Загрузил Владимир Лютов

Химия проблемы выкладання 12 2006 чиркин репозиторий

Реклама
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.
Скачать