Биохимия растений

Фикобилины прочно соединяются ковалентными связями со специфическими белками, образуя ф и к о б и л и п р о т е и д ы,

которые имеют максимумы поглощения от 500 до 650 нм. Фико-

билипротеиды, включающие пигмент фикоэритробилин, получ˝и-

ли название фикоэритринов, а белки, содержащие фикоцианоби-

ëèí, — фикоцианинов. Фикобилипротеиды в клетках водорослей находятся в особых гранулах — фикобилисомах, расположенных на

наружной поверхности фотосинтетических мембран.

9.1.1.1.ИНИЦИИРОВАНИЕ СВЕТОМ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ И ПРОТОНОВ В МЕМБРАНАХ ХЛОРОПЛАСТОВ

Âопытах Р. Эмерсона и др. (1957) по изучению действия моно-

хроматического света разной длины волны на интенсивност˝ь фотосинтеза у хлореллы было выяснено, что максимальная скор˝ость

фотохимических реакций наблюдается при одновременном о˝све-

щении этих водорослей красным светом с длинами волн 650 и

680 нм, тогда как эффективность света каждой из указанных длин волн в отдельности оказалась более низкой. Обнаруженное я˝вление в дальнейшем назвали эффектом Эмерсона. Оно позволило

исследователям предположить существование в хлоропласт˝ах двух

взаимодействующих между собой фотохимических систем — ˝I è II, представляющих белково-пигментные комплексы, которые в определенном порядке входят в структуру хлоропластных м˝ембран. С помощью современных методов указанные белково-пиг-˝

ментные комплексы выделены из хлоропластов растений и до˝ста-

точно хорошо изучены.

Âсостав белково-пигментного комплекса фотосистемы I вход˝ят: димер пигмента П700 и мономер хлорофилла à695, образующих

реакционный центр;

светоулавливающий комплекс пигментов (около 300 молекул),

включающий хлорофилл à с максимумами поглощения 675—

695 нм, хлорофилл b и каротиноиды;

железосерные белки, имеющие группировки атомов 4Fe4S.

281

Рис. 9.3. Схема переноса электронов и протонов в тилакоидной˝ мембране хлоропластов:

ÏÊ — пигментные комплексы фотосистем (ÔÑ) I è II; ÏÕ1 — первичный пластохинон; ÏÕ2 — вторичный пластохинон; ÔÐ — фермент ферредоксин-НАДФ-оксидоредуктаза; FeSR— железосерный белок Риске; Ôô — феофетин; Ïö — пластоцианин; Ôä — ферредоксин; ÀÑÊ — АТФсинтетазный комплекс; Рí — неорганический фосфат; FeS — железосерные группировки в˝ составе белковых комплексов фотосистем I и II

Молекулы пигментов светоулавливающего комплекса погло-˝ щают кванты света, переходят в возбужденное состояние и п˝ередают энергию возбуждения с помощью механизма индуктивно˝го резонанса на пигмент П700, входящий в состав реакционного

центра фотосистемы I. Молекула пигмента П700, находящаяся в возбужденном синглетном состоянии, далее взаимодейству˝ет с первичным акцептором электронов хлорофиллом à695, передавая ему один электрон. При этом пигмент П700 переходит в окислен-

ное состояние (П+700), а хлорофилл à695 — в восстановленное (à–695).

Перевод пигмента П700 в исходное восстановленное состояние происходит за счет передачи электрона из фотосистемы II, а у˝ фотосинтезирующих бактерий в качестве источников электро˝нов для восстановления реакционного центра фотосистемы I исполь˝зуются электроны, образующиеся при окислении H2S, H2, углеводородов и других органических веществ.

Восстановленная форма хлорофилла à–695 передает электрон на вторичные акцепторы — железосерные белки, которые, в сво˝ю

очередь, способны восстанавливать водорастворимый желе˝зосерный белок ферредоксин, обладающий подвижностью в жидкой дисперсионной среде на внешней поверхности тилакоидных˝

мембран (рис. 9.3). Далее с участием фермента ферредоксин- НАДФ-оксидоредуктазы, содержащего в качестве кофермента ФАД, осуществляется перенос электронов от восстановленн˝ого

ферредоксина на окисленный НАДФ (НАДФ+), в результате чего

282

происходит образование одного из важнейших продуктов фо˝то-

синтеза — восстановленных динуклеотидов НАДФ (НАДФ · Н˝):

Белково-пигментный комплекс фотосистемы II включает сле-

дующие компоненты:

димер пигмента П680 и феофетин, играющие роль реакционно-

го центра;

светоулавливающий комплекс пигментов, в состав которого˝ входят молекулы хлорофилла à с максимумами поглощения 670—

683 нм, хлорофилл b и каротиноиды;

молекулы пластохинонов, служащие вторичными акцепторам˝и электронов.

