ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

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].