2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

поглощенная молекулой, может выделиться в виде тепла, света (флуоресценция).

Стадии фотосинтеза

Процесс фотосинтеза осуществляется путем световых фотохимических и темновых ферментативных реакций.

Световая стадия. Характеристика фотосистем. В световой ста-

дии участвуют две фотосистемы, представляющие функциональные ансамбли светопоглощающих пигментов: фотосистема I и фотосистема II.

Функциональная единица фотосистемы I содержит около 200 молекул хлорофилла «а» и 50 молекул каротиноидов. Эти пигменты являются фотосборщиками энергии, т.е. поглощают фотоны. На этот ансамбль имеется одна молекула пигмента Р700, играющего роль реакци-

онного центра.

Фотосистема II включает пигменты фотосборщики – около 200 молекул хлорофилла «а», 200 молекул хлорофилла «b», фикобилины или ксантофиллы. Реакционным центром системы является молекула пигмента Р680. Фоторецепторы поглощают кванты света и передают

свою энергию возбуждения к реакционному центру – месту, где протекают химические реакции.

В реакционных центрах находятся хлорофиллы с особыми свойствами, обусловленными их окружением. Полагают, что это агрегированная форма хлорофилла «а». Имеются хлорофиллы с максимумом поглощения при длине волны 700 нм и 680 нм, поэтому они названы пигментами Р700 и Р680, т.е. это фотохимически активная форма хлорофилла.

На их долю приходится 1/400 часть общего хлорофилла в клетке. Энергетический уровень возбужденного состояния Р700 и Р680 ни-

же, чем у других хлорофиллов – фоторецепторов, поэтому они способны забирать энергию возбуждения от фотосборщиков в виде экситонов.

Перенос энергии к реакционному центру идет очень быстро – менее

10-10 сек.

В тилакоидах локализованы обе фотосистемы, в ламеллах - толь-

ко I. Фотосистема I более древняя в эволюционном отношении, есть у всех фотосинтезирующих клеток. Фотосистема II появилась позднее. В состав обеих фотосистем кроме пигментов входят еще переносчики электронов.

Полный набор пигментов и переносчиков электронов обеих фотосистем составляет структурный и функциональный ансамбль, называемый квантосомой (м.м. около 2 млн Да, длина около 17,5 нм).

582

Взаимосвязь фотосистем и цепей переноса электронов

Механизм световой стадии. Фотосборщики обеих фотосистем поглощают кванты света, возбуждаются и энергию возбуждения в виде экситонов отдают реакционным центрам – пигментам Р700 (в I фотосистеме) и Р680 (во II фотосистеме). В темноте в основном состоянии восстановительный потенциал Р700 = + 0,4 в (см. рисунок). Тенденция к отдаче электронов очень мала. При поглощении энергии – экситонов Р700

переходит в возбужденное состояние, что сопровождается изменением распределения электронов со сдвигом ОВП до – 0,6 в. Таким образом, свет в фотосистеме I вызывает переход Р700 на более высокий энергети-

ческий уровень, в результате чего увеличивается способность к отдаче электрона и восстановлению НАДФ с потенциалом – 0,32 в. Передача электрона идет не непосредственно, а через ряд переносчиков. Р700 (ОВП = - 0,6 в) передает электрон на связанный ферредоксин (железосерный белок, связанный с мембраной, ОВП = - 0,6 в, Z). Он далее передает электрон растворимой форме ферредоксина (ОВП = - 0,432 в), с

которого ферредоксин-НАДФ-редуктаза с простетической группой ФАД переносит электрон на НАДФ (ОВП = - 0,32 в). Два электрона

транспортируются двумя молекулами ферредоксина.

583

Потеря молекулой Р700 электрона приводит к переходу его в окис-

ленное состояние, т.е. возникает электронная дырка, подлежащая заполнению. В заполнении дырки участвуют фотосистема II и цепь переносчиков электронов, связывающая обе фотосистемы.

