Мембранные преобразователи энергии: Учебно-методическое пособие

М И Н И СТ Е РСТ В О О Б РА ЗО В А Н И Я И Н А У К И РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И В оронежский государственный университет

М Е М Б РА Н Н Ы Е П РЕ О Б РА ЗО В А Т Е ЛИ ЭН Е РГИ И У чеб но-м етодическое п особ ие п о сп ец и ал ь н ост и 020201 – Б и ол оги я

В оронеж 2004

2

У т верж д ен о н а у чн о-м ет од ическим совет ом биолого-почвен н ого ф а ку ль т ет а 24 сен т ября 2004 г., протокол N 1.

Сост а вит ели: П опов В.Н. Ф а ла леева М .И. Е прин цев А.Т.

У чебн о-м ет од ическое пособие под готовлен о н а ка ф ед ре ф изиологии и биохим ии ра ст ен ий биолого-почвен н ого ф а ку ль т ет а Ворон еж ского госу д а рст вен н ого у н иверсит ет а . Реком ен д у ет ся д ля ст у д ен т ов 1 ку рса м а гист ра т у ры биолого-почвен н ого ф а ку ль тет а и 3 ку рса д н евн ого обу чен ия биолого-почвен н ого ф а ку ль т ет а . Разраб откаданного п особ ия частично п оддержана грантом CRDF Y1-B-10-01.

3

СО Д Е РЖ А Н И Е Энергетический об м ен 1.1.Общие пред ста влен ия 1.2.С та д ии ка т а болизм а 1.3.С тру кт у ра и ф у н кции А ТФ

ст р. 3 3 4 6

О кислительное ф осф орилирование 2.1. С тру кт у ра и ф у н кции НА Д и НАДФ 2.2. М еха н изм син т еза А ТФ

8 11

Ф отоф осф орилирование Ф отосин т ез 3.1. Общие пред ст а влен ия 3.2. Х лоропла сты 3.3. П игм ен ты 3.4. М еха н изм процесса ф от осин т еза 3.5. С ветова я ф а за 3.6. Тем н ова я ст а д ия

10 13 14 17 17 23

4

1. ЭН Е РГЕ Т И Ч Е СК И Й О Б М Е Н 1.1 О б щ ее п редставление В ж ивых клет ка х прот ека ет м н ож ест во реа кций, ка ж д а я из которых ка т а лизиру ет ся соответ ст ву ю щим ф ерм ен т ом . Всю совоку пн ост ь эт их реа кций в орга н изм е объ ед ин яю т общим пон ят ием м етаб олизм , кот орый выполн яет ва ж н ейш ие ф у н кции: сн а бж ен ие эн ергией, кот ора я д обыва ет ся пу т ем ра сщеплен ия пищевых веществ (белков, ж иров, у глевод ов); превра щен ие вещест в в ст роит ель н ые блоки (а м ин окислот ы, са ха ра , ж ирн ые кислот ы, а зот ист ые осн ова н ия), которые исполь зу ю т ся в д а ль н ейш ем клет кой д ля построен ия м а кром олеку л (белков, н у клеин овых кислот, липид ов, полиса ха рид ов и прочихклеточн ыхком пон ен т ов). М ет а болизм скла д ыва ет ся из д ву х ф а з – катаб олизм а (или эн ергет ического обм ен а ) и анаб олизм а(или пла стического обм ен а ). К атаб олизм – эт о ф а за , в кот орой происход ит ра сщеплен ие слож н ых орга н ических м олеку л д о более простых кон ечн ых прод у кт ов. У глевод ы, ж иры и белки, пост у пивш ие извн е с пищей или прису т ст ву ю щие в са м ой клет ке в ка чест ве за па сн ых веществ, ра спа д а ю т ся в серии послед ова т ель н ых реа кций д о СО2 и Н 2О. К а та болические процессы сопровож д а ю т ся высвобож д ен ием эн ергии, за клю чен н ой в слож н ой ст ру кт у ре боль ш их орга н ических м олеку л. На опред елен н ых эта па х соот вет ст ву ю щих ка т а болических пу т ей зн а чит ель н а я ча ст ь эн ергии за па са ет ся в ф орм е высокоэн ергетического соед ин ен ия – а д ен озин триф осф орн ой кислоты (АТФ ), а т а кж е в бога т ых эн ергией вод опровод н ых а том а х н икотин а м ид а д ен ин д ин у клеот ид а , н а ход ящегося в восст а н овлен н ом сост оян ии (обозн а ча ет ся НА ДН) или сход н ого по стру кт у ре н икотин а м ид а д ен ин д ин у клеот ид ф осф а та (обозн а ча ет ся НА ДФ Н). А наб олизм , н а зыва ем ый т а кж е биосин тезом , - эт о т а ф а за м ет а болизм а , в т ечен ие которой из м а лых м олеку л–пред ш ест вен н иков или “ст роит ель н ых белков” син т езиру ю т ся белки, н у клеин овые кислоты и д ру гие м а кром олеку лярн ые ком пон ен ты клеток. П осколь ку биосин т ез - эт о процесс, в резу ль т а т е которого у величива ю т ся ра зм еры м олеку л и у слож н яет ся их ст ру кт у ра , он требу ет за т ра ты эн ергии. Ист очн иком эт ой эн ергии слу ж ит А ТФ , кот ора я ра спа д а ет ся д о А ДФ и ф осф орн ой кислоты (обозн а ча ет ся Ф н н еорга н ический ф осф а т ). Для биосин теза н екоторых клеточн ых ком пон ен т ов т ребу ю т ся та кж е бога т ые эн ергией вод ород н ые а т ом ы, д он ором которых являет ся НА ДФ Н (рис. 1). К а т а болические и а н а болические реа кции прот ека ю т в клет ка х од н оврем ен н о, од н а ко их скорост ь регу лиру ет ся н еза висим о.

