Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

вым выходом и временем жизни флуоресценции хлорофилла у хлореллы на всем протяжении индукционного периода (период, в течение которого скорость фотосинтеза у перенесенного из темноты на свет растения возрастает).

Мультицентральное строение фотосинтетического аппарата свойственно не всем организмам. Фокс и Амеш исследовали зависимость скорости выделения кислорода от степени окисленности Рш у красной водоросли Cryptopleura violacea и сине-зеленой водоросли Porphyra perforata. Оказалось, что для первого объекта справедлива мультицентральная, для второго — уницентральная модель.

Наконец, Е. М. Сорокин на основании анализа кинетики индукции флуоресценции у хлоропластов гороха пришел к выводу о мультицентральной природе фотосистемы II. Характерно, что в присутствии критической концентрации моноурона наблюдался обратимый переход от мультицентральной к уницентральной модели. Этот переход осуществляется по кооперативному закону (принцип «все или ничего»). По-видимому, причиной перехода является структурная перестройка мембраны хлоропласта. Такое поведение хлоропластов характеризует их не как статическую (или только уницентральную, или только мультицентральную), а как динамическую систему, способную к обратимым переходам в соответствии с особенностями внешней среды.

Становится все более очевидной и конформационная лабильность мембран, управляемая, видимо, и светом. Это придает фотосинтетическому аппарату черты самонастраивающейся системы, в которой может резко изменяться микромозаика взаимодействий между фотосистемами I и II.

Косвенным подтверждением способности мембран к структурным перестройкам является высокая чувствительность хлоропластов к таким факторам внешней среды, как солевой состав, рН и освещение. Хлоропласт, по-видимому, не является простой осмотической ячейкой, поскольку монотонное повышение осмолярности среды вызывает то набухание, то сокращение его объема. Характерно, что способность к набуханию сильно зависит от концентрации водородных ионов. Минимальное набухание наблюдается при рН = 3,5, т. е. при нзоэлектриче-ской точке структурных белков. Все это наводит на мысль о потенциальной способности хлоропластов пребывать в нескольких структурных модификациях, осуществляемых, возможно, при участии мембранных белков.

Еще более важно, что низкоамплитудные (порядка 15%) изменения объема хлоропластов происходят как непосредственно в листьях, так и в суспензии при освещении, т. е, при запуске процессов транспорта электронов и фотофосфорилировании. В ряде работ обнаружено, что ингибиторы фотофосфорилирования тормозят и обмен ионов на свету у изолированных хлоропластов, и их сжатие. При этом процессами фосфорилирования контролируется не только сравнительно медленный процесс высокоамплитудного набухания, протекающий в темноте и ускоряющийся светом, но и низкоамплитудное сжатие, Светоиндуцированное сжатие сопровождается выбросом К+ из хлоропластов, причем оба явления имеют одинаковую кинетику и тормозятся нигернцином и другими ингибиторами фотофосфорилирования.

Набухание и сжатие хлоропластов связаны, по-видимому, с глубокими структурными перестройками на молекулярном уровне. Об этом говорит уже тот факт, что максимуму набухания соответствует 73%-ное уменьшение фотофосфорилирования и угнетение большинства фотохимических реакций, за исключением фотовосстановления феррицианида. Систематические исследования В. М. Иванченко показали, что зависимость функциональной активности хлоропластов (например, выделение кислорода, циклическое фотофосфорилирование) от их объема описывается куполообразной кривой, т. е. максимальной активности соответствует определенный оптимальный объем органеллы.

Обнаружено также, что светоиндуцированные изменения объема хлоропластов приводят к ультраструктурным перестройкам в ламеллярных структурах органелл, о чем свидетельствуют данные электронной микроскопии. При освещении хлоропластов отмечаются сглаживание рельефа мембранных систем и обратимые изменения толщины, показателя преломления и электронной плотности мембран.

На функциональную роль индуцированных светом перестроек указывают и следующие факты. При освещении фотосинтезирующих объектов наблюдается сложная полиэкстремальная зависимость скорости выделения кислорода, приходящегося на один световой импульс (флеш) или одну молекулу хлорофилла 2, от числа флешей в серии.

Согласно Жолио и Ренжеру, кванты, поглощенные хлорофиллом, инициируют конформационные превращения металло- (Мп2+) -протеидов Z-участков мембраны, ответственных за фотолиз воды и перенос электрона к Q, тем самым влияя на их функциональную активность. Рен-жер построил сложную кинетическую схему фотолиза воды, основанную на четырех конформационных состояниях, каждое из которых, по его мнению, обладает различной окислительно-восстановительной активностью. Свет, поглощаемый хлорофиллом 2, вызывает взаимопревращение этих состояний. В результате Ренжеру удалось достичь хорошего совпадения расчетной и экспериментальной кривых выделения кислорода как функции числа последовательных флешей. Предполагается, следовательно, что до тех пор, пока не произойдут сенсибилизированные хлорофиллом конформационные перестройки в мембране, фотосинтетический аппарат будет работать в неоптимальном режиме.