При освещении фотосистемы II экситоны фотосборщиков поглощаются пигментом Р680, который переходит в возбужденное состояние. ОВП Р680 в основном состоянии равен + 1,0 в. Возбуждение молекулы

приводит к сдвигу ОВП до – 0,06 в (т.е. на 1,0 в), в результате чего появляется способность к отдаче электрона. От Р680 электроны переносятся на Q – прочно связанную молекулу пластохинона (ОВП = - 0,06 в), с нее на подвижный (свободный) пластохинон (ОВП = 0,08), далее на цитохром b559 (цит.f – от латинского frons – листья, ОВП = + 0,01 – 0,02 в). От него электроны переходят на цитохром с552 (ОВП = + 0,365 в), яв-

ляющийся интегральным мембранным белком. Он передает электроны пластоцианину – белку с м.м. 10500 Да, имеющему атом меди, который

расположенн вблизи поверхности молекулы и связанн с остатками цистеина и метионина (ОВП = + 0,4 в). Локальное натяжение при атоме меди облегчает перенос электронов на окисленную форму Р700. Но теперь возникает дефицит электронов у Р680. Заполнение электронной дырки происходит за счет электронов воды (Е0 = + 0,82 в). Потенциал Р680 бо-

лее положителен, чем воды. В результате перехода электронов на пигмент Р680 выделяются кислород и протоны, которые присоединяются к

НАДФ, принявшему электроны, а сам процесс разложения воды получил название фотолиза.

Таким образом, свет вызывает перенос электронов от воды (Е0 = + 0,82 в) к НАДФ (Е0 = - 0,32 в), т.е. против градиента химического по-

тенциала, что отражает схема взаимосвязи фотосистем и цепей переноса электронов. Фактически для того, чтобы бедные энергией электроны воды оказались способными восстановить НАДФ, каждый электрон должен быть дважды «подброшен» вверх. В каждой фотосистеме на

один «подброшенный вверх» электрон расходуется один квант или фотон. После этого электроны с избыточной энергией устремляются вниз по системе переносчиков по градиенту потенциала. На каждый электрон, переходящий от воды к НАДФ, поглощаются два кванта света (по одному каждой фотосистемой).

Для образования молекулы О2 при фотолизе воды к НАДФ долж-

ны быть переданы четыре электрона, т.е. должно быть поглощено восемь квантов (по четыре каждой фотосистемой).

Рассмотренный перенос электронов с восстановлением НАДФ называется нециклическим путем.

584

Фотосинтетическое фосфорилирование

Во время перехода электронов из фотосистемы II в фотосистему I происходит фосфорилирование АДФ с образованием АТФ.

Схема фотосинтетического фосфорилирования в хлоропластах

тйлвко йд

Это означает, что часть световой энергии, улавливаемой фотосистемами, трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ. Этот процесс стали называть фотосинтетическим фосфорилированием. Перенос электронов через асимметрично ориентированные фотосистемы I и II создает большой протонный градиент.

Фотосинтетический перенос электронов и фотофосфорилирование в хлоропластах во многом сходны с переносом электронов и окислительным фосфорилированием в митохондриях. Сходство проявляется

вследующем:

1.реакционные центры (Р700 и Р680), переносчики электронов и

ферменты, участвующие в образовании АТФ, находятся в мембране тилакоидов;

2.необходимое условие – целостность мембраны тилакоида;

3.тилакоидная мембрана непроницаема для протонов;

4.фотофосфорилирование можно заблокировать или разобщить теми же реагентами, что и окислительное;

5.синтез АТФ осуществляется ферментным ансамблем - ком-

плексом CF1-CF0, похожим на АТФ-азу митохондрий, поэтому его назвали СF (от англ. chloroplast). CF1 – «грибовидные» молекулы из 5 ти-

пов субъединиц, расположенные на наружной поверхности тилакоид-

585

ной мембраны и обращенные в строму хлоропласта (подобно головке АТФ-азы митохондрий, обращенной в матрикс). Они катализируют образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата. СF0 – протонный

канал, образованный тремя видами субъединиц и проходящий через мембрану тилакоида.

Отличительной особенностью мембраны тилакоида является ее проницаемость для ионов хлора и магния.

В создании протонного градиента имеют значение и фотолиз воды, происходящий во внутреннем пространстве тилакоида, и перенос электронов пластохиноном. Тилакоидная мембрана, подобно внутренней мембране метохондрий, асимметрична по молекулярному строению, а свободный пластохинон, участвующий в переносе электронов между второй и первой фотосистемами, подобен убихинону, плавающему во внутренней мембране митохондрии. Взяв электроны, пластохинон забирает протоны у воды стромы и перекачивает их внутрь тилакоида (как убихинон в межмембранное пространство митохондрии). За счет этого и фотолиза воды в полости тилакоида среда становится кислой, рН приближается к 4,0 – 3,5.