5 П ИТА ТЕ Л ЬНЫ Е ВЕ Щ Е СТВА , ИС ТОЧ НИК И Э НЕ РГИИ: У ГЛ Е ВОДЫ , Ж ИРЫ , Б Е Л К И

К А ТА Б ОЛ ИЗ М

НИЗ К ОЭ НЕ РГЕ ТИЧ Е СК ИЕ К ОНЕ Ч НЫ Е П РОДУ К ТЫ : СО2, Н 2О, NН 3

К Л Е ТОЧ НЫ Е М А К РОМ ОЛ Е К У Л Ы : Б Е Л К И, П ОЛ ИСА Х А РИДЫ , НУ К Л Е ИНОВЫ Е К ИСЛ ОТЫ , Л ИП ИДЫ

Х ИМ ИЧ Е СК А Я Э НЕ РГИЯ : А ТФ , НА ДФ -Н 2

А НА Б ОЛ ИЗ М

М ОЛ Е К У Л Ы П РЕ ДШ Е СТВЕ ННИК И: А М ИНОК ИСЛ ОТЫ , СА Х А РА , Ж ИРНЫ Е К ИСЛ ОТЫ , А З ОТИС ТЫ Е ОСНОВА НИЯ

Рис. 1. Э н ергет ические вза им освязи м еж д у ка т а болическим и и а н а болическим и пу т ям и. К а т а болические пу т и пост а вляю т хим ическу ю эн ергию в ф орм е А ТФ и НА ДФ -Н 2. Э т а эн ергия исполь зу ет ся н а а н а болических пу тях д ля биосин т еза м а кром олеку л из н еболь ш ихпред ш ест вен н иков. 1.2 Стадии катаб олизм а Ф ерм ен т а т ивн ое ра сщеплен ие пит а т ель н ых вещест в – у глевод ов, ж иров и белков, слу ж а щих клет ке источн иком эн ергии, соверш а ется постепен н о – через ряд послед ова т ель н ых ф ерм ен т а тивн ых реа кций. В а эробн ом ка т а болизм е ра злича ю т три гла вн ые ста д ии (рис.2). На ст а д ии 1 м а кром олеку лы клет ки ра спа д а ю т ся н а свои ст роит ель н ые блоки: полиса ха рид ы (кра хм а л и д р.) ра спа д а ю т ся д о глю козы. Ж иры – д о ж ирн ых кислот и глицерин а , белки – д о а м ин окислот, кот орых им еется 20 т ипов. В эт ом процессе у ча ст ву ю т пищева рит ель н ые ф ерм ен т ы, от н осящиеся к гид рола за м (ка т а лизиру ю т реа кции гид ролиза ). К ра хм а л ра сщепляется а м ила зой, ж иры – липа за м и, белки – прот еа за м и, ва ж н ейш им и из кот орых являю т ся пепсин , трипсин и хипотрипсин . Ра зличн ые прод у кт ы, обра зова вш иеся н а первой ст а д ии ка т а болизм а , н а ст а д ии II превра ща ю т ся в еще более простые соед ин ен ия, число кот орых н евелико. У глевод ы и глицерин ра сщепляю т ся д о т реху глерод н ого прод у кт а пировин огра д н ой кислоты, кот ора я в от су тст вии кислород а превра ща ется в м олочн у ю кислот у . В эт их у словиях окислен ие глю козы м ож н о н а писа т ь след у ю щим обра зом : С 6Н 12О6 + 2А ДФ + 2Ф н 2С Н 3С НОНС ООН + 2А ТФ глю коза м олочн а я кислот а

6

Э то окислен ие протека ет в цитопла зм е и н осит н а зва н ие гликолиз. В процессе гликолиза происход ит н еполн ое окислен ие глю козы и эн ергия за па са ет ся в д ву х м олеку ла х А ТФ . М олочн а я кислота обра зу ет ся в м ыш ца х, когд а из-за н ед оста т очн ого пост у плен ия кислород а (н а прим ер, при ин тен сивн ой ф изической ра бот е) полн ое окислен ие глю козы д о С О2 и Н 2О ока зыва ется н евозм ож н ым . У ба кт ерий под обн ый процесс н осит н а зва н ие м олочн окислого брож ен ия. Б Е ЛК И

