо-6 -фосфат стимулирует рибулозо-1,5-би сф осф аткар бок си л азу. В темноте: фосфатаза фруктоза-1,6 -бисфосфата неактивна, накапливающийся фруктоза-1,6 -бисфосфат ингибирует рибулоза-1,5-бисф осф ат-карбоксилазу. Х ІМ Н МЫ В! 2 «Х/'м/я; праблемы выкладання», Ns 12, 2 0 0 6 Благодаря этому механизму АТФ-синтаза на свету не катализирует гидролиз А Т Ф , происходящий в темноте. В по­ следние годы описан другой белок — активаза rubisco, который активируется светом по тиоредоксин-опосредованному механизму. 2. В регуляции ключевых реакций цикла Кальвина играют роль снижение концентрации протонов во внутритилакоидном пространстве и повышение ионов магния в строме; важную роль играет также концентрация неоргани­ ческого фосфата, за использование ко­ торого конкурируют ферменты цикла Кальвина и АТФ-синтаза. 3. В последние годы появились до­ казательства того, что некоторые фер­ менты цикла Кальвина образуют вре­ менные мультипротеиновые комплек­ сы, обеспечивающие регуляцию цикла. Кроме того, отдельные ферменты цик­ ла (седогептулоза-1 , 7-бисфосфатаза, альдолаза) играют определенную роль в регуляции фиксации С 0 2. № 12 , 20 Reduced Oxidized ACTIVE Reduced LIGHT Reduced Oxidized INACTIVE Puc. 5. Тиоредоксин-опосредованный механизм регуляции ферментов хлоропласта (по Raines, Christine A ., Lloyd, Julie С. Encyclopedia of Life Science. — Nature Publishing Group, 2001). Хімія: праблемы выкладання, № 12, 2006 Э л ек трон ы и О бозн ачени я: light reduced — для в осстан овл ен и я ти ор ед ок си н а п о сту п а ю т о т эл ек тр он -тр а н сп ор тн ой цепи п ер ен ося тся от ф ерредокси н а ф ер р ед ок си н -ти ор ед ок си н -р ед у к та зой . — свет; ph otosynthetic electron transport — эл ек тр он -тр а н сп ор тн а я цепь ф отоси н теза; восст а н ов л ен н ы й ; oxidized — ок и сл ен н ы й ; target-enzym e — ф ерм ент-м иш ень 4. Известно, что большая субъедини­ ца rubisco кодируется геномом хлоро­ пласта, а остальные белки цикла Каль­ вина кодируются генами ядра клетки. Поэтому импорт синтезированных бел­ ков из цитоплазмы клеток в хлоропласты может быть объектом разнообразных регуляторных воздействий. Гены фер­ ментов цикла Кальвина и процессы их экспрессии чувствительны к внешним воздействиям. Например, высокий уро­ вень глюкозы или сахарозы ведет к уменьшению количества иРНК-фермен­ тов цикла, включая малую субъединицу rubisko, седогептулоза-1, 7-бисфосфатазу и фруктоза-1,6 -бисфосфатазу. Такой тип обратной отрицательной регуляции пер­ спективен для понимания процессов ре­ гуляции жизнедеятельности растений. Эволюция рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы/оксигеназы Фермент rubisko появился, когда кон­ центрация С 0 2 в атмосфере была высо­ кой, а кислород практически отсутство­ вал. Поэтому использование кислорода вместо С 02 в качестве субстрата на ран­ них этапах эволюции фермента было не актуально. На протяжении 2 млрд лет после начала эволюции rubisko концент­ рация С 02 упала почти на 90 % , но кон­ центрация кислорода повысилась несу­ щественно. Однако 1,5 млрд лет тому на­ зад началось накопление кислорода в ат­ мосфере. 500 млн лет до настоящего вре­ мени его концентрация достигла сегод­ няшнего уровня,- однако содержание С 02 оставалось высоким. Поскольку на уров­ не rubisko имеются конкурирующие отношения между субстратами (С 02 и 0 2), то фотодыхание (фотореспирация, photorespiration), т.е. работа rubisko как оксигеназы с более энергоемким синте­ зом токсичного для растения 2-фосфогликолата, стало играть лишь вспомога­ тельную роль у фотосинтезирующих организмов. Примерно 450— 500 млн лет назад на суше появились растения вслед за снижением концентрации С 02 в ат­ мосфере. В период между 30 и 50 млн лет тому назад отмечалось существенное уменьшение уровня С 0 2, в результате чего фотореспирация могла существенно ингибировать рост растений. В это время С 02 стала накапливаться в виде четырех­ углеродных карбоновых кислот. Этот С4-путь фиксации кислорода послужил основой для независимого развития ряда семейств растений в условиях эволюци­ онного давления на процессы фотореспи­ рации — С4-растения (рис. 6 ). Рис. 6. С4-путь фиксации углерода: вверху мезофильная клетка (mesophyll cell), внизу клетка обкладки (bundle sheath cell) (по Ort, Donald R. Encyclopedia of Life Science. — Nature Publishing Group, 2001) У С4-растений первичная фиксация атмосферной С 0 2 происходит в мезофильных клетках и включает карбоксилирование фосфоенолпирувата (РЕР) с помощью РЕР-карбоксилазы до оксалацетата (щавелево-уксусная кислота, С4-кислота — С4 -acid). В отличие от rubisko, кислород не конкурирует с С 0 2 за активный центр фермента. Оксалацетат далее превращается в четырехугле­ родную аспарагиновую или яблочную кислоты, которые транспортируются в клетки обкладки и там декарбоксилируются с освобождением С 0 2. В результа­ те в хлоропласте клеток обкладки за счет увеличения концентрация С 0 2 rubisko катализирует превращения по пути карбоксилирования, а не фоторес­ пирации, т.