3.6.4.2. Кинетические характеристики реакций переноса электронов в этц

Исследования кинетических закономерностей работы ЭТЦ показывают, что скорость транспорта электронов на отдельных участках ЭТЦхлоропластов варьирует в широких временных пределах. Наиболее быстрые процессы прохо­дят в реакционных центрах, где первичное разделение зарядов достигается за 1 — 3 пс. Перенос электронов на других участках ЭТЦ идет значительно мед­леннее, чем в РЦ (за время порядка нано-, микро- и миллисекунд). Наиболее медленная стадия переноса электронов (5 мс) находится на участке ЭТЦ меж­ду двумя фотосистемами, она связана с окислением пластохинолов цитохромным комплексом. На втором участке цепи, где скорость переноса электронов также оценивается в миллисекундном интервале, происходит перенос элект­ронов от восстановленного ферредоксина к НАДФ⁺. В связи с этим общая ско­рость переноса электронов в ЭТЦ хлоропластов по нециклическому пути, оче­видно, будет определяться скоростью потока электронов именно на этих двух участках ЭТЦ — между двумя фотосистемами и на акцепторной стороне ФС1.

Различия в скорости транспорта электронов на отдельных участках связаны с реализацией разных физических механизмов переноса электронов. В мультипептидных комплексах наиболее вероятен резонансный механизм, когда перенос электрона от донора к акцептору предполагает резонансные взаимодействия редокс-центров с белковой молекулой, при которых возникает эффект тунне-лирования электрона через энергетический барьер. Скорость переноса элект­ронов при этом определяется физическим контактом компонентов. Особое зна­чение в этом случае приобретают электронно-конформационные взаимодей­ствия в комплексах, создание особого конформационного состояния белка в ходе окислительно-восстановительных реакций. Перенос электронов между комплексами предполагает миграцию подвижных низкомолекулярных пере­носчиков в мембране или по ее поверхности и осуществляется по диффузион­ному механизму. Диффузионные процессы — более медленные, чем резонанс­ные, поэтому именно они являются скорость-лимитирующими в ЭТЦ.

3.6.4.3. Механизмы регуляции электронного транспорта в хлоропластах

Кинетические закономерности работы ЭТЦ лежат в основе регуляции транс­порта электронов в хлоропластах. Рассмотрим некоторые механизмы регуля­ции скорости переноса электронов на наиболее медленных участках ЭТЦ.

• Скорость окисления пластохинолов цитохромным комплексом в значитель­ной степени регулируется величиной рН во внутритилакоидном пространстве. При повышении концентрации Н⁺ в люменальном пространстве задерживает­ся окисление QH₂. Любые воздействия, снижающие концентрацию протона во внутритилакоидном пространстве (АДФ + Ф_н, разобщители), будут увеличи­вать скорость окисления пластохинола. В условиях in vivo выход протонов из люмена осуществляется через АТФ-синтазный комплекс и сопровождается синтезом АТФ из АДФ и Ф_н, отсюда понятно, что концентрации АДФ и Ф_н (субстратов реакции синтеза АТФ) играют важную роль в регуляции процесса окисления пластохинолов в хлоропластах.

• Скорость транспорта электронов на акцепторной стороне ФС1 определя­ется концентрацией окисленного НАДФ⁺. Содержание НАДФ⁺ в хлоропластах не велико, и необходим баланс между процессами его восстановления и окис­ления. Главным потребителем НАДФН в хлоропластах является цикл ассими­ляции углерода углекислого газа, поэтому от активности реакций метаболизма углерода зависит скорость потока электронов в ЭТЦ хлоропластов. При недо­статке НАДФ⁺ перенос электронов с восстановленного ферредоксина может происходить либо по циклическому, либо по псевдоциклическому пути. Таким образом, уровень окисленного НАДФ⁺ в хлоропластах не только задает ско­рость нециклического потока электронов, но и влияет на соотношение раз­личных путей транспорта электронов в хлоропластах.

• Возможность переноса электронов в ЭТЦ в значительной степени связана с редокс-состоянием переносчиков. Полная восстановленность всех редокс-центров, так же как и их полное окисление, приводит к ингибированию окисли­тельно-восстановительных реакций в хлоропластах. Необходим баланс между поступлением электронов в ЭТЦ и их использованием. Поэтому активность работы ФСII, ее водоокисляющей системы, поставляющей электроны в ЭТЦ, и активность углеродных циклов, использующих конечный акцептор электро­нов НАДФН, — два фактора, определяющие в конечном счете редокс-состояние цепи. Электронным буфером в хлоропластах служит пул PQ, который до определенных пределов может накапливать избыточные электроны, поступа­ющие от ФСII и не используемые для восстановления НАДФ⁺.

Регуляцию окислительно-восстановительного состояния пула PQ в хлоро­пластах помимо изложенных выше механизмов может осуществлять хлородыхание. Хлородыхание — это процесс транспорта электронов в хлоропластах, сходный с дыхательным транспортом электронов митохондрий растений. Он связан с работой двух ферментов, недавно обнаруженных в хлоропластах, — НАД(Ф)Н-дегидрогеназным комплексом, гомологичным бактериальному комп­лексу I, и альтернативной оксидазой, гомологичной альтернативной оксидазе митохондрий растений (см. гл. 4). Первый фермент способен восстанавливать пул пластохинонов за счет окисления НАД(Ф)Н, а второй окисляет пул PQ с I участием кислорода. Таким образом, в ходе хлородыхания происходит нефото­химическое окисление и восстановление пула пластохинонов. Хлородыхание стимулируется в условиях высокого уровня восстановленности пиридиннуклео-тидов и пула PQ.

Уровень восстановленности пула пластохинонов играет важную регуляторную роль в хлоропластах. От редокс-состояния пула пластохинонов и цитохром b₆ f-комплекса зависят положение ССКII в мембранах хлоропластов и переход хлоропластов из состояния 1 в состояние 2 и обратно. Кроме того редокс-состояние пула PQ является ключевым звеном в регуляции таких процессов, как транс­крипция генов, кодирующих апопротеины реакционных центров ФС1 и ФСII, а также cab генов, кодирующих апопротеины светособирающего комплекса.