П ОЛ ИСА Х А РИДЫ

Л ИП ИДЫ

Б ОЛ ЬШ ИЕ М ОЛ Е К У Л Ы

Ж ИРНЫ Е К ИС Л ОТЫ

М ОЛ Е К У Л Ы , ИГРА Ю Щ ИЕ РОЛ Ь С ТРОИТЕ Л ЬНЫ Х Б Л ОК ОВ

С ТА ДИЯ 1

А М ИНОК ИС Л ОТЫ

ГЛ Ю К ОЗ А

ГЛ ИЦ Е РИН

П ИРОВИНОГРА ДНА Я К ИСЛ ОТА

С ТА ДИЯ 2

ОБ Щ ИЙ П РОДУ К Т РА СЩ Е П Л Е НИЯ

А цет ил К о-А

Ц ИК Л К РЕ Б С А С ТА ДИЯ 3

Ц Е П Ь П Е РЕ НОСА Э Л Е К ТРОНОВ

М ОЧ Е ВИНА

Н 2О

СО2

П РОС ТЫ Е М ОЛ Е К У Л Ы К ОНЕ Ч НЫ Е П РОДУ К ТЫ

Рис. 2. Три ст а д ии ка т а болических превра щен ий осн овн ых пита тель н ых вещест в клет ки.

7

В а эробн ых у словиях пировин огра д н а я кислот а пост у па ет в м итохон д рии и превра ща ет ся в ост а ток у ксу сн ой кислоты, связа н н ый со специф ическим соед ин ен ием коф ерм ентом A. П ри этом выд еляет ся СО2 . К ом плекс ост а т ка у ксу сн ой кислоты (а цет ила ) с коф ерм ен том А обозн а ча ет ся ка к а цетилкоф ерм ен т А . Ра сщеплен ие ж ирн ых кислот и у глерод н ых скелет ов боль ш ин ст ва а м ин окислот т а кж е за верш а ет ся обра зова н ием а цет иль н ых гру пп в ф орм е а цетилкоф ерм ен т а А. Та ким обра зом , а цет илкоф ерм ен т А пред ста вляет собой общий кон ечн ый прод у кт вт орой ст а д ии ка т а болизм а . На ст а д ии Ш а цетиль н а я гру ппа а цетилкоф ерм ен т а А вст у па ет в цикл лим он н ой кислот ы (цикл К ребса ) - общий кон ечн ый пу т ь , н а кот ором почт и все вид ы клет очн ого "топлива " окисляю т ся д о д ву окиси у глерод а и вод ы, кот ора я обра зу ет ся в послед у ю щих реа кциях перен оса элект рон ов. А м ин огру ппы а м ин окислот в д ру гом цикле - цикле м очевин ы поль зу ю т ся д ля обра зова н ия м очевин ы, кот ора я вывод ится из орга н изм а . 1.3. Структураи ф ункц ии А Т Ф В клет ка х зн а читель н а я ча ст ь свобод н ой эн ергии, выд елявш ейся при ка т а болизм е глю козы и д ру гого клеточн ого топлива , сохра н яет ся бла год а ря син тезу а д ен озин триф осф а т а (А ТФ ) из а д ен озин д иф осф а т а (А ДФ ) и н еорга н ического ф осф а та (Ф н ), т.е. ион а ортоф осф орн ой кислот ы, А ТФ . А ДФ и Ф н прису т ст ву ю т во всех ж ивых клет ка х и соста вляю т у н иверса ль н у ю сист ем у , слу ж а щу ю д ля перен оса эн ергии. Х им ическа я эн ергия, за па сен н а я в ф орм е А ТФ , способн а производ ит ь ра бот у ра зн ых вид ов (рис.3). С О2

А ТФ Н 2О

К а т а болизм

клет очн ое т опливо

1. 2. 3. 4.

Б иосин т ез С окра щен ие и д виж ен ие А кт ивн ый т ра н спорт П еред а ча ген ет ической ин ф орм а ции

А ДФ + Ф н

Рис. 3. П роцессы ж изн ед еятель н ост и, требу ю щие за т ра т эн ергии, полу ча ю т эт у эн ергию от А ТФ , ра спа д а ю щиеся при этом н а А ДФ и Ф н . д ля послед у ю щей реген ера ции А ТФ исполь зу ет ся эн ергия, выд еляю ща яся в процессе ка та болизм а из клет очн ого топлива . 1. А ТФ пост а вляет эн ергию д ля реа кций биосин т еза (хим ическа я ра бот а ). 2. А ТФ слу ж ит ист очн иком а н ергии д ля процессов д виж ен ия и сокра щен ия (м ыш ц) м еха н ическа я ра бот а .

8

3. З а счет эн ергии АТФ происход ит а кт ивн ый перен ос веществ через м ем бра н ы прот ив гра д иен т а кон цен тра ции (осм отическа я ра бот а ). 4. Э н ергия обеспечива ет перед а чу ген ет ической ин ф орм а ции при биосин т езе ДНК , РНК и белков перен ос ин ф орм а ции. Во всех слу ча ях, когд а эн ергия А ТФ исполь зу ет ся д ля производ ст ва ра бот ы, кон цева я ф осф а тн а я и ост а ет ся А ДФ – “ра зряж ен н а я” ф орм а этой сист ем ы перен оса эн ергии. А ДФ м ож ет быт ь за т ем вн овь “за ряж ен ” пу т ем присоед ин ен ия ф осф а т н ой гру ппы (что привод ит к реген ера ции А ТФ ), в реа кциях, сопряж ен н ых с ра сщеплен ием клеточн ого топлива . В клетка х, след ова т ель н о, соверш а ется кру говорот эн ергии. А ТФ в эт ом кру говороте игра ет роль перен осчика эн ергии и слу ж ит звен ом , связыва ю щим м еж д у собой процессы, ид у щие выд елен ием и с потреблен ием эн ергии. А ТФ А ДФ

а д ен ин

ра зрыв связи привод ит к обра зова н ию А ДФ

Рис.4.