Как и в фотосистеме I, молекулы пигментов светоулавливаю-

щего комплекса фотосистемы II поглощают кванты света и пер˝е- дают энергию возбуждения на пигмент П680 в составе реакционно-

го центра, переводя его в возбужденное синглетное состоян˝ие.

Возбужденная молекула П680 становится донором электрона для первичного акцептора — молекулы феофетина, который переходит

в восстановленное состояние и передает электрон на перви˝чный

пластохинон, действие которого как акцептора электрона у˝силивается железосерной группировкой в составе белкового комп˝лекса.

От первичного восстановленного пластохинона электрон п˝ередает-

ся на вторичный пластохинон, который далее взаимодейству˝ет с липидорастворимым переносчиком электронов — димером п˝ласто-

хинона, не связанным с белковым комплексом фотосистемы II.

В хлоропластах растений найдено несколько разновидност˝ей пластохинонов, которые могут функционировать в качестве˝ пере-

носчиков электронов. Все они являются производными бензо˝хи-

нона, содержащего боковой радикал в виде соединенных в це˝пь остатков изопрена, но различаются числом таких остатков и˝ нали-

чием гидроксилированных и ацилированных группировок. Та˝к,

например, пластохинон А имеет следующие строение:

283

Для перевода молекулы пластохинона в восстановленное со˝-

стояние необходимо присоединить два электрона и два прот˝она.

Донором электронов для липидорастворимого пластохинона˝ служит вторичный пластохинон, находящийся в структуре белко˝вого

комплекса фотосистемы II, а протоны присоединяются из стро˝мы

с внешней поверхности тилакоидной мембраны, прилегающей˝ к

той части белкового комплекса, в которой локализован втор˝ич-

ный пластохинон.

Учитывая, что липидорастворимый переносчик электронов

функционирует в виде димера, реакция его восстановления м˝ожет

быть выражена следующим уравнением:

2PQ + 4e + 4H+ ¾¾® 2PQ ·H2

Восстановление в исходное состояние пигмента П680 в реакци-

онном центре фотосистемы II происходит за счет электронов˝, об-

разующихся в результате фотоокисления молекул воды. В это˝м процессе участвуют специфические белки, содержащие кати˝оны

марганца и входящие в структуру белкового комплекса фото˝систе-

мы II. Один из таких белков содержит в активном центре четыр˝е

катиона Mn2+, способных легко переходить в окисленное состояние (Mn3+) и отщеплять от молекул воды электроны, передавая их на другой белковый переносчик, содержащий два атома Mn, который далее осуществляет перенос электронов на окисленн˝ый

пигмент П680, переводя его в исходное восстановленное состоя-

ние. Определено, что активность белка, взаимодействующего˝ с

молекулой воды, зависит от наличия в реакционной среде ионов Са2+ è Cl–.

В результате фотоокисления молекулы воды разлагаются на˝

кислород и катионы Н+ (протоны):

2H2O ¾¾¾®–4e O2 + 4H+

Кислород и протоны выделяются на внутренней поверхности˝

тилакоидных мембран.

284

В передаче электронов от фотосистемы II на фотосистему I принимает участие белково-цитохромный комплекс, содержа˝щий цитохромы b6 è f, а также железосерный белок Риске, имеющий активную группировку 2Fe2S. В составе белково-цитохромного

комплекса есть участок связывания восстановленной форм˝ы липидорастворимого переносчика электронов 2PQ · H2, при взаимо-

действии с которым переносчик подвергается окислению, от˝давая электроны на железосерный белок Риске и высвобождая прот˝оны

на внутренней поверхности тилакоидной мембраны:

2PQ ·H2 ¾¾¾®–4e 2PQ + 4H+

Восстановленный железосерный белок Риске передает элек˝т-

роны на цитохром f, а последний далее восстанавливает водора-

створимый низкомолекулярный (10 500) белок — пластоцианин,

содержащий медь. Атом меди в структуре этого белка соедин˝ен

координационными связями с остатками цистеина, метионин˝а

(через атом S) и гистидина (через азот имидозольной группировки).

