Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

обогащены ими, чем и объясняется смешанный характер спектров флуоресценции (рис. 17). Вслед за Бордма-ном фрагменты хлоропластов, обогащенные фотосистемами I и II, были получены рядом авторов (Вер-нон, Митчел, Шлык и др.). Они использовали для дезинтеграции хлоропластов не только дигитонин, но и другие детергенты (тритон Х-100, додецилсульфат натрия), ультразвук, а также простое механическое раздробление хлоропластов. Затем фрагменты разделялись методами гельэлектрофореза или ультрацентрифугирования в градиенте плотности.

При определенных условиях удается осуществить реконструкцию мембранных структур из легких и тяжелых фрагментов с частичным восстановлением функций, свойственных фотосинтетическому аппарату.

Наконец, необходимо упомянуть о «генетическом» разделении двух фотосистем — использовании мутантов, дефицитных по переносчикам электронов. Был, например, получен мутантный штамм водоросли Chlamidomonas reinhardii, хлоропласты которого не содержали пластоцианина. Как и ожидалось, фрагменты хлоропластов этого мутанта не обладали способностью к восстановлению НАДФ, но приобретали ее после добавления экзогенного пластоцианина.

Итак, «восходящий» транспорт электронов «питается» энергией света, поглощаемого двумя фотосистемами. Перенос каждого электрона от воды к НАДФ через цепь переносчиков требует поглощения не одного, а, по крайней мере, двух квантов света двумя различными формами хлорофилла а — Рвэо и Р700.

К настоящему времени мы располагаем сведениями о природе партнеров в цепи транспорта электрона, об их относительной концентрации [переносчик]/[хлорофилл]. Последовательность расположения переносчиков электронов и места их стыковки с пигментами первой и второй фотохимических систем были установлены на основании величин стандартных редокс-потенциалов различных переносчиков (нисходящий транспорт электрона возможен только в направлении увеличения Eh) и временных параметров (Т1/2) их окислительно-восстановительных превращений, показывающих, какой переносчик раньше, а какой позже испытывает подобные превращения после возбуждения Р6эо и Р700 (рис, 18). Кроме того, информация о строении цепи транспорта электрона была получена при изучении фотоиндуцированных превращений переносчиков при химическом, механическом и генетическом разделении двух фотосистем фотосинтеза.

Проанализировав обширный фактический материал, Хилл и Бендалл предложили схему электронной стадии фотосинтетического процесса, которая после ряда уточнений и модификаций получила название Z-схемы (рис. 19). Как в фотосистеме II, так и в фотосистеме I передача электронов по цепи переносчиков осуществляется по одноэлектронному механизму.

При поглощении одного кванта света фотосистема II за время менее 10~5с поднимает один электрон от воды через первичный переносчик электрона к первичному акцептору электронов. Измерены квантовые выходы реакций его восстановления фотосистемой II и окисления фотосистемой I, которые оказались равными 1, т. е. e/hv~ 1. Подъем электрона сопровождается изменениями редокс-потенциала от +0,8 до 0,0 В, т. е. восстановленный Q временно запасает в себе энергию 18 ккал/моль,

являющуюся частью световой энергии, заключенной в электронно-возбужденном состоянии хлорофилла а. Следовательно, основная функция фотосистемы II — фотолиз воды с образованием кислорода и богатых энергией электронов: НгО—>-1/2 Ог+2е+2Н+.

В механизме фотолиза воды до сих пор остается много неясного. Очевидно, что отрыв электрона от воды может произойти только в том случае, если сродство к

438 682-700

<730

11

<700 ^

435

662

Рис. 18. Две фотосистемы и цепь переноса электронов при фотосинтезе (Witt Н., 1971)

В верхней части схемы — времеиа жизни промежуточных продуктов, в нижней— максимумы в дифференциальных спектрах поглощения, нм

электрону у возбужденного хлорофилла будет выше, чем у воды. Возможно, что роль переносчика Z сводится к облегчению донор-акцепторных взаимодействий между неполярной молекулой хлорофилла и полярной молекулой воды.

При добавлении экзогенных красителей, являющихся

акцепторами электронов хлорофилла 2, происходит фотолиз воды с выделением кислорода и восстановление красителя. Эта реакция была описана Хиллом в 1937 г. и получила название реакции Хилла. Пигментный фонд фотосистемы II включает наряду с фотохимически активной формой хлорофилла а (Рвдо) и пигменты-светосбор-OA

О

С02ЩФ-редукшза

Рис. 19. Z-схема фотосинтеза:

DCIP — дихлорфеиолиидофенол, asc — аскорбиновая кислота, FeCy — феррицианид, DCMU — диурон

щики: хлорофилл а6Ви хлорофилл аббэ, хлорофилл 66so и фикобилины, миграционным путем передающие энергию в реакционный центр. Электрон от Q с постепенным уменьшением свободной энергии последовательно передается пластохинону, пластоцианину или цитохрому / (?* =+0,365 В).