рибоз а

С тру кт у ра а д ен озин т риф осф орн ой кислот ы /А ТФ /. В ка чест ве ст роит ель н ых блоков в м олеку лу АТФ вход ят ост а т ки ф осф орн ой кислоты, а зотистое осн ова н ие а д ен ин и са ха ррибоза .

П о своей стру кт у ре А ТФ им еет н у клеот ид н у ю природ у (т .е. сод ерж ит а зот ист ое осн ова н ие а д ен ии), ост а ток у глевод а (рибоза ) и оста т ки ф осф орн ой кислот ы (рис.4). Е ст ь д ва пу т и син т еза А ТФ (ф осф орилирова н ия). В первом из н их, кот орый у а н а эробн ых орга н изм ов является ед ин ст вен н ым , А ТФ син тезиру ет ся при перен осе ф осф а т н ой гру ппы на А ДФ с высокоэн ергетического пром еж у т очн ого прод у кт а м ет а болизм а . Две м олеку лы

9

А ТФ , обра зу ю щиеся в резу ль т а т е гликолиза , син тезиру ю т ся им ен н о т а ким пу тем . Он н осит н а зва н ие суб стратного ф осф орилирования. У а н а эробн ых (д ыш а щих) орга н изм ов боль ш а я ча ст ь А ТФ обра зу ет ся в ход е слож н ых окислит ель н о-восста н овит ель н ых реа кций на вн у т рен н ей м ем бра н е м ит охон д рий. Э тот пу т ь н осит н а зва н ие окислительного ф осф орилирования. П ри полн ом окислен ии глю козы д о С О2 и H2O син тезиру ет ся 38 м олеку л А ТФ , боль ш а я ча ст ь кот орых (34) обра зу ет ся в резу ль т а т е окислит ель н ого ф осф орилирова н ия: C6H12O6 + 6О2 + З 8А ДФ + 38Ф н 6CO2 + 6H2O + 38А ТФ Окислит ель н ое ф осф орилирова н ие связа н о с окислен ием восст а н овлен н ого н икотин а м ид а д ен ин д ин у клеот ид а (НАДН). П реж д е чем ра ссм отрет ь д а н н ый процесс, вкра т це ост а н овим ся н а стру кт у ре эт ого соед ин ен ия. 1.5. Структураи ф ункц ии Н А Д + и Н А Д Ф + НА Д + и НА ДФ +, ка к и АТФ , им ею т н у клеот ид н у ю природ у , т .е. сод ерж а т а зот ист ые осн ова н ия (по д ва ) - н икотин а м ид и а д ен ин , по д ва оста т ка рибозы и по д ва (НА Д +) или три (НА ДФ +) ост а тка ф осф орн ой кислот ы (рис.5). Никот ин а м ид м ож ет быт ь в окислен н ой или в восста н овлен н ой ф орм е, т.е. м ож ет прин им а ть а т ом ы вод ород а (элект рон ы и протон ы) или, соот вет ст вен н о, от д а ва т ь их. Ч тобы быт ь д ост а точн о м ощн ым и восста н овит елям и, а том ы вод ород а д олж н ы обла д а т ь зн а чит ель н ым за па сом свобод н ой эн ергии. Та кие бога т ые эн ергией вод ород н ые а т ом ы обра зу ю т ся из клет очн ого топлива под д ейст вием ф ерм ен тов, от щепляю щихвод ород , - д егид роген а з.

Рис.5. Строен ие НА Д в окислен н ой ф орм е. В м олеку ле НА ДФ им еет ся еще од ин ост а ток ф осф орн ой кислоты (пока за н о стрелкой). В прям оу голь н ой ра м ке пока за н о н икотин а м ид н ое коль цо в восст а н овлен н ой ф орм е.

