Биологический каталог




Основы биохимии. Том 2

Автор А.Уайт, Ф.Хендлер, Э.Смит, Р.Хилл, И.Леман

чики электронов в этой системе располагаются таким образом, что при прохождении потока электронов становится возможным синтез АТР.

16.3.4. Бактериальный фотосинтез

Поучительно рассмотреть сначала фотосинтез у бактерий, а затем перейти к его описанию у водорослей и высших растений. Процесс станет более понятен, если будут приняты во внимание простые эволюционные представления. Древнейшие клетки, по всей вероятности, жили в относительно богатой питательными веществами среде. У таких организмов, обитавших в свободной от кислорода восстановительной атмосфере, выработались способы гликолитической генерации АТР и восстановительных эквивалентов. Древнейшие организованные фотохимические единицы, по-видимому, служили для преобразования электромагнитной энергии в химическую, содержащуюся в легко превращаемой АТР, но не в восстановленных эквивалентах. Пока среда поставляла достаточные количества глюкозы, не возникало необходимости в развитии способа образования глюкозы. Однако, когда поступление экзогенных углеводов стало сокращаться, способность синтезировать углеводы стала очень полезной. Необходимо было обеспечить форму фиксации СОг (серия реакций в табл. 16.1, где показано, что для образования 1 молекулы гексозы необходимо затратить 18 молекул АТР и 12 молекул NADH). Среда уже содержала источники восстановительных эквивалентов; с возникновением древнейшей

16. МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ. Ill

,711

фотохимической машины для продуцирования АТР или ее эквивалента, например неорганического пирофосфата, стало возможным развитие предшественников современных фотосинтезирующих бактерий. Эти организмы процветали потому, что были способны использовать два, по существу, независимых процесса

Н2А + NAD+ -»- А + NADH + Н+ (1)

ADP +Рг АТР (2)

Простейшую форму Н2А представляет собой Нг; как известно, организмы, обладающие гидрогеназой, могут использовать водород для восстановления NAD+. Другие утилизируют для этой цели неорганические соединения, такие, как S2- или S2O3" (как отмечалось ранее). Такие организмы, как различные виды Rhodospi-rillum, зеленые бактерии и др., которые располагают всеми ферментами С02-фиксирующей системы, описанной ранее, утилизируют образуемые химическим путем восстановительные эквиваленты и генерируемый фотосинтетически АТР для синтеза углеводов, требуемых для роста и метаболизма. Поэтому интересно заметить, что многие из этих организмов используют ту же самую NAD-зависимую глицеральдегад-3-фосфатдегидрогеназу для гликолиза в темноте и для фиксации СОг на свету.

16.3.4.1. Фотосинтетический центр бактерий

Аппарат фотосинтеза у этих организмов устроен проще, чем у высших растений. По существу, в фотореакционный центр электрон поступает от соединения с потенциалом средней точки ? а, ненамного превышающим потенциал митохондриального цитохрома с, и с энергией, достаточной для восстановления пиридинну-клеотида или флавопротеида. В связи с тем что бактериальные хроматофоры содержат намного меньше светособирающего хлорофилла, чем хлоропласты высших растений, появилась возможность для разделения и очистки самого реакционного центра из нескольких видов фотосинтезирующих бактерий, а именно Rhodospirillum rubrum и Chromatium. В каждом случае реакционный центр состоит из одной молекулы в известной степени неполярного белка,' (мол. масса ~ 73 ООО), построенного из трех неидентичных субъединиц (с мол. массами по 21000, 24 000 и 28 000 соответственно). С этим белком связаны: две молекулы бактериохлорофилла, одна молекула димера бактериохлорофилла (BChl), две молекулы бак-териофеофитина (бактериохлорофилл, лишенный Mg2+), один ион

712

III. МЕТАБОЛИЗМ

Fe2+, две молекулы убихинона (разд. 12.4) и одна молекула ка-ротиноида, а именно сфероидена.

ссрероиЭен

Каротиноид реакционного центра не является составной частью светособирающего устройства и редко входит в число тех кароти-ноидов, смесь которых содержится в мембране. Каротиноид реакционного центра, по-видимому, защищает активированный хлорофилл в том случае, если последний не способен передать электрон другим компонентам центра и подвергается опасности саморазрушения в результате теплового повреждения в триплетном состоянии. В таких обстоятельствах каротиноид принимает энергию от активированного хлорофилла и затем либо подвергается окислению, либо флуоресцирует. Абсорбция фотона центром инициирует процесс циклического фотофосфорилирования. Как описано ниже, активированный хлорофилл служит и как первичный донор электронов, и как конечный акцептор электронов в цикле. Каждый абсорбированный фотон вызывает прохождение одного электрона по циклу. При этом два протона выталкиваются наружу. Их возвращение с помощью сопрягающего фактора АТРазы сопровождается генерацией одного АТР.