Изучая окислительное фосфорилирование, мы выражаем электрохимический потенциал уравнением Δµн = Δφ + рН. В хлоропластах почти вся величина Δµн+ создается градиентом рН, а не электрическим

потенциалом, как в митохондриях. Причина отличия в том, что в результате проницаемости мембраны тилакоида для ионов хлора и магния, увеличение протонного градиента в полости тилакоида сопровождается либо переносом хлора в том же направлении (Cl-), либо переносом иона магния (Mg2+) на 2 протона в строму (т.е. противоположном

направлении). Этим поддерживается электронейтральность и не возникает большой величины электрического потенциала.

Возникающий протонный градиент запускает синтез АТФ. При прохождении через комплекс CF0 – CF1 трех протонов синтезируется

молекула АТФ, что соответствует потреблению 60,2 кДж. Синтезированная АТФ высвобождается в матрикс. Поступившие в матрикс протоны соединяются с НАДФ2-, восстановленным электронами. Образуется НАДФН + Н+. Конечные продукты световой стадии АТФ, НАДФН +

Н+, обладающие запасом энергии и восстановительными свойствами, обеспечивают последующие темновые реакции превращения СО2 в уг-

леводы. Кислород выделяется в атмосферу.

Возможен также и другой путь переноса электронов с пигмента

Р700 не на НАДФ, а через цитохром b563 на цитохром с552 и далее на пластоцианин. С него электроны возвращаются к Р700 и заполняют элек-

тронную дырку. Происходит генерирование энергии в АТФ (разница ОВП переносчиков электронов превышает 0,2 в), но без образования НАДФН + Н+. Этот процесс получил название циклического фото-

586

фосфорилирования. Вторая фотосистема в нем не участвует. Оно функционирует в растительной клетке тогда, когда она вполне обеспечена НАДФН + Н+, т.е. восстановительными эквивалентами, но для ме-

таболических целей нужна АТФ.

Параллельно с процессом фотосинтеза на свету может происходить и дыхание. Оно не сопровождается окислительным фосфорилированием и направлено на использование НАДФН + Н+ на восстановление

молекулярного кислорода. Его функция не ясна. Возможно, что оно используется как предохранительный клапан для поддержания определенного уровня восстановительных эквивалентов.

Темновая стадия фотосинтеза

Протекает в матриксе (строме) хлоропласта, где ситезированные на свету АТФ и НАДФН + Н+ используются для связывания СО2 и вос-

становления его до углеводов.

В соответствии с общим уравнением фотосинтеза

6 СО2 + 6 Н2О С6Н12О6 + 6 О2

изменение стандартной свободной энергии для синтеза одной молекулы глюкозы составляет + 686 ккал/моль (2867,5 кДж). Обратное этому процессу окисление глюкозы сопровождается уменьшением свободной энергии на эту же величину.

Какое же количество энергии должна поставить световая стадия для удовлетворения этой эндергонической реакции?

Мы уже рассчитали, что для переноса одного электрона от Н2О к

НАДФ должны быть поглощены два кванта света, по одному на каждую фотосистему. Образование одной молекулы кислорода требует четырех электронов, т.е. поглощения восьми квантов. Для выделения шести молекул кислорода нужны 48 квантов. Энергия одного «моля» квантов колеблется от 72 ккал (301 кДж) при 400 нм до около 41 ккал (171,4 кДж) при 700 нм. Таким образом, зеленым клеткам для синтеза одного моля глюкозы требуется в зависимости от длины волны поглощаемого света от 48 · 41 = 1968 ккал (8226 кДж) до 48 · 72 = 3456 ккал (14446 кДж).

Опыты с использованием 14С показали, что СО2 присоединяется к рибулозо-1,5-бисфосфату при участии рибулозо-1,5-бисфосфаткар-

боксилазы, которая локализована на внешней поверхности мембран тилакоидов, обращенной к матриксу. Фермент составляет 1/6 часть всех белков хлоропласта (т.е. содержится в очень большом количестве).

Фермент осуществляет карбоксилирование и гидролитическое расщепление с образованием двух молекул 3-фосфоглицериновой ки-

слоты.

587

Рибулозо-1,5-бисфосфат вступает в процесс и в конце регенери-

руется. В этом процессе, получившем название цикла Кальвина, сочетаются реакции гликолитического превращения углеводов и пентозного пути.

