ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ФОТОСИНТЕЗА

Основными продуктами двух первичных фотохимических ре­акций являются восстановленное промежуточное соединение ХН и окисленное Z (см. рис. 7.1). Окислитель Z окисляет Н20 до 02, ХН восстанавливает С02 до углевода. Процессы эти про­текают с участием ферментов. Ферментативная система, уча­ствующая в выделении 02, содержит марганец. Установлено, что ион марганца участвует в реакции, фотокатализируемой ФС// (см. табл. 7.3). Пара Мп3+/Мп2+ характеризуется высо­ким окислительно-восстановительным потенциалом (около 1,5 В). Можно предположить, что Мп2-Н испытывает фотоокис­ление до Мп3+ во второй световой реакции, а затем Мп3+ окис­ляет воду в темновой реакции:

2Мп3+ + Н20 —* 1/2О2 + 2Мп2+ + 2Н+

Для чего нужно более чем +0,75эВ. Конечно, речь здесь идет о Мп как кофакторе фермента.

Таким образом, предположительно Z есть фермент, содер­жащий трехвалентный марганец. Предполагалось, что X это НАДФ+ (пара НАДФ+/НАДФ-Н имеет потенциал —0,35 В). В действительности имеется не менее чем два предшественни­ка— железосодержащий белок ферредоксин ФД и фермент ферредоксин-НАДФ-редуктаза. Установлено, что освещенные хлоропласты восстанавливают пигмент вплоть до —0,6 В [44]. Предположительно потенциал X близок к этой величине. Схема возможных реакций [1] записывается в виде

X ФД ФД-НАДФ - ^ НАДФ+

ХН Восст. ФД * редуктаза НАДФ-Н '

—0,6В -0,4В —0,35В

Гораздо лучше известен химический путь, ведущий от С02 (вос­станавливаемого такими веществами, как НАДФ-Н) к углеводу.

Этот путь был установлен Кальвином и его сотрудниками, широко использовавшими радиоактивную метку — углерод С14 [54—56].

Стехиометрическое уравнение, описывающее брутто-реак - цию фиксации двуокиси углерода, имеет вид

6 РДФ + 6 С02 + 18 АТФ + 12 НАДФ-Н —►

—>6 РДФ + ГФ +18 АДФ + 17 Ф„ + 12 НАДФ.

Здесь РДФ — рибозо-1,5-дифосфат

О ОН ОН

II I 1

(Р)ОСН2—С—С— С—СН20(Р),

Н н

ГФ — гексозофосфат. РДФ является первичным акцептором С02. Путь углерода в фотосинтезе — последовательности тем - новых реакций — описывается так называемым циклом Каль­вина— Бассама. Этот цикл состоит из 13 стадий, катализируе­мых соответствующими ферментами (см. [55]). Суммарная ре­акция написана выше. В сокращенных обозначениях

6С5 + 6С, =6С5 + С6, где индексы обозначают число атомов углерода в соединении.

ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ФОТОСИНТЕЗА

Ацф+фн атф

Рис. 7.17. Упрощенная схема цикла превращений углерода по Кальвину.

Упрощенная схема цикла Кальвина показана на рис. 7.17, бо­лее детализированная его схема — на рис. 7.18. Результирую­щий гексозофосфат гидролизуется с отщеплением фосфата. На образование одной молекулы гексозы из 6 молекул С02 расхо­дуется энергия 18 молекул АТФ. Именно эти молекулы обра­зуются при переносе электронов в процессе фотосинтеза —
происходит фотофосфорилирование АДФ. Суммарная реакция имеет вид

НАДФ + «'АДФ + п'Ф„ + пПа> —>- НАДФ-Н + «'АТФ + 02 + («' — 2) Н20.

Эта реакция реализуется в полной системе с участием пигмент­ных систем и цепи переноса электронов. Главные физические

J СО,

ЖЧ ЖЧ.

П

ФГК ФГК ФГК ФГК ФГК ФГК

Вт

■ В НАДФ-Н

ФГА ФГА ФГА ФГА ФГА ФГА

І

ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ФОТОСИНТЕЗА

J АТФ

Лсилулозв-

РиВулозофосфат ■ РиВулозофосфат РиВулвзвфвсфат

В НАДФ ■

А

<Дшкси - ицетв//-

Рис. 7.18. Путь углерода в фотосинтезе. ФГК—3-фосфоглицерат, ФГА—глицеральдегид-3-фосфат.