Восстановленный пластоцианин способен перемещаться в жидкой дисперсионной среде на внутренней поверхности ти˝лако-

идной мембраны и переносить электроны от белково-цитохро˝м-

ного комплекса на окисленный пигмент П700 в составе реакцион-

ного центра фотосистемы I.

Таким образом, в процессе взаимодействия двух фотосистем˝

под действием света инициируется направленный поток эле˝ктро-

нов, образующихся в результате фотоокисления молекул вод˝ы, к

реакционному центру фотосистемы I, а от него на ферредокси˝н, с участием которого синтезируются восстановленные динукл˝еотиды НАДФ · Н. Рассмотренная выше последовательность перено˝са

электронов получила название нециклического транспорта˝ элект-

ронов при фотосинтезе, который обычно изображается в виде˝ так называемой Z-схемы (рис. 9.4).

Учитывая, что при фотоокислении воды одна молекула кисло-˝ рода (О2) образуется из двух молекул воды, на реакционный центр фотосистемы II переносится четыре электрона, которые возм˝ещают электронную недостаточность, вызванную передачей так˝ого же количества электронов из реакционного центра в электрон˝транспортную цепь при поглощении четырех квантов света пигмен˝т-

ным комплексом данной фотосистемы. Переносимые по элект-

ронтранспортной цепи фотосистемы II четыре электрона пере˝даются далее на реакционный центр фотосистемы I для возмеще˝ния электронной недостаточности, вызванной передачей таког˝о же количества электронов на восстановление НАДФ+ после погло-

285

Рис. 9.4. Схема нециклического и циклического переноса элек˝тронов в мембранах хлоропластов (Z-схема)

Сокращенные обозначения такие же, как и на рисунке 9.3. Напра˝вление циклического переноса электронов показано штриховой линией. Слева дана шкала˝ стандартных электродных потенциалов в вольтах при рН 7

щения четырех квантов света пигментным комплексом фотос˝ис-

темы I. Всего при образовании одной молекулы О2 по электрон-

транспортной цепи, образующей Z-схему, осуществляется перенос четырех электронов, который индуцируется при поглоще˝нии

восьми квантов света (4 в фотосистеме I + 4 в фотосистеме II), в˝

результате чего осуществляется синтез двух молекул восс˝тановленного динуклеотида НАДФ · Н.

Следует отметить важную роль реакционных центров, в кото-˝

рых происходит превращение световой энергии, затраченно˝й на возбуждение молекул пигментов, в химическую энергию восс˝та-

новленных переносчиков электронов, возникающих при акце˝пти-

ровании электронов от пигментов П700 è Ï680.

Как было показано ранее, в процессе переноса электронов с˝ участием липидорастворимого пластохинона и белково-цит˝о- хромного комплекса происходит также перенос протонов че˝рез мембрану тилакоида. Протоны акцептирует восстановленны˝й липидорастворимый пластохинон с внешней поверхности тила˝коид-

286

ной мембраны, а их высвобождение происходит при взаимодей˝- ствии восстановленного липидорастворимого пластохинон˝а с бел- ково-цитохромным комплексом уже в той его части, которая о˝б- ращена к внутренней поверхности тилакоидной мембраны. В р˝е-

зультате на ней возникает избыточный положительный заря˝д, тогда как на внешней поверхности — отрицательный, обусловл˝енный

избыточной концентрацией анионов, с которыми были связан˝ы протоны. Кроме того, необходимо учитывать, что во внутренней

полости тилакоидов остаются протоны, образовавшиеся в ре˝-

зультате фотоокисления воды, которые также формируют пол˝о-

жительный заряд на внутренней поверхности тилакоидной мемб-

ðàíû.

Накопление на внешней и внутренней поверхностях тилакои˝д-

ной мембраны разноименных зарядов инициирует образован˝ие

трансмембранного электрохимического потенциала, энерги˝я ко-

торого может быть использована для осуществления эндерг˝они-

ческих реакций синтеза веществ.

Наряду с нециклическим в хлоропластах растений происход˝ит

также и циклический транспорт электронов, который осущес˝твля-

ется с участием белкового комплекса фотосистемы I, белков˝о-ци-

тохромного комплекса с цитохромами b6 è f, а также ферредокси-

на и липидорастворимого пластохинона.

