9.3.7. Фотофосфорилирование

В отличие от животных, для растений характерен процесс фо­тосинтеза:

В таком виде уравнение показывает, что в процессе фото­синтеза вода не только используется, но и образуется, причем ее атомы кислорода являются восстановителем, а атомы угле­рода в СO2 - окислителем. Фотосинтез осуществляется в хлоропластах в два этапа (световой и темновой; рис. 9.4).

С ветовой этап заключается в дегидрировании молекулы воды, находящейся в тилакоиде, под действием Мп-содержащего цитохрома, входящего в состав ЭТЦ. В состав этой ЭТЦ помимо различных оксидоредуктаз входят светопоглощающие пигменты хлорофиллов, которые в ассоциате с определенными белками составляют основу двух фотосистем За счет поглощения световой энергии фотосистемы переходят в возбужденное состояние Одновременно резко повышается энергия электронов поступивших к ним от атома кислорода молекулы воды и передаваемых по ЭТЦ к окисленной форме

Рис. 9.4. Схема фотофосфорилирования (световой этап фотосинтеза; и изменения восстановительного потенциала ЭТЦ хлоропластов

кофермента НАДФ⁺, которая переходит в восстановленную форму НАДФ(Н).

Перенос электронов по ЭТЦ сопровождается движением про­тонов из стромы хлоропластов в тилакоид сквозь его мембрану, создающим на ней трансмембранный протонный потенциал \|/(Н⁺). Благодаря протонному потенциалу через канал АТФ-синтазы про­тоны самопроизвольно возвращаются в строму, обеспечивая син­тез АТФ и АДФ. Таким образом, на световом этапе фотосинтеза (фотофосфорилирование) в результате дегидрогеназного окисления воды и поглощения света образуются два богатых энергией веще­ства - НАДФ(Н) и АТФ. Причем число образующихся молекул НАДФ(Н) и АТФ полностью соответствует потребности эндэрго нических реакций, протекающих на темновом этапе фотосинтеза Эффективность преобразования энергии в процессе фотофосфори лирования составляет около 39 %.

Темновой этап фотосинтеза протекает в строме хлоропластов. Полученные на световом этапе АТФ и НАДФ(Н) используются в эндэргоническом поэтапном восстановлении СО2; с образованием глюкозы и воды при участии ансамбля фермен­тов, содержащего НАДФ(Н). В целом процесс фотосинтеза от­ражает следующая совокупность сопряженных реакций:

Благодаря фотосинтезу решаются проблемы не только обмена веществ в растениях, но и дыхания и питания всего животного мира. Ежегодно на Земле за счет этого процесса утилизируется 3,43 * 10¹¹ т С0₂, выделяется 2,5 • 10¹¹ т кислорода и образуется 2,3 * 10¹¹ т углеводов. Причем 90 % этих количеств получается в водах океана, а 10 % - на суше.

9.3.8. Оксигеназное окисление-восстановление

Оксигеназное окисление субстрата кислородом совершается в клетке при участии ферментов монооксигеназ и диоксигеназ. Его особенность заключается в том, что оно совершается без сопря­жения с синтезом АТФ, а его главная задача - окислить субстрат (обычно с целью детоксикации последнего). Особенно это относит­ся к чужеродным субстратам не природного происхождения на­зываемым ксенобиотиками. Детоксикация эндогенных и экзо­генных субстратов за счет их окисления кислородом заключается в превращении их из гидрофобных в более гидрофильные соеди­нения, которые не накапливаются в клетках, а могут переходить в водную фазу и удаляться из клетки вместе с ней.

Монооксигеназное окисление субстрата (гидроксилирование) осуществляется с помощью ансамбля ферментов, который локали­зован в эндоплазматических мембранах клеток печени и надпо­чечников, и поэтому оно часто называется микросомальным окис­лением. Ансамбль ферментов содержит цитохром Р-450 с катио­ном железа в активном центре, где начинается окисление субстрата и циклическую ЭТЦ с ответвлением. Крайним компонентом ответвления этой цепи является оксидоредуктаза с ко-ферментом в восстановленной форме, обычно НАДФ(Н). Из-за взаи­модействия цитохрома Р-450 с субстратом и кислородом происходит их активация и окисление не только субстрата, но и НАДФ(Н) ансамбля ферментов. Благодаря этому цитохром Р-450 отдает молеку­ле кислорода четыре электрона. В результате один из атомов молеку­лы к ислорода внедряется по связи С-Н молекулы окисляемого суб­страта, а другой - восстанавливается с образованием воды (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Схема гидроксилирования субстрата с помощью цитохрома Р-450

О дна из главных особенностей цитохрома Р-450 - это спо­собность его белка изменять свою конформацию в ответ на по­явление в организме того или иного субстрата (ксенобиотика), обеспечивая тем самым эффективное взаимодействие с ним. За счет такой приспособляемости цитохром Р-450 является уни­версальным ферментом детоксикации, способным взаимодейст­вовать почти с любыми соединениями, содержащими гидрофобные фрагменты и трансформировать их в результате реакций окисления-восстановления в более гидрофильные. По сути дела, цитохром Р-450 способен защищать живые организмы не толь­ко от многих уже синтезированных токсичных веществ, но и от тех, которые могут быть получены в будущем. Вследствие из­меняемости белкового фрагмента цитохрома Р-450 его окисли­тельно-восстановительные свойства тоже изменяются, о чем свидетельствует большой интервал значений его восстанови­тельного потенциала (ф0' = -0,41 + -0,17 В).

Гидроксилированию подвергаются алифатические предель­ные и непредельные углеводороды, соединения с алкильными заместителями, ненасыщенные жирные кислоты, циклические предельные, ароматические и гетероароматические соединения, стероиды, желчные кислоты, холестерин. Например, гидрокси­лирование алифатического заместителя в пентобарбитале:

Гидроксилирование алкильных групп, связанных с атомами N, О, S, из-за неустойчивости получаемых при этом продуктов при­водит к деалкилированию этих соединений:

По этой же причине гидроксилирование некоторых аминов приводит к их дезаминированию с образованием кетонов:

Универсальность ферментативного ансамбля цитохрома Р-450 проявляется еще и в том, что кроме гидроксилирования он осу­ществляет за счет НАДФ(Н) восстановление нитросоединений, азокрасителей, галогенсодержащих соединений.

Именно за счет ансамбля ферментов цитохрома Р-450 пе­чень выполняет одну из своих главных функций - детоксика-ционную.

Диоксигеназное окисление субстрата осуществляется ансамб­лем ферментов на основе диоксигеназ, содержащих два катиона железа, которые активируя молекулу кислорода способствуют введению в молекулу субстрата двух атомов кислорода. Механизм диоксигеназного окисления еще не установлен, но извест­но, что с помощью диоксигеназ окисляются даже ароматиче­ские соединения с раскрытием бензольного кольца:

Все окислительно-восстановительные реакции, аналогичные рассмотренным, протекают в организме при участии соответст­вующих ферментов и поэтому являются управляемыми и строго контролируемыми процессами. Кроме них в организме идут реакции свободнорадикального окисления, ход которых контро­лируется опосредованно и в узких пределах.