е. функционирует С3-цикл превращений, ведущий к образованию углеводов. Оставшиеся после декарбоксилирования аспарагиновой или яблоч­ ной кислот С3-кислоты возвращаются в мезофильные клетки и служат для ре­ генерации фосфоенолпирувата. Итак, в С4-растениях фотосинтетический путь подавляет фотореспирацию. Этот путь фиксации С 02 зарегистрирован пример­ но у 5 % растений из-за большего рас­ ходования АТФ. Такие растения произра­ стают в условиях горячего и сухого кли­ мата. Для пустынного климата характер­ ны САМ (crassulacean acid metabolism)растения (кактусы, агава, эпифиты и др.), которые используют С4-механизм фиксации углекислого газа в условиях крайнего дефицита воды. Особенности строения этих растений позволяют фик­ сировать молекулу С 0 2 при потере толь­ ко 50 молекул воды. Хімія: праблемы выкладання. № 12, 2006 Растения, которые не использовали С4-путь фиксации С 0 2, называются С3-растениями, и они должны компен­ сировать процессы фотореспирации. Эта компенсация включает около 10 ферментативных реакций в трех органеллах растительных клеток (хлоропласты, митохондрии, пероксисомы), бла­ годаря которым две молекулы 2-фосфогликолата могут превратиться в одну молекулу 3-фосфоглицерата (так назы­ ваемый С2-цикл). Благодаря С2-циклу 75 % фотореспираторного углерода воз­ вращается в С3-цикл, а остаток удаля­ ется в виде углекислоты. За последнее столетие концентрация С 0 2 повысилась на 20 % и это привело к снижению процессов фотореспира­ ции на 20 % . Такая тенденция сохра­ нится, что приведет к повышению уро­ жая, например, зерновых культур. Од­ нако повышение роста растений в свя­ зи с уменьшением фотореспирации мо­ жет нивелироваться накоплением угле­ кислого газа в атмосфере и за счет это­ го ухудшением погодных условий. Дальнейшая эволюция rubisko будет ле­ жать в основе конкурентных отноше­ ний между С3- и С4-растениями на Земле. В то же время начаты работы по клонированию методами генной инже­ нерии белка rubisko, лишенного фотореспираторной активности. высших растений. Зеленые серные бактерии в качестве конечного акцеп­ тора электронов используют железо­ серные центры, аналогичные I фотоси­ стеме высших растений. В мембране этих бактерий имеется комплекс, соби­ рающий энергию фотонов и включаю­ щий бактериохлорофилл и каротинои­ ды (называется хлоросома). Зеленые скользящие бактерии содержат хлоросомы, но реакционный центр у них та­ кой же, как у пурпурных бактерий. Открытые в 80-х годах прошлого века гелиобактерии в качестве реакционно­ го центра содержат комплекс, похожий на I фотосистему высших растений, но включающий бактериохлорофилл g в качестве основного фотосинтетического пигмента. Рентгеноструктурный анализ пока­ зал, что реакционный центр пурпур­ ных бактерий содержит два связанных интегральных мембранных белка, на­ званных L- и М-субъединицами. Неко­ торые содержат Н-субъединицу и с-тип цитохромного комплекса. L- и Н-субъединицы связывают кофакторы, вовле­ ченные в транспорт электронов. К ним относятся 4 молекулы бактериохлорофилла, 2 молекулы бактериофеофитина, 2 молекулы хинона (убихинон или менахинон), атом железа и часто кароти­ ноид. Бескислородные фотосинтезирующие организмы Бесхлорофильный фотосинтез Бескислородные фотосинтезирую­ щие бактерии не способны окислять воду и используют ряд доноров элект­ ронов с меньшим положительным вос­ становительным потенциалом: сульфи­ ды, тиосульфаты или сукцинат (янтар­ ная кислота). Для всех бескислородных фотосинтетических бактерий характер­ ны только простые типы реакционных центров. У пурпурных бактерий реак­ ционные центры содержат хиноны как конечные акцепторы электронов. В этих бактериях перенос электронов цикли­ ческий. Реакционный центр пурпур­ ных бактерий, собирающий энергию фотонов, напоминает II фотосистему В 1976 г. Стокениус обнаружил, что галлобактерии, живущие в засоренных водоемах, осуществляют бесхлорофиль­ ный фотосинтез благодаря белку родо­ псину, содержащему ретиналь. Бактериородопсин пронизывает мембрану и, поглощая свет, «перекачивает» прото­ ны изнутри клетки наружу. В резуль­ тате на мембране клетки возникает электрохимический потенциал. Эти бактерии могут работать в морской воде. В присутствии кислорода галобактерии синтезируют АТФ в ходе окислительного фосфорилирования, при недостатке кислорода — переклю­ чаются на фотосинтетический меха­ низм.