При циклическом транспорте электронов под действием све˝та

электроны из реакционного центра фотосистемы I через втор˝ич-

ные акцепторы — железосерные белки — передаются на фер˝ре-

доксин, который далее, взаимодействуя с белково-цитохромн˝ым

комплексом, переносит их на пластохинон PQ (cм. рис. 9.4). Восстановленный пластохинон акцептирует протоны с внешней˝ поверхности тилакоидной мембраны и присоединяется к той ча˝сти

белково-цитохромного комплекса, где локализованы молеку˝лы цитохрома b6. Передав электроны на молекулы цитохрома b6, пластохинон окисляется и высвобождает протоны на внутренню˝ю поверхность тилакоидной мембраны, инициируя таким образом˝ со-

здание трансмембранного потенциала. От цитохрома b6 электро-

ны далее передаются с участием железосерного белка Риске˝ и цитохрома f на пластоцианин, который, передвигаясь в жидкой фазе на внутренней поверхности тилакоидной мембраны, пер˝е- носит их на окисленный пигмент П700 в реакционном центре

фотосистемы I, переводя его в исходное восстановленное со˝-

стояние.

Таким образом, согласно циклической схеме при поглощении˝ квантов света электроны от возбужденной молекулы пигмен˝та

Ï700 в реакционном центре фотосистемы I передаются последова-

тельно по указанной ранее цепи переносчиков, инициируя об˝ра-

зование трансмембранного потенциала, а затем снова возвр˝аща-

287

ются в реакционный центр. При этом не происходит образова˝ния восстановленных динуклеотидов НАДФ · Н.

Наличие в хлоропластах циклической системы переноса эле˝ктронов можно легко обнаружить, если блокировать с помощью

специального ингибитора дихлорфенилдиметилмочевины передачу электронов в фотосистему I из фотосистемы II. У фотосинтезир˝у-

ющих бактерий фотосистема II отсутствует и поэтому у них фу˝нкционирует только система циклического транспорта элект˝ронов с

участием фотосистемы I.

Белковые комплексы фотосистем I и II неравномерно распре-

делены в хлоропластных мембранах. Белково-пигментный ком˝п-

лекс фотосистемы II преимущественно локализован в мембран˝ах, образующих граны, а более высокая концентрация белково-пи˝г-

ментного комплекса фотосистемы I наблюдается в ламеллах, окру-

женных стромой. Белково-цитохромный комплекс равномерно˝ ло-

кализован как в гранах, так и в ламеллах, не образующих структуру

гран. Перенос электронов между белковыми комплексами осу˝ществляют молекулы липидорастворимого пластохинона, а так˝же во-

дорастворимых белков ферредоксина и пластоцианина, спос˝обных

перемещаться на поверхности мембран в жидкой фазе — стро˝ме.

Определенной подвижностью обладают и белковые комплек-

сы, которые могут подвергаться фосфорилированию, в резуль˝тате чего при диссоциации протонов возрастает их отрицательн˝ый за-

ряд, вызывающий перемещение белкового комплекса к внутре˝н-

ней поверхности мембраны, имеющей положительный заряд. Та˝-

кое перемещение в составе мембран белкового комплекса фо˝тоси-

стемы II способствует более быстрому переносу электронов ˝на реакционный центр фотосистемы I. Фосфорилирование белковых˝ комплексов катализируют ферменты киназы, которые активи˝ру-

ются восстановленным пластохиноном и ингибируются его о˝кисленной формой. В результате отщепления под действием соот˝ветствующих фосфатаз остатков фосфорной кислоты от белково˝го комплекса уменьшается его отрицательный заряд и он возвр˝аща-

ется в исходное состояние, после чего может снова подверг˝аться

фосфорилированию.

