ФОТОСИНТЕЗ
В главах 3—5 рассмотрены биоэнергетические явления — трансформация химической энергии, запасенной в АТФ, в осмотическую и механическую работу. В гл. 6 описан обратный процесс — образование АТФ в результате работы дыхательной цепи, локализованной в митохондриях. Все эти процессы относятся к «темновой биологии», они протекают без участия света.
Вместе с тем существуют биоэнергетические явления, непосредственно связанные с действием солнечного света на организмы. В конечном счете именно излучение Солнца является источником жизни на Земле. В этой главе рассматриваются лишь два важнейших фотобиологических процесса — фотосинтез (в основном, в зеленых растениях) и зрительная рецепция.
Возникновение и существование живых систем, обладающих сложной структурой, упорядоченной в пространстве и времени, возможно лишь потому, что это открытые системы, находящиеся в состояниях, далеких от термодинамического равновесия. Возникновение жизни требовало источника свободной энергии. Такой источник—Солнце. Солнечная система далека от термодинамического равновесия, световая энергия, излучаемая Солнцем, используется для биохимических процессов, лежащих в основе жизни фотоаутотрофных растительных организмов. Фотосинтез в растениях есть использование световой энергии для образования сложных органических соединений, прежде всего углеводов, и синтеза АТФ. Глобальным результатом фотосинтеза является образование свободного молекулярного кислорода, создание окислительной атмосферы Земли, необходимой для дыхания как аутотрофов, так и гетеротрофов (см., впрочем, стр. 480).
Суммарное уравнение фотосинтеза имеет вид
С02 + Н20 + Аш-> 02 + (СН20) +112 ккал/моль.
Здесь йсо — квант света, (СН20)— фрагмент молекулы углевода. При фотореакции выделяется энергия 112 ккал/моль. Изменение свободной энергии составляет 120 ккал/моль, следовательно, изменение энтропии в этом процессе равно — 27 кал/моль-К (при Т = 300 К). На образование одной молекулы 02 расходуется 8 квантов света (см. далее стр. 336) с суммарной энергией около 350 ккал/моль. Коэффициент использования солнечной энергии тем самым равен 120/350 = 0,34. Выделяемая энергия около 110 ккал/моль следует из баланса:
Энергия двух связей С=0 в С02 190X2 = 380
Энергия двух связей О—Н в Н20 110X2 = 220
Итого 600 Энергия связи 0=0 в 02 116 Энергия двух связей С—Н в формальдегиде СН20 92X2 = 184 Энергия связи С=0 в СН20 190
Итого 490
600 — 490 = 110 ккал/моль.
Суммарная реакция фотосинтеза обратна реакции, реализуемой в дыхании, — образованию С02 и Н20 из органических соединений.
Разность энергий 112 ккал/моль следует из окислительно-вос- становительного потенциала пары У2О2/Н2О, равного +0,81 эВ, и пары С02/(СН20) + Н20, равного — 0,40 эВ. Их разность составляет 1,21 эВ. В фотосинтезе для восстановления С02 до углевода нужно перенести 4 атома водорода с Н20 на С02:
С02 + 2Н20 (СН402) + 02 = [(СН20) + Н20] + 02.
Вещество (СН402) нестабильно, оно распадается на (СН20) и Н20, причем выделение воды не меняет уровня восстановления. Соответственно баланс энергии сводится к 1,21 X 4 = 4,84 эВ = = 112 ккал/моль.
Таким образом, фотосинтез в зеленых растениях означает окислительно-восстановительную реакцию между окислителем С02 и восстановителем Н20, в которой четыре электрона (или четыре атома Н) переносятся «вверх», преодолевая разность потенциалов около 1,2 В. Схематически этот процесс представлен на рис. 7.1 [1]. Он разделен на три стадии — две «горизонтальные» последовательности ферментативных реакций и «подъем» электронов с участием света. При бактериальном фотосинтезе вместо воды может фигурировать H2S; в этом случае разность потенциалов H2S/S меньше, она составляет —0,2 В.
Фотохимическая стадия, сводящаяся к запасанию световой энергии, трансформируемой в химическую, начинается с поглощения света пигментами растений, среди которых важнейшую роль играет хлорофилл. Тимирязев показал, что спектр действия солнечного света при фотосинтезе находится в грубом соответствии со спектром поглощения хлорофилла. Это положение имеет фундаментальное значение [2]. Скорость фотосинтеза Р, измеряемая количеством выделенного в единицу времени кислорода
(или поглощенного СОг), зависит от интенсивности света /, Р = = /(/). Эта зависимость характеризуется насыщением (рис. 7.2). Тангенс угла начального наклона кривой выражает максимальный квантовый выход процесса, наблюдаемый при слабой освещенности. При понижении температуры кривая снижается.
Грубая теория, объясняющая насыщение, состоит в следующем: скорость фотохимического образования некоего субстрата /в пропорциональна числу погло
Щенных квантов. Субстрат неустойчив, так как после прекращения освещения продукция 02 г прекращается, независимо от ин
Тенсивности света. Образовав-
Р
__ тг<т,
Рис. 7.2. Зависимость скорости выделения 02 от интенсивности света при двух температурах.
Шийся при освещении субстрат трансформируется далее в ферментативных процессах, и если его количество слишком велико, то трансформация не успевает осуществиться до распада субстрата. Считая, что стационарная кинетика ферментативной реакции следует уравнению Михаэлиса — Ментен и концентрация субстрата 5 пропорциональна /, имеем
" = (7-1)
Где Е — концентрация фермента, k, К — константы. При / < К v ~ I, при / » К v = vmax = kE, т. е. имеется насыщение. Константа k равна kejn, где ke—константа скорости ферментативной реакции, а п — число молекул субстрата, необходимых для продукции одной молекулы Ог. Из опыта следует, что наиболее вероятное значение п равно 8.