10

Э ти ф ерм ен т ы перен осят их за т ем н а НА Д + или НА ДФ +. Восст а н овлен н ый НА ДН, обра зу ю щийся, н а прим ер, в цикле лим он н ой кислот ы, окисляет ся за т ем н а вн у т рен н ей м ем бра н е м ит охон д рий, в резу ль т а т е чего из А ДФ и Ф н обра зу ет ся А ТФ (при окислен ии од н ой м олеку лы НА ДН 2 обра зу ет ся 3 м олеку лы А ТФ ). Восст а н овлен н ые НАДФ + (НА ДФ Н 2) исполь зу ет ся в биосин т етических реа кциях ка к д он ор бога тых эн ергией элект рон ов и протон ов. 2. О К И СЛИ Т Е ЛЬ Н О Е Ф О СФ О РИ ЛИ РО В А Н И Е 2.1. Электронтрансп ортная ц еп ь м итохондрий П рослед им т еперь пу т ь д ву х элект рон ов от NADН к кислород у , ост а вляя пока в ст орон е эн ергетику эт ого процесса . С у м м а рн ый процесс ра збит н а три ст а д ии, ка ж д а я из кот орых ка т а лизиру ет ся т рем я липопрот еид н ым и ком плекса м и, встроен н ым и во вн у т рен н ю ю м ем бра н у м ит охон д рий. К а ж д ый ком плекс (I, III и IV) пред ст а вляет собой весь м а кру пн ое обра зова н ие, построен н ое из м н огих полипептид н ых цепей. К ом плекс I, н а прим ер, состоит из более чем 40 т а кихцепей (су бъ ед ин иц) и им еет м олеку лярн у ю м а ссу около 1 м лн . К ом плексы пла ва ю т в ф осф олипид н ом м оре м ем бра н ы, т а к чт о верху ш ки и д н о эт их а йсбергов кон т а кт иру ю т с вод н ым и ф а за м и м а трикса и м еж м ем бра н н ого простра н ст ва м итохон д рий. Ж ид ка я липид н а я ф а за ра зреш а ет д ву м ерн у ю д иф ф у зию ком плексов в плоскост и м ем бра н ы, т а к чт о ком плексы м огу т вст реча т ь ся м еж д у собой. К а ж д ый ком плекс ка т а лизиру ет окислит ель н овосст а н овит ель н у ю реа кцию - перен ос элект рон ов и, след ова тель н о, ка к у ж е от м еча лось , сод ерж ит в своем соста ве прост ет ические гру ппы, способн ые прин им а т ь и отд а ва т ь элект рон ы. Э ти гру ппы пред ста влен ы ра зн ообра зн ым н а бором хим ических стру кт у р. К ом плекс I сод ерж ит в своем сост а ве ф ла вин (производ н ое вит а м ин а рибоф ла вин а ) и более 20 а том ов ж елеза , у па кова н н ых в клет ки, пост роен н ые из а т ом ов серы. К ом плекс III сод ерж ит ж елезо ка к в серн ых клет ка х, та к и в вид е ком плексов с порф ирин а м и - слож н ым и гет ероциклическим и м олеку ла м и, сод ерж а щим и чет ыре а т ом а а зот а . Та кие ком плексы н а зыва ю т ся гем а м и, а ком плексы гем ов с полипепт ид н ым и цепям и цитохром а м и. В сост а в ком плекса IV (д ыха т ель н ый ф ерм ен т Ва рбу рга , цитохром оксид а за ) пом им о д ву х ра зличн ых гем ов вход ят н есколь ко а том ов м ед и, прочн о связа н н ых с белком . К ром е эт их трех гига н тских обра зова н ий в сост а в д ыха т ель н ой цепи вход ят еще д ва ком пон ен т а . Од ин из н их - н еболь ш ой белок (м олеку лярн а я м а сса около 13 тыс.), сод ерж а щий кова лен тн о связа н н ый гем - цитохром с. Дру гой - н ера ст ворим ое в вод е «ж ирн ое» соед ин ен ие у бихин он , способн ое выполн ят ь в гид роф обн ой ф а зе м ем бра н ы та ку ю ж е ф у н кцию , ка ку ю выполн яет NAD+ в вод н ом окру ж ен ии цитопла зм ы или м а т рикса м итохон д рий - за па са т ь а том ы вод ород а . П ерва я ста д ия окислен ия NADН ка т а лизиру ет ся ком плексом I, од ин а кт ивн ый цен тр кот орого кон т а кт иру ет с вод н ой ф а зой м а т рикса (вн у т рен н ее простра н ст во м итохон д рий) и связыва ет NADH. Два элект рон а , отщеплен н ые от NADН, пу т еш ест ву ю т по окислит ель н о-восст а н овит ель н ым ком пон ен т а м

