Биологический каталог




Фотосинтез

Автор Д.Холл, К.Рао

измерительного света

+

Рис. 4.8. Схема дифференциального спектрофотометра для измерения индуцированных светом изменений поглощения пигментов w

других компонентов клеток.

да, и обнаружил накопление цитохрома f в окисленном состоянии. В контрольном опыте с клетками водорослей,, не обработанными ингибиторами, спектр поглощения цитохрома f не изменялся, т. е. накопления окисленного цитохрома не происходило. Дюйзенс сделал вывод о том,, что цитохром / является промежуточным переносчиком электрона в реакциях, сопровождающих выделение кислорода (см. гл. 5).

4.4. Реакционные центры и первичные акцепторы электрона

Освещая суспензии водорослей короткими вспышками света, Кок сумел идентифицировать и охарактеризовать особый тип хлорофилла а, который он назвал пигментом Р700. Р700 входит в состав хлоропластов в очень малых количествах. Его максимум поглощения лежит около

700 нм. Под действием света он обратимо выцветает, окисляясь при этом до Р7оо+. Дальнейшие исследования показали, что P7QO входит в состав реакционных центров и служит ловушкой, захватывающей всю энергию возбуждения, принесенную квантами света с длинами волн больше 680 нм. При участии Р700 эта энергия используется для первичной фотохимической реакции переноса электронов. Иначе говоря, Р700 представляет собой первичный донор электронов в фотосистеме I. Считают, что Р700—это особым образом устроенный димер хлорофилла а. Обычно в хлоропластах содержится один Р70о на 200—300 молекул хлорофилла. Под действием света Р7оо превращается в Р7004", и электрон переносится на молекулу акцептора. Дефицит электрона у Р7004" восполняется путем переноса на Р7004" электрона от пластоциани-на (в некоторых водорослях — от цитохрома f). Химическая природа акцептора, принимающего электроны от Р700, т. е. первичного акцептора электронов в фотосистеме I, до сих пор окончательно не выяснена. Обозначают этот акцептор символом X. Исследованиями хлоропластов методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) при очень низких температурах установлено существование двух связанных с мембраной железо-серных центров (А и В), имеющих очень низкие окислительно-восстановительные потенциалы (см. гл. 5) и расположенных в цепи переноса электронов непосредственно после X и перед ферредоксином.

Фотосистема II содержит больше хлорофилла Ь, чем фотосистема I, и характеризуется более интенсивной флуоресценцией. Реакционный центр фотосистемы II называют Рб8о. Витт и его сотрудники изучали изменения поглощения хлорофилла и скорости выделения Ог под действием вспышек света, используя обычные хлоропласты, обработанные ДХММ. Они обнаружили связь между скоростью выделения кислорода и светоиндуци-рованными изменениями поглощения некоего компонента хлоропластов с максимумом поглощения около 682 нм. Последующие работы показали, что Peso также .представляет собой особый вид хлорофилла а. Первичный акцептор электронов в фотосистеме II обозначаютQ (от англ. quencher of the chlorophyll fluorescence—тушитель флуоресценции хлорофилла). По всей вероятности, он представляет собой комплекс феофитина и хинонов. От акцептора Q электроны передаются пулу пластохино-на, который работает как резервуар, накапливающий электроны между двумя фотосистемами (см. гл. 5).

4.5. Выделение кислорода при фотосинтезе

Реакция фоторазложения воды происходит на внутренней стороне мембраны тилакоида и относится к окислительным реакциям фотосистемы II (рис. 5.2). Возбужденный светом Рбво отдает электроны, превращаясь в сильный окислитель Рб8о+. Он вызывает окисление первичного донора, отдающего электроны фотосистеме II (обычно его называют Z), и запускает цикл превращений системы S, расщепляющей воду. Система S представляет собой, по-видимому, Mn-белковый комплекс, способный накапливать четыре положительных заряда. В этой системе осуществляются циклические переходы между пятью состояниями S0, Sb S2, S3, S4> каждое из которых отличается от предыдущего потерей еще одного электрона. Таким образом, при поглощении света происходит перенос электрона от реакционного центра на акцептор Q, а затем другой электрон переносится от системы S на реакционный центр. Система S, отдавшая четыре электрона, способна вступить в реакцию с водой, что сопровождается высвобождением кислорода и возвращением системы S в свое наиболее восстановленное состояние So. Несмотря на то что разными авторами предложены многочисленные модели фоторазложения воды и описано выделение белков, содержащих марганец и, по-видимому, входящих в состав каталитического центра, детальный механизм разложения воды до сих пор еще не установлен,