В пределах 10 пс после поглощения фотона находящимся в фо-тосннтетическом центре В-феофнтином (максимум поглощения при 530 нм) наблюдается «выцветание» в ближней инфракрасной области при 865 нм — максимуме поглощения (ВСЫ)2. Полагают, что это явление означает перенос энергии от активированного В-феофитина к (ВСЫ)2, вероятно, с образованием BChl+'BChl-, стабилизируемого сфероиденом. Менее чем через 100 пс после этого бактериохлорофилл переходит в свободнорадикальное состояние (BChl)2"+, отдавая электрон железоубихпновому комплексу, который восстанавливается до Fe'2+UCj2, и является, таким образом, первичным акцептором электронов этой системы. В течение нескольких микросекунд окисленный хлорофилл принимает электрон от молекулы цитохрома с2 и свободный радикал (BChl)2"+ возвращается в основное состояние. Как видно из рис. 16.12, перенос электрона затем осуществляется через хннон и цитохром типа b к цнтохрому с2, где цикл завершается. В результате такого переноса электрона образуется одна молекула АТР, причем механизм этого процесса, как и у митохондрий и хлоропластов, включает векторное выделение протона и Са2+-чув-

16. МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ. Ill

713

600

400

(?

2

200

цитохром cz

АТР

ADP.+ Pi

цитохром 6

-200 L

Рис. 16.12. Схематизированное представление о роли реакционного центра у фотосинтезирующих бактерий; показан перенос электронов при циклическом фосфо-рилировании. (Все значения приблизительные.)

ствительную АТРазу. Это будет более подробно изложено ниже (разд. 16.4.2). Поскольку квант света при 890 нм — максимуме поглощения бактериохлорофилла — эквивалентен 32 000 кал/моль, он вполне достаточен для того, чтобы обеспечить образование одной молекулы АТР.

16.3.4.2. Транспорт электрона в бактериальном фотосинтезе

Подобно эукариотным фотосинтезирующим организмам, фото-синтезпрующие бактерии связывают С02 с образованием углеводов, используя в качестве двигателей этого процесса восстановленные пиридиннуклеотиды и АТР. АТР, как было показано, вырабатывается путем циклического фотофосфорилирования. Однако эти организмы не выделяют кислород в процессе фотосинтеза; они неспособны утилизировать энергию света для фотолиза воды и

12—1358

714

III. МЕТАБОЛИЗМ

использовать образующийся при этом водород в качестве восстановительного агента, как это делают эукариоты. Поэтому им необходим экзогенный источник химических восстановительных эквивалентов. Многие восстановители, например сукцинат, могут выполнять эту роль, несмотря на то что Е'0 для их окисления недостаточен для восстановления NAD+. Это становится возможным благодаря функциональной равноценности — в фотосинтетической мембране и в митохондриях — АЕ, ?? и ~Р. Анаэробно в темноте эти мембраны могут осуществлять реакцию

сукцинат 4-NAD+4-АТР -*¦ фумарат 4- NADH 4- ADP 4- Pf

На свету нет необходимости в добавлении извне АТР; фотоактивированная мембранная система может катализировать реакцию

hv

сукцинат -f NAD+ -»- фумарат 4- NADH 4- Н+

Наконец, следует заметить, что некоторые фотосинтезирующие микроорганизмы способны утилизировать газообразный Н2, как таковой, в качестве метаболического восстановителя. Производящий эту реакцию фермент, гидрогеназа, подобный обнаруженному у Clostridium pasteurianum, осуществляет восстановление же-лезосеропротеида (ферредоксина) у этих видов, и в свою очередь электроны от ферредоксина могут передаваться к флавопротеиду, который восстанавливает NAD+. Подобная система имеется и у сине-зеленых водорослей, несмотря на то что они, как отмечалось ранее, способны утилизировать в фотосинтезе Н20 в качестве восстановителя NADP+.

16.4. Фотохимический процесс у водорослей и высших растений

Приспособлением, которое позволило растениям достичь более высоких стадий эволюции, был процесс, давший им независимость от внешних источников химических восстановителей, а именно удивительный фотохимический процесс, в ходе которого повсеместно распространенная вода может восстанавливать пиридиннуклеотиды.

hv

2H20-f 2NADP+ ->¦ 02 + 2NADPH + 2H+

Таким образом, у водорослей и высших растений фотохимическая система не только продуцирует АТР, но также движет восстановление NADP+ за счет Н20. Е'0 для этой реакции, составляющее 1,2 В, эквивалентно примерно +55 000 кал/моль в расчете на NADP+. Поскольку 2 Эйнштейна света при 675 нм соответствуют ~1,85 эВ, или 84 000 кал, они могут обеспечить такой процесс

16. МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ. Ill

715

система 11

система 1

свет « 680 нм)

сильный окислитель (>+0,8 Б)

Н20

1 .

слабый

восстановитель ¦ (+0,16 Б)

свет (700 нм)

слабый окислитель (+0,45 Б)

сильный восстановитель «-0,6 В)

X.

NADPH

Рис. 16.13. Общая модель кооперативного действия двух центров фотохимических реакций в растительных хлоропластах. Стрелки показывают направление движения потока электронов; цифры в скобках — значения ?'?·

при условии наличия необходимых приспособлений. В реальном механизме используются четыре кванта света (~ 168 000 кал), для того чтобы совершить этот процесс, который осуществляется при участии двух электронтранспортных систем, как это показано на рис. 16.13.

16.4.1. Перенос электронов при фотосинтезе

Одним из первых вкладов в понимание природы транспорта электронов при фотосинтезе послужило обнару

страница 35
< 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 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126

Скачать книгу "Основы биохимии. Том 2" (8.40Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(21.10.2019)