Проблемы фотосинтеза относятся к механизму фотофосфорили- рования, т. е. превращения световой энергии в химическую энергию макроэрга. Эти проблемы рассматриваются в следую­щих двух параграфах.

§ 7.6. ХЛОРОПЛАСТЫ

Как уже сказано, фотосинтез происходит в органоидах ра­стительных клеток, именуемых хлоропластами. На рис. 7.19 приведена электронная микрофотография среза хлоропласта из листа кукурузы [57]. Хлоропласты имеют диаметры, варьирую­щие от 3 до 10 мкм, и толщину от 1,5 до 3 мкм. Таким обра­зом, хлоропласт заполняет почти всю клетку зеленой водоросли. На рис. 7.19 в хлоропласте видны примерно параллельные ла - меллы, погруженные в более светлую строму. У высших расте­ний ламеллы плотно упакованы параллельно друг другу и образуют стопки, называемые гранами. Ламеллы представляют собой сечения уплощенных замкнутых мешочков — тилакоидов, имеющих диаметр около 5000 А. Число тилакоидов в хлоропла­сте порядка 1000. Модель структуры хлоропласта, предложен­ная Вейером [58], показана на рис. 7.20 [57]. Мембрана тила - коида имеет толщину около 100 А-

Ряд фактов показывает, что все процессы фотосинтеза ло­кализованы в тилакоидных мембранах. Именно в них содер­жатся активные пигменты, прежде всего хлорофилл. Фрагмен­ты тилакоидов реализуют реакцию Хилла и фотофосфорили - рование.

Из фактов, изложенных выше, следует, что молекулы хлоро­филла в хлоропластах действуют независимо друг от друга, но

ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ФОТОСИНТЕЗА

Рис. 7.19. Электронная микрофотография среза хлоропласта.

•і1".

Согласованно, что обусловливается, по-видимому, наличием определенных функциональных единиц, локализованных в ти - лакоидах. Установлено, что некоторая доля молекул Chi а, по­глощающих свет вблизи 7000 А, ориентирована в хлоропласте определенным образом. Об этом свидетельствуют измерения ди­хроизма [59, 60]. Цитохром f, по-видимому, расположен близко к этим ориентированным молекулам хлорофилла. При освеще­нии зеленых листьев поглощение в цитохроме f при 5530 А уменьшается, т. е. он окисляется. Это происходит и при низких температурах. Одновременно наблюдаются и изменения в спектре Chi а. Отметим, что при низких температурах затруд­нен транспорт электрона на большие расстояния. Отсюда мо­жно заключить, что цитохром f каким-то образом ассоциирован с Chi а или с Р 700 [57, 61] (см. также § 7.7),

Как указывалось выше, фотосинтез происходит в двух фо­тохимических системах. Проблема пространственной локализа­ции этих систем в хлоропластах очень актуальна.

При деструкции хлоропластов ультразвуком было установ­лено, что частицы с константой седиментации 38S, имеющие диаметр порядка 300 А, сохраняют способность к реакции Хил­ла [62]. Частицы объемом менее 15 • 105 А3 уже не активны [63]. Отсюда следует, что наи­меньшее число молекул хло­рофилла, активных в фото­синтезе, равно 40—120 [57].

При освещении хлоро­пластов или целостных фо- тосинтезирующих организ­мов (водорослей) наблюда­ются два сигнала ЭПР. Пер­вый сигнал (R) представ­ляет собой резкий пик, бы­стро возникающий и быстро исчезающий. Второй сигнал (S)—широкий, медленно возрастающий и еще мед­леннее исчезающий. /?-сиг - нал приписывается Chi а и, возможно, Р700, т. е. ФС/, S-сигнал — ФС // [64]. /?-си - гнал генерируется наимень­шими частицами, получаю­щимися при разрушении хлоропластов, напротив, S-сигнал исчезает уже тов [65].

Опыты по сегментации хлоропластов показывают, что фото­синтетическая активность действительно присуща отдельным тилакоидам (см. [57, 66]). Более точная локализация пигмент­ных систем пока не установлена. Для этого нужно было бы провести опыты по реконструкции фотосинтетической системы из неактивных фрагментов.

ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ФОТОСИНТЕЗА

Рис. 7.20. Модель структуры хлоро­пласта.