Второй «антитермодинамический» подброс электрона происходит в пределах фотосистемы II при поглощении света формой Р7оо; электрон, отрываясь от цитохрома /, восстанавливает неидентифицированный интермедиат Xt окислительно-восстановительный потенциал которого равен —0,6 В. Восстановленная форма интермедиата X временно запасает в себе избыточную энергию 32 ккал/моль. Квантовый выход этой реакции elhv равняется 1. Именно эта величина была получена при окисле

нии доноров электронов фрагментами фотосистемы I в присутствии метилового красного как акцептора электронов для света с А>700 нм.

Пигментный фонд фотосистемы I включа'ет прежде исего фотохимически активную форму хлорофилла — P7QO. Предполагается, что Р700 является агрегированной формой хлорофилла а, находящейся, возможно, в комплексе с цитохромом /. Кроме того, в пигментный фонд фотосистемы I входят пигменты-светосборщики, к которым относятся хлорофилл «693, хлорофилл a668 и кароти-лоиды. В фотосистему I входят также белки — переносчики электронов ферредоксин и ферредоксин-НАДФ-ре-дуктаза, через окислительно-восстановительные превраФотосистема I

Липиды

Фотосистема II

Комплекс реакционного центра

15 Хл а-белок 1 цитохром в5Ь9 Акцептор

165 липид

Рис. 20. Молекулярный состав фотосистем I и II (Vernon L.

et ah, 1971)

щения которых электрон с некоторой потерей энергии спускается к НАДФ и восстанавливает его.

Ориентировочное представление о молекулярном составе фотосистем I и II дает схема Вернона, в основу которой легли данные, полученные при химическом анализе легких и тяжелых фрагментов ламелл хлоропластов (рис. 20).

Таким образом, согласованная деятельность двух фотосистем обеспечивает превращение «бедного» энергией электрона, возникающего при окислении воды, в «богатый» энергией электрон НАДФНъ который является источником активированного водорода — восстановительной силы, используемой в дальнейшем для синтеза углеводов из углекислого газа.

Транспорт электронов представляет собой одноэлек-тронный процесс и требует для своего завершения поглощения, по крайней мере, двух квантов света, по одному в каждой из фотосистем. В ходе транспорта электронов часть энергии квантов света запасается также в макро-эргических соединениях — АТФ (фотосинтетическое фос-форилирование).

8. ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Фотосинтетическое фосфорилирование открыто Арно-ном в 1954 г. Этот процесс представляет собой синтез АТФ из АДФ и минерального фосфата, происходящий за счет энергии квантов света. По существу, фотосинтетическое фосфорилирование в хлоропластах близко к окислительному фосфорилированию в митохондриях: в обоих случаях имеет место сопряжение между экзергонической реакцией окисления переносчиков электронов и эндерго-нической реакцией синтеза АТФ:

АДФ + Ф + ДЯ (П'е -> ... -+ П*) -+ АТФ.

При оптимальных условиях прохождение одного электрона по всей Z-схеме приводит к синтезу одной молекулы АТФ, т. е. квантовый выход образования АТФ (АТФ/Ziv) равняется 0,5. В опытах с использованием импульсного освещения и варьирования межимпульсных

интервалов удалось показать, что образование макроэрга осуществляется за время, меньшее 0,01 с.

Различают нециклическое, циклическое и псевдоциклическое фосфорилирование. Нециклическое фосфорилирование сопряжено с линейной нисходящей ветвью транспорта электронов между двумя фотосистемами, В соответствии с этим в спектре действия нециклического фосфорилирования имеется максимум при 660—664 нм с резким падением эффективности в длинноволновой области (700—720 нм). Предполагается также, что нециклическое фосфорилирование может происходить на участках Z-схемы между НдО и Z, а также между X и НАДФ. Однако разницы в энергии между восстановленным X и НАДФН2 недостаточно для синтеза АТФ. Поэтому теоретически требуется прохождение по этой цепи, по крайней мере, двух электронов. Кроме того, это предположение плохо согласуется со спектрами действия нециклического фосфорилирования.

В целом суммарная реакция нециклического фосфорилирования независимо от места его локализации может быть записана в виде

свет

АДФ + Ф + Н20 + НАДФ ——? АТФ + 1 /202 + НАДФН2.

Циклическое фосфорилирование заключается в синтезе АТФ при циклическом движении электрона в пределах фотосистемы I:

е

X

акцептор электронов (цитохром /, пластоциаиии)

Р

700

При циклическом фосфорилировании поток электронов, свойственный Z-схеме, прерывается и электрон, не доходя до НАДФ, «скатывается» вниз через цитохром f, пластоцианин или пластохинон к хлорофиллу Р70о. Повторное поглощение кванта света Р700 приводит к очередному циклическому движению электрона, В цепь цик« лического транспорта входит также специальный переносчик электронов — цитохром 66. Об участии этих переносчиков электронов в циклическом фосфорилировании свидетельствуют опыты с использованием специфических ингибиторов и мутантов, дефицитных по отдельным компонентам электронно-транспортной цепи.

Единственным продуктом циклического фосфорилировании является АТФ:

АДФ + Ф - АТФ.

При изучении циклического фосфорилирования используют, как правило, различные добавки — доноры и акцепторы электронов (феназинметасульфат, витамин Кз, 2,6-дихлорфенолиндофенол), которые могут включаться в цикл

страница 14
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Фотобиология" (3.60Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(20.11.2019)