9.1.1.2. ФОТОФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Кроме восстановленных динуклеотидов НАДФ · Н важнейшим

продуктом фотохимических реакций является АТФ. В опытах с˝

изолированными хлоропластами растений было показано, чт˝о под действием света у них индуцируется синтез АТФ из АДФ и нео˝р-

ганического фосфата:

ÀÄÔ + Í3ÐÎ4 ¾¾¾¾¾¾®Ñâåò ÀÒÔ + Í2Î

Хлоропласты

288

В отсутствие света фосфорилирование АДФ не происходило. Исходя из этого, исследователи сделали вывод, что эндерго˝ническая реакция синтеза АТФ ( G°′ = 30,6 кДж/моль) сопряжена с использованием энергии поглощенных хлоропластами квантов˝ све-

та. Сопоставление стандартных окислительно-восстановит˝ельных потенциалов компонентов электронтранспортной цепи в ме˝мбра-

нах хлоропластов (табл. 9.1) показывает, что такой сопряженн˝ый синтез АТФ возможен. Разница стандартных окислительно-во˝с-

становительных потенциалов П680 первичного донора электронов

реакционного центра фотосистемы II и à695 первичного акцептора

электронов фотосистемы I составляет более 1,8 В, что обеспеч˝ива-

ет перепад в изменении свободной энергии более 170 кДж · моль–1, тогда как в стандартных условиях для образования 1 моля ма˝кро-

эргических связей при фосфорилировании АДФ затрачивает˝ся

30,6 кДж свободной энергии.

9.1. Окислительно-восстановительные потенциалы основных к˝омпонентов цепи переноса электронов в хлоропластах (восстановленные фор˝мы)

Однако при этом возникает вопрос: каким путем происходит

превращение поглощенной при фотосинтезе световой энерг˝ии в химическую энергию макроэргических связей АТФ? В наиболь˝-

шей степени механизм указанного превращения объясняет хемиосмотическая гипотеза, разработанная английским биохимиком

П. Митчеллом в 1961—1966 гг. Большинство положений этой ги-

потезы подтверждено экспериментами. Применение хемиосм˝оти-

289

ческой гипотезы для объяснения механизма фотофосфорилирования было предложено в 1967 г. А. Ягендорфом и в настоящее вре-

мя получило признание большинства исследователей.

Согласно хемиосмотической гипотезе эндергонический про˝- цесс фосфорилирования АДФ с участием неорганического фо˝сфата в хлоропластах растений сопряжен с использованием эне˝ргии

трансмембранного электрохимического потенциала, которы˝й об-

разуется при переносе электронов, индуцируемом в результ˝ате поглощения квантов света.

Процесс образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата˝

катализирует АТФ-синтетазный белковый комплекс, получив˝ший название сопрягающего фактора. Он состоит из 19 белковых субъе-

диниц пяти типов, которые содержат участки связывания АДФ˝ и

неорганического фосфата. Сопрягающий фактор имеет глобу˝лярную структуру и локализован на внешней поверхности тилак˝оид-

ной мембраны. С ним связан другой белковый комплекс, выпол˝-

няющий функцию ионного канала, через который по концентра˝- ционному градиенту осуществляется транспорт катионов в˝одоро-

äà Í+ из внутреннего пространства тилакоида на его поверхность.

Проходя через ионный канал, катионы водорода попадают в АТФ-синтетазный комплекс и, активируя его, инициируют син˝тез

ÀÒÔ (ñì. ðèñ. 9.3).

Функционирование АТФ-синтетазного комплекса было прове˝- рено в экспериментах с изолированными от организма мембр˝ан-

ными структурами. Так, в одном из опытов использовали иску˝сст-

венные мембраны, образованные из выделенных растительны˝х фосфолипидов. С такими искусственными мембранными струк-

турами связывали АТФ-синтетазу с соответствующим ионным˝ каналом, выделенную из животных тканей, а в качестве хрома˝тофора вводили бактериородопсин, который, поглощая кванты света, инициировал создание протонного градиента. Под его˝ действием АТФ-синтетазный комплекс катализировал синте˝з АТФ из добавленных в искусственную среду АДФ и неоргани- ческого фосфата.

При рассмотрении процессов фотофосфорилирования возни-˝ кает также вопрос о количестве АТФ, синтезируемой в расче˝те на единицу поглощенной световой энергии или на 1 моль выделя˝ю- щегося в ходе фотосинтеза кислорода. Как было указано ран˝ее, при функционировании системы нециклического транспорта˝

электронов одна молекула кислорода (О2) образуется из двух мо-

лекул воды, подвергшихся фотоокислению. При этом внутри т˝и-

лакоида остаются четыре протона (4Н+), а по электронтранспортной цепи фотосистем II и I осуществляется перенос четырех эл˝ек-

тронов, который инициируется в результате поглощения пиг˝мент-

290