Гораздо больших фрагмен-

Структурные исследования тилакоидов методом электронной микроскопии показывают, что тилакоиды содержат регулярные, кристаллоподобные системы плотно упакованных гранул [66, 67]. На рис. 7.21 показана электронная микрофотография среза тилакоида из листа шпината. На ней хорошо видны гранулы, размером 185 X 155 X ЮОА3. На некоторых микрофотографиях удается увидеть, что эти частицы в свою очередь построены из четырех или большего числа субъединиц. Молекулярный вес
гранулы оценивается в 2 • 106. Зная состав ламелл, можно, ис­ходя из этой оценки, определить число молекул различных ве­ществ в грануле. Соответствующие данные приведены в табл. 7.4 [67].

Число молекул хлорофилла, равное 230, находится в разум­ном согласии с независимой оценкой для фотосинтетической единицы (см. стр. 337).

ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ФОТОСИНТЕЗА

Рис. 7.21. Электронная микрофотография среза тилакоида.

Значение этих гранул снижается тем обстоятельством, что их упаковка варьирует в зависимости от условий роста расте­ния. Частицы, обладающие размерами, близкими к указанным, способны реализовать реакцию Хилла, но не полный фотосин­тез, даже если к ним добавлены растворимые компоненты хло­ропластов [57].

Рассеяние рентгеновых лучей под малыми углами дает ин­формацию о размерах ламелл [69]. Каждый тилакоид состоит из корпускулярного слоя, построенного из частиц диаметром 31—36 А. Внутри слоя находится непрерывный элемент толщи­ною в 42 А. Общая толщина тилакоида, состоящего из замкну­того корпускулярного слоя, окружающего замкнутый же двой­ной непрерывный слой, равна 178А. Корпускулы диаметром

Таблица 7.4

Состав гранулы из тилакоида шпината

Липидная фракция (числа молекул)

А'іолекулярньїй вес

Белковая фракция

Молекулярный вес

230 хлорофиллов

206 400

Белок

928 000

48 каротиноидов

27 400

2 атома марганца

110

48 хинонов

31 800

12 атомов железа,

В том числе содер­

Жащиеся в двух ци-

Тохромах

672

116 фосфолипидов

90 800

6 атомов меди

218

144 дигалактозилдн-

Глицеридов

134 000

366 моногалактозил-

Диглицеридов

268 000

48 сульфолипидов

41 000

Стероиды

15 000

Неидентифицирован-

175 000

Ные липиды

Итого

988 400

Итого

929 000

31 А соответствуют! Д гранулы. Таким образом, результаты ис­следования рассеяния рентгеновых лучей в какой-то мере со­гласуется с построением гранул из субъединиц. Однако нет пол­ного соответствия между ■ данными электронной микроскопии и результатами изучения рассеяния рентгеновых лучей.

Два факта заслуживают особенного внимания — кристалло- подобная структура, показанная на рис. 7.20, и отсутствие пол­ной фотосинтетической активности у частиц, имеющих размеры гранул. Возможно, что для такой активности необходим именно упорядоченный коллектив гранул, достаточно большой «кри­сталл». Высокая упорядоченность и периодичность структуры, не наблюдаемая в других мембранах, заставляет думать о воз­можности применения представлений физики твердого тела к механизму фотосинтеза (см. § 7.7). Это пока лишь гипотетиче­ские соображения. Вместе с тем, нельзя считать исключенными артефакты, создаваемые оттенением посредством 0s04 или КМп04, применяемым в электронной микроскопии [69] (ср. стр. 290).

(7.8)

Обработка детергентами (дигитонином) с последующим цен­трифугированием и электрофорезом позволяет определить со­держание и состав белков в хлоропластах [171, 172]. Более детальная информация о расположении и ориентации белко­вых молкул в мембранах получена иммунологическими и другими методами. Установлено, что в хлоропластах имеются ча­стицы двух сортов: легкие диаметром 70—110 А и тяжелые диа­метром 150—180 А. Легкие частицы содержат больше Chi а, они способны к циклическому фосфорилированию и к восстановле­нию НАДФ+ в присутствии аскорбата [173]. Тяжелые частицы содержат больше Chi b, они способны восстанавливать на свету феррицианид (реакция Хилла) и проводить нециклическое фос­форилирование. На этих основаниях легкие частицы отождеств­ляются с ФС/, тяжелые — с ФС//. На квадратном микрометре поверхности тилакоида содержится около 4000 легких частиц и около 2000 тяжелых [174]. Из изложенного следует, что число ФС / и ФС II должно быть примерно одинаково. Отсюда можно заключить, что в каждой тяжелой частице содержится две

ФС//.