11

ком плекса I и в кон ечн ом счет е попа д а ю т н а у бихин он , кот орый связыва ет ся с д ру гим а кт ивн ым цен т ром , ра сполож ен н ым вн у т ри гид роф обн ой ф а зы м ем бра н ы. Восст а н овлен н ый у бихин он (у бихин ол) отд а ет элект рон ы из гид роф обн ой ф а зы в вод н ое окру ж ен ие н а а т ом ж елеза гем а цит охром а с. Э тот процесс ка т а лизиру ет ся ком плексом III (при этом элект рон ы перен осятся по а т ом а м ж елеза в сост а ве ком пон ен тов ком плекса ). П ослед н яя ст а д ия (т еперь в реа кцию д ыха н ия вст у па ет собст вен н о кислород ) ка т а лизиру ет ся ком плексом IV. Э лект рон ы, пройд я по а том а м ж елеза и м ед и в сост а ве ком плекса IV, попа д а ю т, н а кон ец, н а кислород , связыва ю щийся в а кт ивн ом цен т ре цитохром оксид а зы, чт о привод ит к обра зова н ию вод ы. 2.2 М еханический синтез А Т Ф К а к ж е син т езиру ет ся А ТФ в ход е окислитель н ого ф осф орилирова н ия? М ы от вет или, что кон ечн ым и прод у кт а м и окислен ия глю козы и д ру гого клеточн ого т оплива являю т ся СО2 и Н 2О. Им ен н о он и выд еляю т ся в процессе д ыха н ия. Од н а ко вод а н е обра зу ет ся н епосред ствен н о в реа кциях цикла т рика рбон овых кислот и д ру гих процессов. П рот он ы и элект рон ы, освобож д а ю щиеся в реа кциях окислен ия, восста н а влива ю т сн а ча ла НА Д +, который за т ем н а вн у т рен н ей м ем бра н е м итохон д рий окисляет ся с у ча ст ием кислород а возд у ха . П оглощен ие О2 и выд елен ие Н 2О происход ит, та ким обра зом , н а за клю чит ель н ой (т ерм ин а ль н ой) ст а д ии процесса д ыха н ия. П ри этом син тезиру ет ся А ТФ . М еха н изм окислит ель н ого ф осф орилирова н ия был ра скрыт П ит ером М ит челом (1921 - 1989 гг.) в кон це 60-х – н а ча ле 70-х год ов. Он объ ясн яет ся т еорией, н осящей н а зва н ие хем иосм отическая теория М итчела. Исход н ым полож ен ием этой т еории является то, чт о при окислен ии НА ДН 2 и д ру гих восст а н овлен н ых су бстра т ов н а вн у т рен н ей м ем бра н е. Окислен ие НА ДН 2 и д ру гих су бст ра т ов осу щест вляет ся ком плексом (элект рон перен осящих) белков (Э ТЦ ), н осящихн а зва н ие элект рон тра н спорт н а я цепь (Э ТЦ ). П ри ее ра бот е выд еляю ща яся эн ергия выка чива ет прот он ы из м а т рикса м итохон д рий в м еж м ем бра н н ое прост ра н ст во, за ряж а я м ем бра н у . Син тез А ТФ из А ДФ и Ф н осу щест вляет ся особо ф ерм ен т н ой сист ем ой, н осящей н а зва н ие А Т Ф – синтетаза. Он а состоит из д ву х ча стей и им еет вид грибка , н ож ка кот орого погру ж ен а в м ем бра н у , а ш ляпка выст у па ет со ст орон ы м ит охон д риа ль н ого м а т рикса . “Нож ка ” являет ся протон н ым ка н а лом , а “ш ляпка ” – собст вен н о ф ерм ен т ом , кот орый ра бот а ет в ст орон у син т еза А ТФ т оль ко при н а личии н а м ем бра н е протон н ого потен циа ла . П ри этом м ем бра н а ра зряж а ется, протон ы возвра ща ю т ся в м а т рикс, а выд еляю ща яся при этом эн ергия исполь зу ет ся д ля син т еза А ТФ . П ротон ы м игриру ю т к м олеку ле кислород а , к кот орой тра н спорт иру ю т ся и элект рон ы при ра бот е Э ТЦ , в резу ль т а т е обра зу ет ся вод а (рис.6). Общее у ра вн ен ие окислен ия НА ДН 2 за писыва ется след у ю щим обра зом : НА ДН 2 + l/202 + 3А ДФ + 3Ф н

НА Д + + H2О+ 3А ТФ

12

Рис.6. М еха н изм окислит ель н ого ф осф орилирова н ия. Ц епь перен оса элект рон ов м ож н о пред ст а вит ь себе ка к н а сос, перека чива ю щий ион ы Н +, в резу ль т а т е чего м ем бра н а за ряж а ет ся, ион ы Н + из окру ж а ю щей сред ы вн овь у ст рем ляю тся вн у трь , т.е. в м ит охон д риа ль н ый м а т рикс, н а эт от ра з через м олеку лу А ТФ син тет а зы. Э тот процесс сопровож д а ет ся выд елен ием свобод н ой эн ергии, за счет которой и син тезиру ет ся А ТФ . П ротон ы и элект рон ы, выд еляю щиеся при окислен ии НА Д-Н 2 и д ру гих су бст ра т ов, перен осятся н а кислород , в резу ль т а те чего обра зу ет ся вод а . Э лект рон тра н спортн а я цепь м итохон д рий ин гибиру ет ся ра зличн ым и соед ин ен иям и, н осящим и н а зва н ие дыхательные яды. Та к, перен ос элект рон ов с цитохром ов н а кислород прекра ща ет ся при д ейст вии циа н истого ка лия, а зид а н а трия, окиси у глерод а или серовод ород а . Возм ож н о т а кж е разоб щ ение д ыха н ия и ф осф орилирова н ия, когд а д ыха тель н ые су бст ра т ы окисляю т ся, а А ТФ н е обра зу ет ся, чт о происход ит при "корот ком за м ыка н ии" цепи прот он н ого тока , когд а м ем бра н а ра зряж а ет ся н е через А ТФ -син т ет а зу , а через от верст ие в м ем бра н е, обра зова н н ое вещест ва м и, обра зу ю щим и м ем бра н н ые ка н а лы. Та ким и вещества м и м огу т быт ь 2,4-д ин ит роф ен ол, а т а кж е н екот орые а н т ибиотики белковой природ ы (ва лин ом ицин , гра м ицид ин ). П ри их д ейст вии элект рон ы прод олж а ю т перен осит ь ся н а кислород , н о А ТФ н е обра зу ет ся и выд еляется м н ого тепла . Ра зобщен ие окислит ель н ого ф осф орилирова н ия м ож ет быт ь биологически полезн ым . Он о пред ст а вляет собой способ ген ерирова н ия тепла д ля