+//J
(сн20)
Рис. 7.1. Схема фотосинтеза.
/ — ферментативное превращение НгО в О», 2— перенос водорода от про межуточного вещества Z/'ZH2 к Х/ХНг в последовательности ферментативных стадий с помощью активированного светом хлорофилла, 3 — ферментативное превращение СОї в (СНаО).
Таким обазом, фотосинтез состоит из практически мгновенной первичной фотохимической реакции и ферментативной темновой
реакции (точнее — совокупности таких реакций). Эти два процесса можно разделить в опытах с импульсным освещением (см. далее). Такие опыты были впервые проведены Эмерсоном и Арнольдом [3], изучавшими фотосинтез в клетках зеленой водоросли хлореллы. Было установлено, что при вспышках длительностью Ю-5 с выход кислорода Pf, приходящийся на одну вспышку, вначале пропорционален интенсивности вспышки (числу Квантов), а затем стремится к насыщению. Кривая зависимости Pf от энергии вспышки подобна кривым, изображенным на рис. 7.2.
Из данных химического анализа следует, что на один ферментный комплекс или на одну молекулу обобщенного фермента приходится около 300 молекул хлорофилла. Такой комплекс именуется фотосинтетической единицей (см. [4]). В фотосинтезирую - щих бактериях число молекул хлорофилла в фотосинтетической единице снижено до 50. Большое число молекул хлорофилла, объединенных в комплексе с одной молекулой обобщенного фермента, легко объясняется соотношением размеров этих молекул. Молекулярный вес фермента порядка 105—106, хлорофилла — 103.
Константа скорости ke находится путем измерения зависимости выхода 02 от продолжительности интервалов времени между вспышками td - По мере возрастания td выход 02 на вспышку увеличивается, пока td не достигнет 0,1 с. При этом значении происходит насыщение. Следовательно, лимитирующий скорость процесса фермент может переработать практически все количество субстрата, полученного при вспышке, за время порядка 0,1 с. Среднее время, необходимое для превращения одной молекулы субстрата, примерно в пять раз меньше; оно составляет около 0,02 с при комнатной температуре. Иными словами, ke = = 1/0,02 = 50 с-1.
Вместе с тем опыты с импульсным освещением дают количество фермента в фотосинтетнческой единице, равное
Ј = Chl/300,
Где Chi — количество хлорофилла. Отсюда следует, что если один и тот же фермент лимитирует как стационарную скорость фотосинтеза при постоянном освещении, так и выход на вспышку, то Umax = keE/n = 50 Chl/n-300 ж 0.02 Chi в с-1. Иными словами, максимальная скорость фотосинтеза при постоянном освещении равна одной молекуле 02 на молекулу хлорофилла за 50 с. Эта оценка хорошо согласуется с опытом.
Изложенная элементарная теория имеет ясное содержание, ее простота является крупным достоинством. В действительности, однако, фотосинтез включает целую совокупность фермец - тативных реакций, и максимальная скорость может определяться не одной, а несколькими реакциями. При вспышках длительностью Ю-3 с максимальный выход процесса становится выше и оказывается зависящим от температуры (см. [1]).
Фотосинтетические единицы локализованы в хлоропластах — в специализированных органоидах растительных клеток. Строение и функциональность хлоропластов рассматриваются в § 7.5. Здесь мы остановимся на некоторых свойствах хлоропластов, имеющих общее значение для понимания фотосинтеза.
В водной суспензии хлоропластов с солями трехвалентного железа выделение кислорода пролонгируется. Происходит реакция Хилла [5], сводящаяся к фотосинтезу, к выделению 02 in vitro при участии добавленного окислителя. Таким окислителем служат ферри-соли, хиноны, красители. При изготовлении суспензии хлоропластов уничтожается или повреждается система 3 на рис. 7.1. Добавленный окислитель, т. е. акцептор водорода, замещает систему С02/(СН20). Установлено, что реакция Хилла действительно является фотохимическим окислением воды. Продукция Ог в этом случае почти такая же, как и при фотосинтезе in vivo.
Реакция Хилла показывает, что фотосинтез есть окислительно-восстановительная реакция между Н20 и С02, в ходе которой четыре атома Н переносятся от Н20 к С02 и оба реагента одинаково существенны для процесса в целом. Однако первичная фотохимическая реакция более непосредственно связана с дегидрогенизацией воды, чем с гидрогенизацией С02. Источником 02 является Н20, а не С02, что доказано опытами с водой, обогащенной О18 [6, 7].
Химия фотосинтеза рассматривается в § 7.4. Фотохимическая стадия завершается восстановлением НАДФ до НАДФ-Н, причем идет фосфорилирование, т. е. образование АТФ.
Одновременно с фотосинтезом происходит дыхание, т. е. поглощение 02. На свету измеряется разность этих двух процессов. Доказано, что скорость дыхания одинакова в темноте и на свету. Тем самым два процесса могут быть разделены. Дыхательная цепь локализована в митохондриях, хлоропласты «не дышат». У ряда растений наблюдается фотореспирация, специфический процесс поглощения кислорода на свету, реализующийся под действием света определенного спектрального состава.
В этом и последующих параграфах приводится лишь краткое рассмотрение фотосинтеза, поневоле огрубленное. Фотосинтезу посвящена громадная литература, исследования в этой области интенсивно развиваются, и наши знания обогащаются непрерывно. Фотосинтезирующая система чрезвычайно сложна.
Сошлемся, наконец, на некоторые монографии, посвященные фотосинтезу [1, 8—11, 74].