В работающих хлоропластах наблюдаются медленные изме­нения поглощения при 4750 и 5150 А, происходящие за секун­ды [70]. В этих же спектральных областях наблюдаются быст­рые изменения поглощения со временем появления полос, мень­шим Ю-5 с, и временем исчезновения 20 мс [71]. Быстрые изме­нения являются индикаторами окислительно-восстановитель­ных реакций. Установлено, что они происходят параллельно с фосфорилированием. Они отражают изменения электрического поля поперек мембраны, их исчезновение связано с транспор­том протонов и других ионов. Действительно, при увеличении проницаемости мембраны для ионов в результате осмотического шока изменения исчезают быстрее. Это происходит и при дей­ствии разобщителей фосфорилирования, увеличивающих про­ницаемость для протонов. Наконец, ионофоры, такие как гра­мицидин D, увеличивающие проницаемость к щелочным ионам, также ускоряют исчезновение спектральных изменений [44], причем имеется четкая зависимость от концентрации грамици­дина. Были проведены опыты со слоями Chi a, Chi Ь и каро - тиноидов на стеклянных пластинках. Слои подвергались дей­ствию электрических полей с напряженностью до 106В/см и измерялись изменения поглощения. Они оказались совпадаю­щими с изменениями в хлоропластах, индуцированными све­том [44]. Изменение поглощения А ЦІ = АЛ линейно зависит от изменения потенциала Atf

Z=q/C = a АЛ.

Здесь q — заряд, перенесенный через мембрану, С — емкость мембраны, примерно равная 1 мкФ, а ж 50 мВ/ДЛ. Кроме того, работает «молекулярный амперметр», и ток через него равен

ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ФОТОСИНТЕЗА

(7.9)

При вспышке, вызывающей один оборот, через мембрану пере­носится два элементарных заряда е на одну электронную цепь. Из экспериментальных данных следует, что при этом Д-ф да да 50 мВ, при длительных вспышках Афтах ~ 200 мВ, а при стационарном освещении Аф да 100 мВ. Исследование световых реакций показывает, что поле создается наполовину реакцией в ФС / и наполовину — реакцией в ФСП [44].

С помощью стеклянного электрода и индикаторов обнару­жены и изменения рН, сопровождающие фотосинтез. При убы­вании электрического поля одновременно нарастает рН [72]. Согласно оценке отношение числа поглощенных протонов к числу перенесенных электронов равно 2 (дальнейшие подроб­ности см. в [44]).

Эти результаты качественно согласуются с хемиосмотиче - ской теорией Митчелла (см. § 6.4), согласно которой перенос электронов дает свободную энергию для фосфорилирования в форме градиентов ф и рН (см. также [73]).

При вспышке, вызывающей один оборот, Аф 50 мВ, но АрН очень мало, значительно меньше единицы. Значит, в этих условиях фотосинтез протекает независимо от АрН. Показано, что при единичной вспышке фосфорилирование действительно происходит за счет Аф с выходом АТФ 0,30 на вспышку и не­зависимо от интервала между вспышками. Фосфорилирование блокируется грамицидином D. При значениях Аф, больших 50 мВ, количество возникающего АТФ пропорционально Аф. Отсюда следует, что электрическая энергия используется для продукции АТФ [74].

На рис. 7.22 показана общая схема сопряжения различных процессов в фотосинтезе, предложенная Виттом [44]. На ри­сунке показан участок тилакоидной мембраны. При фотосин­тезе происходят следующие события, перенумерованные на ри­сунке:

Миграция и диссипация энергии. Энергия запасается и затем диссипирует в Саг*, а также в результате флуорес­ценции.

Световые реакции, описанные выше (см. стр. 366).

Образование электрического поля вследствие направлен­ного переноса электронов перпендикулярно к мембране, опре­деляемого анизотропной ориентацией молекул.

Перенос электрона и втекание в мембрану протонов в соответствии с теорией Митчелла (см. §§ 6.4, 6.5): два электро­на на внешней стороне мембраны замещаются двумя ионами ОН, а две дырки (+) на внутренней стороне мембраны — дву­мя протонами. Возможный механизм протеолитические реак­ции, сопряженные с переносом электрона от Н20 к НАДФ+.

5. Образование АрН. Связанные ОН - и Н+ могут замещать­ся Ch и К+. ОН~ и Н+ диффундируют соответственно во внеш­нюю и внутреннюю фазы, что создает разность АрН.

ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ФОТОСИНТЕЗА

У/\ - іу/у/^Я - уу/ум СЩ 50~г00мВ

По)

(1) ЇЩ ІЩ, (Z)\ CM а; ШдП

Миграция энергии

Световые реакции

Отражение паля

V (7)

К+сг

К+сг

К+0Н"

' \

К+0Н"

ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ФОТОСИНТЕЗА

(4) I Перенес шетрона I — —

Химжееки управляемый

при/пен

К+0Н~ 1 К+0Н"

H+DH~ Н+0Н"

І і,

■с» АТФ

Метек iF - тЗ действием поля

//сток К+ лед действием поля

♦ I ц „

Л у уГ

ШнАш

Н Д Л ltl-Н+Н +W/M(ry/,

(В)

Исчезновение поля

АДФ •

Ос/ин aiopom (8)

Н+сг к+

Н+сг к+

F-цУ ]

ІУґМ

Н+ І Н+

Убыль V йрН

Образование АТФ

(3)

Диірірузиошв/й. притек К++ Н*

У/////,Г\у, у//. УУГЛ-Л

Рис. 7.22. Схема сопряжения молекулярных процессов в фотосинтезе по

Витту.

Управляемое полем истечение протонов и убывание АрН.

Управляемое полем истечение К*.

Диффузионная убыль АрН.

Фосфорилирование, сопряженное с разрядкой электриче­ски энергизованной мембраны в соответствии с теорией Мит­челла.

10. Регуляция внутреннего значения рН\ При рН1' да 8 Не­проводимость мембраны больше, чем Непроводимость. При генерации Н+ (п. 4) возрастание [Н+]» замедляет поток элек­тронов, что, в свою очередь, замедляет генерацию Н+. Возра­стание [Н+]' увеличивает вытекание Н+, что происходит за счет вытекания К+. [Н+]* поддерживается на определенном уровне. Она возрастает с увеличением частоты вспышек или интенсив­ности света. В свою очередь, ускоряется процесс 6 и фосфори­лирование (процесс 9).

Таким образом, энергия световых квантов заряжает мембра­ну. В правой части рис. 7.22 показано, как используется эта энергия.

Положения, суммированные в приведенной схеме, подтверж­даются многочисленными и разнообразными опытными фак­тами. Однако механизмы соответствующих процессов еще не установлены, и эту схему следует пока считать гипотетической.

(7.10)

(7.П)

Вместе с тем, как подчеркивается в монографии [170], при­менение теории Митчелла к фотосинтезу встречается с трудно­стями при количественных оценках. В этой теории свободная энергия протонов должна превышать энергию фосфорилиро­вания

ПцОн ^ Оф.

Здесь Оф да 0,5 эВ да 11,5 ккал/моль, пц — число протонов, пе­ремещение которых приводит к фосфорилированию. В естест­венных условиях при Аф = 50 мВ и АрН « 2—2,5 имеем

Он = е Аф + /гбТ • 2,3 АрН да 0,18 эВ.

Следовательно, «н должно быть не менее трех [175, 176]. В ра­боте [177] дается близкая оценка — утверждается, что для син­теза 1 моля АТФ нужны 4 протона. С другой стороны, из соот­ношения АТФ/е - = 2 и Н+/е~ = 2 следует, что на 1 моль АТФ расходуются 2 протона. В условиях импульсного освещения по-прежнему Аф = 50 мВ, а АрН = 0. Число протонов состав­ляет 0,5/0,005= 10. Но отношения АТФ/е~ и Н+/е~ те же и, значит, не хватает энергии восьми протонов.

Таким образом, для применения теории Митчелла к фосфо­рилированию при фотосинтезе необходим дальнейший анализ, прежде всего уточнение количественных характеристик про­цесса.

Вместе с тем феноменологическая картина, следующая из всех имеющихся данных, хорошо согласуется с теорией Мит­челла.

ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

ЗРЕНИЕ

Воздействие света на живые организмы не ограничивается фотосинтезом. Гетеротрофные организмы для своего существо­вания должны получать информацию о пище, а на более высо­ких уровнях развития и о других факторах жизни, связанных …

ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В МЕМБРАНАХ

Мембраны клеток и внутриклеточных органоидов в значи­тельной степени определяют их свойства. Естественно думать, что и периодические процессы, присущие живым организмам, связаны с периодическими явлениями в мембранах. Нелинейное поведение возбудимых мембран …

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Биоэнергетические процессы, приводящие к синтезу АТФ, к зарядке «биологических аккумуляторов», протекают в специали­зированных мембранах митохондрий. Именно здесь локализо­ваны и пространственно организованы молекулярные системы, ответственные за энергетику живых организмов. Синтез АТФ …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.