13

под д ерж а н ия т ем пера т у ры т ела у ж ивот н ых, впа д а ю щих в зим н ю ю спячку , у н екот орых н оворож д ен н ых ж ивот н ых и у м лекопит а ю щих, а д а пт ирова н н ых к холод у . Для эт ого процесса т ерм оген еза специа лизирова н а бу ра я ж ирова я т ка н ь , очен ь бога т а я м итохон д риям и. М итохон д рии в эт ой т ка н и м огу т выполн ят ь ф у н кцию м ин иа т ю рн ых обогрева т ель н ых печей, а в ка чест ве ра зобщит елей в н их выст у па ю т ж ирн ые кислоты. 3. Ф О Т О Ф О СФ О РИ ЛИ РО В А Н И Е 3.1 О б щ ие п онятия П о способу пита н ия (у глерод н ого) и д обыва н ия эн ергии все орга н изм ы объ ед ин яю т в 2 боль ш ие гру ппы: гетеротроф ные (от греческого гет ерос – д ру гой, ра зличн ый, т роф е - пит а н ие) – орга н изм ы, пита ю щиеся готовым и орга н ическим и соед ин ен иям и и н е способн ые син т езирова ть из н еорга н ических. Для н их пища является н е т оль ко источн иком орга н ических вещест в – белков, ж иров, у глевод ов, вит а м ин ов и т.д ., н о и ист очн иком эн ергии (все ж ивотн ые, грибы, боль ш ин ст во ба кт ерий, ра стен ия - па ра зит ы). А втотроф ные (от греческого а у т ос – са м , троф е - пита н ие) – орга н изм ы, способн ые са м остоят ель н о син т езирова т ь орга н ические вещества из н еорга н ических (у глекислот ы вод ы или Н 2О, Н 2 и м ин ера ль н ых солей). В за висим ости от ист очн ика эн ергии, исполь зу ем ого при син т езе вещест в в гру ппе а вт от роф н ых орга н изм ов выд еляю т ф отоа втот роф н ые – орга н изм ы, исполь зу ю щие эн ергию свет а , и хем оа вт от роф н ые – син т езиру ю щие вещест ва за счет эн ергии, выд еляю щейся при окислен ии н еорга н ических соед ин ен ий (Н 2О, Н 2 , NH3 и д ру гие). П роцесс ф отоа втотроф н ого пит а н ия у глерод ом полу чил н а зва н ие ф отосин т ез (от греческого ф отос – свет +син тез), и ее обла д а т елем являю т ся зелен ые ра ст ен ия. Ф отосин т ез – процесс обра зова н ия зелен ым и ра ст ен иям и орга н ических вещест в из н еорга н ических (СО2 и вод ы) при у ча ст ии свет овой эн ергии, поглоща ем ой хлороф иллом . свет 6 С О2 +6 Н 2О

C6H12O6 + 6О2

хлороф илл Э тот процесс им еет исклю чит ель н о боль ш ое зн а чен ие н е т оль ко д ля са м их ра ст ен ий (у глевод н ое пита н ие), н о и д ля ж изн и н а З ем ле. Б олее 100 лет н а за д (1879 г.) К .А . Тим ирязев писа л т а к: “Е д ва ли ка кой процесс, соверш а ю щийся н а зем н ой поверхн ости, за слу ж ива ет в т а кой ст епен и всеобщего вн им а н ия ка к т от , д а леко еще н е ра зга д а н н ый процесс, который происход ит в зелен ом лист е, когд а н а н его па д а ет лу ч солн ца ”. Э ти слова К .А. Тим ирязева н е у т ра т или своего зн а чен ия д о н а стоящего врем ен и. 3.2 Х лороп ласты Э то ова ль н ые тела 5-10 м км д лин ой и 2-3 м км в д иа м етре. В од н ой клетке лист а м огу т н а ход ит ь ся 15-20 и более хлоропла стов. Х лоропла сты обла д а ю т н а ру ж н ой и вн у т рен н ей м ем бра н а м и. Вн у т рен н яя м ем бра н а , огра н ичива ю ща я