O

С Н 12 Н С ОН

СН2ОРО3Н2

3-фосфоглицериновый альдегид

Восстановление 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты в 3- фосфоглицериновый альдегид катализирует глицеральдегид-3-фосфат- дегидрогеназа, специфичная в отношении к НАДФ – Н + Н+. Дальней-

шие стадии приводят к образованию молекулы глюкозы и 6 молекул рибулозо-5-фосфата (см. схему), на фосфорилирование которых затрачивается еще 6 АТФ. Таким образом, регенерируется 6 молекул рибуло- зо-1,5-бисфосфата.

588

Сйм тжз ежкро з й ржежм жрвфйЕ рйбсло зо -1,5-бйру о рувтв

6 рйбсло зо -1,5-бйруо ру вт

Суммарное уравнение процесса:

6 рибулозо-1,5-бисфосфат + 6 СО2 + 18 АТФ + 12 НАДФН Ã Н+ глюкоза + 6 рибулозо-1,5-бисфосфат + 18 АДФ + 18 Н3РО4 + + 12 НАДФ

589

Витоге на каждую молекулу СО2 расходуется 2НАДФ Н + Н+

и3 АТФ. Первичным продуктом при ассимиляции СО2 является 3-

фосфоглицериновая кислота, а другие органические вещества являются продуктами ее преобразований.

Регуляция фотосинтеза

Метаболический тип регуляции основан на аллостерической регуляции активности ферментов: рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилазы (главный), альдолазы, седогептулозо-бисфосфатазы и других.

Регуляция рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы

2.Mg2+

3.подщелачивание матрикса за счет ухода протонов в полость тилакоида

4.фруктозо-6-фосфат

рйбсло зо - 1,5 - бйру о ру вткврбо крйлвзв

Свет активирует образование восстановленного ферредоксина, он активирует фосфатазу фруктозо-1,6-бисфосфата. Образующийся фрук- тозо-6-фосфат стимулирует рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазу.

В темноте бисфосфатаза неактивна. Накапливается фруктозо-1,6-

бисфосфат, который ингибирует карбоксилазу.

Бесхлорофильный фотосинтез

В1976 году Стокениус обнаружил, что галлобактерии, живущие

взасоренных водоемах, осуществляют бесхлорофильный фотосинтез благодаря белку родопсину, содержащему ретиналь. Бактериородопсин насквозь пронизывает мембрану и, поглощая свет, перекачивает прото-

590

ны изнутри клетки наружу в результате чего на мембране возникает потенциал. Эти бактерии могут работать в морской воде. В присутствии кислорода галлобактерии синтезируют АТФ в ходе окислительного фосфорилирования, при недостатке кислорода – переключаются на фотосинтетический механизм.

Лекция 55

КОСТНАЯ ТКАНЬ

Особым высокоспециализированным видом соединительной ткани является костная ткань. Она отличается большой твердостью, механической прочностью, наличием большого количества межклеточного вещества при сравнительно небольшом числе костных клеток. В межклеточном веществе костной ткани преобладают неорганические соединения. В этом смысле костная ткань уникальна. В организме человека нет другой ткани, столь богатой минералами, кроме тканей зубов. Своеобразное, высокоспециализированное объединение органических и неорганических компонентов кости, правильность ориентации коллагеновых волокон вдоль длинной оси кости, упорядоченное расположение кристаллов минерального вещества костной ткани создали весьма совершенную структуру, обладающую специфическими механическими и физиологическими свойствами.

Рассматривая биохимические аспекты костной ткани, следует различать понятия «кость как орган» и «костная ткань».

Кость как орган – сложное структурное образование, в котором наряду со специфической костной тканью содержатся красный и желтый костный мозг, хрящ, надкостница, кровеносные сосуды и находящаяся в них кровь. (Л.И. Слуцкий, 1969 г.) Она является опорой мягких тканей и служит рычагом, который перемещается с помощью сокращения мышц. Макроскопическая и микроскопическая структура кости Ã

органа опорно-двигательного аппарата – полностью приспособлена для выполнения этих функций.

Костная ткань – главная составная часть кости. В то же время соотношение перечисленных компонентов в разных костях и в разных отделах одной и той же кости различно, поэтому химический состав их очень неоднороден. Костная ткань состоит из костных пластинок; в зависимости от плотности и расположения их костное вещество делят на

591