4.6. Опыты по разделению двух фотосистем

В последние годы делаются многочисленные попытки осуществить раздельное выделение из хлоропластов фотосистем I и П. Хлоропласты можно фрагментировать воздействием детергентов — дигитонина, додецилсульфа-та натрия, тритона Х-100, обработкой ультразвуком или путем продавливания под высоким давлением (около 800 атм) через маленькие отверстия в прессе Френча. Полученные фрагменты хлоропластов затем разделяют, используя методы хроматографии, дифференциального центрифугирования, центрифугирования в градиенте плотности и т. п. Одни из получаемых в результате фракции характеризуются высоким соотношением хлорофилла а к хлорофиллу Ь и большим содержанием Р70о, что указывает на обогащение этих препаратов компонентами фотосистемы I. Частицы, обогащенные компонентами одной из фотосистем I и II, были выделены также из сине-зеленых водорослей. Однако полностью разделить активные пигментные системы еще не удается. Особенно трудно получить препараты фотосистемы II, не содержащие фотосистему I. В последнее время благодаря использованию генетических методов были .получены мутанты растений и водорослей, не содержащие одной из фотосистем. Наличие таких мутантов, возможно, облегчит выделение более чистых препаратов фотосистем.

При обработке мембран тилакоидов детергентами можно перевести в раствор те белки, которые обычно тесно связаны с мембранами. Растворенные таким образом компоненты можно разделить по их молекулярным массам, используя, например, электрофорез в полиакрил-амидном геле. Полосы, соответствующие отдельным белковым компонентам, проявятся после обработки геля специальными красителями. Наряду с этим можно получать мутантов растений и водорослей, не имеющих специфических белков или пигментов хлоропластов и вместе с тем утративших какие-либо характерные функции или фотосинтетическую активность в целом. Сравнивая набор компонентов, обнаруживаемых в геле после электрофореза белков из мутантов и из организмов дикого типа, можно установить зависимость между определенной функцией и тем или иным компонентом, например белком или пигмент-белковым комплексом. Таким образом были разделены и предварительно охарактеризованы: связанный с реакционным центром фотосистемы I комплекс Р700—хлорофилл а—белок; связанный с реакционным центром фотосистемы II комплекс светособирающий хлорофилл а/b — белок; железо-серные белки, связанные с мембраной; цитохром /; АТРаза, или сопрягающий фактор, и другие компоненты мембран тилакоидов (см. рис. 8.1).

5. Транспорт электронов

и фосфорилирование при фотосинтезе

В гл. 2 мы рассмотрели фотосинтез как процесс, включающий в себя световые и темновые фазы фиксации СОг. Экспериментальное доказательство двухстадийнос-ти фотосинтеза и его признание явились важным шагом на пути формирования современных представлений о механизме фиксации СОг. Для того чтобы сделать этот шаг, нужны были хлоропласты, qnoco6Hbie осуществлять процесс фотосинтеза .полностью, т. е. восстанавливать СОг до уровня углеродов. Такие хлоропласты впервые получили Арнон, Аллен и Уотли (Arnon, Allen, Whatley), выделившие их в 1954 г. из листьев шпината (методика выделения хлоропластов описана в гл. 3). Им удалось пространственно разделить световую и темновую стадии фотосинтеза и показать, что АТР и NADPH образуются на свету и затем используются в качестве источника энергии для темновой фиксации С02. Упрощенно это можно изобразить в виде простой схемы, показанной на рис. 5.1.

Световая стадия фотосинтеза, т. е. процессы, которые происходят непосредственно вслед за первичными световыми реакциями (см. гл. 4), включает в себя биохимические реакции с характерными временами от Ю-5 до КНс. Разумеется, первичные световые реакции имеют гораздо более короткие времена, до Ю^с . В результате

Световые реакции t 2HADPH

3 АТР

со2 (сн2о)

Углеводы

Рис. 5.1. Основные продукты световых и темповых реакций фотосинтеза.

биохимических реакций световой фазы фотосинтеза, во-первых, образуется сильный восстановитель NADPH, во-вторых, при разложении воды выделяется в виде побочного продукта кислород, в-третьих, образуется АТР — процесс, сопряженный с переносом электронов от воды к NADPH. В настоящей главе мы рассмотрим данные о том, как протекают такие реакции, проследим, на основе каких фактов сложились сегодняшние представления, познакомимся с природой соединений, осуществляющих перенос электронов по электрон-транспортной цепи.

5.1. Окисление и восстановление переносчиков электрона

Образование NADPH, АТР и Ог в ламеллах хлоропластов происходит при переносе электронов по цепи переносчиков. Для осуществления переноса электронов необходимо, чтобы каждый переносчик поочередно восстанавливался и окислялся, обеспечивая тем самым перенос энергии электронов по цепи. Восстановление означает присоединение электрона к молекуле данного соединения, окисление—потерю электрона из молекулы. При переносе электрона от одной молекулы к другой первая из них окисляется, а вторая — восстанавливается. Почти любой акт переноса электрона сопровождается высвобождением или поглощением энергии. Не имеет значения, что считать источником энергии — притяжение электрона «окислительной силой» или его отталкивание «восстановительной силой».

Зачастую, хотя и не всегда, перенос электрона сопровождается переносом протона, представляющего собой часть атома водорода. В таком случае под восстановлением подразумевают присоединение атома во

страница 9
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Скачать книгу "Фотосинтез" (1.36Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(15.09.2019)