Перестройка структурно-функционального состояния мембран хлоропласта при включении фотосинтетической «машины» следует также из фотоиндуцированных изменений потенциала мембраны отдельного хлоропласта, зарегистрированного Ф. Ф. Литвиным с помощью микроэлектродной техники.

На тесную взаимосвязь между интенсивностью электронного транспорта в изолированных хлоропластах и конформационным строением мембранной системы указывают опыты, в которых зарегистрировано изменение конформации (данные светорассеяния и электронной микроскопии) при включении и выключении электронного каскада светом.

В мембранном аппарате локализовано (и это очень важно) сопряженное с транспортом электронов фосфорилирование, по существу близкое к окислительному фос-форилированию в митохондриях. Есть основания думать, что механизм сопряжения между окислением и фосфори-лированием осуществляется с помощью мембран.

Несмотря на огромное количество экспериментальных работ в области биоэнергетики, до сих пор окончательно не разрешен вопрос о том, каким образом свободная энергия, заключенная в восстановленном переносчике электронов, используется при синтезе АТФ и каков механизм сопряжения электронного транспорта и фосфорилирования.

К наиболее ранним представлениям о сопряжении транспорта электронов с фосфорилированием можно отнести гипотезу химического сопряжения. В первоначальном варианте (Липман) эта гипотеза предполагала, что восстановленный переносчик электронов образует кова-лентную связь с неорганическим фосфатом, которая в дальнейшем за счет энергии, выделяющейся при окислении переносчика, становится макроэргической:

ПВ-ЬР -Пв-Р;

пв-р+п;к->пок^ р+п;;

Пок ~ Р + АДФ -+ Пок + АТФ. Усложнением схемы Липмана явилась схема Слейте-ра, по которой восстановленный переносчик взаимодействует не с минеральным фосфатом, а с промежуточным фактором сопряжения X:

Па-ЬХ->П~Х+е;

П-Х + Р-^Х ~ РЧ-Пок;

X - Р + АДФ -* Х-!-АТФ.

Наконец, была выдвинута идея о трехкомпонентной схеме химического сопряжения, согласно которой с восстановленным переносчиком взаимодействуют два фактора сопряжения (ХН и HOY=0), при этом они не вступают в ковалентную связь с переносчиком, а макро-эргическая связь образуется за счет индукционного перемещения электронной плотности в системе восстановленный — окисленный переносчик + фактор сопряжения:

1 | 5— 5+] I | | j i

Пв * ХН 4- HOY = О^Пв-Х — Y = 0 + Н20;

I t

nB.X-Y=0+n^K ^Пок ? X~ Y-0 + П*;

I 1

Пок ? X ~+У^= О -f АДФ -f Ф Пок • ХН + HOY — О -f АТФ.

Однако все перечисленные схемы представляют лишь исторический интерес, поскольку ни один из первичных макроэргических интермедиатов типа П~Р, П~Х, X~Y=0 не был выделен из трансформирующих энергию мембран.

В настоящее время наибольшей популярностью пользуются две гипотезы сопряжения: хемиосмотическая Мит-чела и конформационная.

По хемиосмотическому механизму превращение различных форм энергии осуществляется следующим образом: окислительно-восстановительная энергия переносчиков энергия электрохимического градиента протонов энергия АТФ. Гипотеза основывается на нескольких предпосылках: 1) мембрана непроницаема для воды и протонов; 2) мембрана разделяет реакционное пространство на внешнее и внутреннее; 3) в ее состав входят переносчики электронов, обеспечивающие асимметрическое распределение протонов по обе стороны мембраны; 4) цепь транспорта расположена поперек мембраны.

В конечном счете в ходе окислительно-восстановительных превращений переносчиков на внутренней стороне мембраны тилакоида постепенно накапливаются протоны и возникает мембранный протонный потенциал. Градиент рН между внутренней и внешней фазами тилакоида составляет, по данным Ягендорфа, примерно 2,7, а мембранный потенциал 50 мВ. Процесс фосфорилирования сопровождается перераспределением ионов Н+, противоположным тому, которое возникает при транспорте электронов. По Митчелу, для синтеза одной молекулы АТФ из АДФ и неорганического фосфата достаточно перемещения через мембрану двух протонов (см. схему). Предполагается, что при этом за счет энергии мембранного потенциала происходит активация фермент-субстратного комплекса АТФ-синтетазы, или, как ее называют в последнее время, протонной АТФ-азы.

В пользу хемиосмотической гипотезы говорят следующие факты: 1) существование протонного мембранного потенциала и зависимость его от интенсивности транспорта электронов; 2) корреляция между эффективностью действия разобщителей на фосфорилирование и протонную проницаемость мембран; 3) синтез АТФ хло-ропластами в темноте при искусственном создании

рН-градиента (быстрое перемещение хлоропластов из среды с рН~4,0 в среду с рН=8,5).

Все же гипотезу Митчела нельзя считать окончательно доказанной. Более того, некоторые эксперименталь

страница 18
< 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
(16.12.2019)