14

вн у т рен н ю ю сред у (ст ром у ) хлоропла ст а , обра зу ет у площен н ые вырост ы – т ила коид ы. Ра злича ю т т ила коид ы ст ром ы (д лин н ые), т ила коид ы гра н (корот кие). Несколь ко т ила коид ов, леж а щих д ру г н а д д ру гом , у высш их ра ст ен ий обра зу ю т ст опку -гра н у . К а ж д а я гра н а - это па чка , состояща я из 10 и более т ила коид ов. Ра зм ергра н ы - 0,4-0,5 м км , число их в од н ом хлоропла сте – 10-15. Гра н ы соед ин ен ы м еж д у собой м ем бра н а м и, н а зва н н ым и ла м елла м и ст ром ы. Та ким обра зом , вся вн у т рен н яя стру кт у ра - эт о ед ин ый ла м еллярн ый а грега т . Б ла год а ря ла м еллярн о-гра н у лярн ом у ст роен ию у величива ет ся обща я вн у т рен н яя поверхн ост ь хлоропла ста , что весь м а ва ж н о д ля у спеш н ого выполн ен ия ф отосин т ет ической ф у н кции. В м ем бра н а х хлоропла стов лока лизова н ы ф отосин тетические пигм ен т ы хлороф илл а , д ру гие, а та кж е ф ерм ен ты и прочие ком пон ен т ы, у ча ству ю щие в преобра зова н ии солн ечн ой эн ергии. В ст ром е хлоропла ст ов сод ерж а т ся ф ерм ен ты, с ра ботой которых связа н а ф икса ция и превра щен ие у глекислого га за в ра зличн ые прод у кт ы ф от осин т еза (у глевод ы, белки и д р.). Б оль ш ой ин т ерес пред ст а вляет вопрос о возн икн овен ии хлоропла ст ов в клет ке в процессе эволю ции. П осколь ку хлоропла ст ы пред ст а вляю т собой от н осит ель н о н еза висим ые от яд ра обра зова н ия, им ею щие собст вен н ые ДНК , РНК , рибосом ы и способн ые к д елен ию , рост у , д иф ф ерен циа ции, возн икла гипот еза о том , что хлоропла сты возн икли в резу ль т а т е сим биоза ка кого-то а вт от роф н ого орга н изм а (циа н оба кт ерии), способн ого т ра н сф орм ирова ть эн ергию солн ечн ого свет а с гет еротроф н ой клет кой хозяин а . 3.3 П игм енты Гла вн ым кла ссом пигм ен т ов зелен ых ра ст ен ий, от вет ст вен н ых за поглощен ие свет а при ф от осин т езе, является хлороф илл. Им еет ся н есколь ко ра зличн ых т ипов хлороф илла . У высш их ра ст ен ий, ка к было пока за н о ру сским у чен ым М .С.Ц ветом , прису т ст ву ю т д ве близкие ф орм ы пигм ен та - хлороф илл "а " и хлороф илл "б". В сред н ем н а 1г сырой м а ссы лист ь ев приход ит ся 1 м г хлороф илла "а " и "б" (в су м м е). Их эм пирические ф орм у лы были у ст а н овлен ы Р.Виль ш тет ером , а ст ру кт у ра - Г.Ф иш ером . На иболее ва ж н ым т ипом хлороф илла с т очки зрен ия ф от осин т еза являет ся хлороф илл "а ". Он прису т ст ву ет у всех ф отосин тезиру ю щих орга н изм ов, у кот орых ф отосин тез сопровож д а ет ся выд елен ием кислород а (кром е ба кт ерий). В хим ическом отн ош ен ии он пред ст а вляет собой слож н ое орга н ическое соед ин ен ие производ н ое орга н ической кислот ы – хлороф иллин а (C32H30ON4Mg(COOH)2) и д ву х од н оа том н ых спиртов - м етиловогo (CH3ОH) и ф итола (С 20Н 39ОН): хлороф иллин + м ет иловый спирт + ф ит ол = хлороф илл. В ст ру кт у рн ом от н ош ен ии м олеку ла хлороф илла состоит из д ву х осн овн ых ча ст ей: порф ирин ового яд ра , состоящего из четырех од ин а ковых колец пиррола , соед ин ен н ых м еж д у собой в од н у сист ем у . В цен т ре этого яд ра ра спола га ет ся а том м а гн ия (рис.7). А н а логичн ое строен ие им еет м олеку ла гем а крови с т ем от личием , что вм есто м а гн ия, в цен тре м олеку лы им еет ся а т ом

15

ж елеза . К ром е того, порф ирин овое яд ро хлороф илла в от личие от гем а а сим м ет ричн о, т а к ка к к н ем у д ополн ит ель н о присоед ин ен о пятое коль цо, близкое по строен ию к пирролу . С ход ст во в ст роен ии ва ж н ых в ф у н кцион а ль н ом отн ош ен ии пигм ен тов ра ст ен ий и ж ивот н ых говорит об их ген етическом род стве. К порф ирин овом у яд ру присоед ин ен а д лин н а я цепь спирта - ф итола , обра зу ю щего ка к бы "хвост" д лин ой около 2 н м . Ф итол игра ет ва ж н у ю роль д ля н а д леж а щего ра сполож ен ия м олеку л хлороф илла в м ем бра н а х хлоропла стов по от н ош ен ию д ру г к д ру гу и д ру гим ком пон ен т а м , с которым и он и вза им од ейст ву ю т . П оглощен ие ж е свет а связа н о со ст роен ием порф ирин ового яд ра , в кот ором им еет ся м н ого сопряж ен н ых д войн ых связей, т.е. черед у ю щихся с од ин а рн ым и.

Рис.7. С троен ие м олеку лы хлороф илла .

16

Б ла год а ря т а ком у ст роен ию м олеку ла хлороф илла обла д а ет ряд ом ва ж н ыхд ля ф от осин т еза свойст в: 1. Избира т ель н ым поглощен ием свет а . Л у чш е всего хлороф иллом поглоща ю тся лу чи кра сн ые и син е-ф иолетового и почти н е поглоща ю т ся зелен ые лу чи, от чего хлороф илл, а след ова т ель н о, орга н ы, в которых он н а ка плива ет ся, им ею т зелен у ю окра ску . 2. Ф лу оресцен цией – способн ост ь ю излу ча т ь поглощен н у ю порцию (ква н т ) свет а , если он а н е м ож ет быт ь исполь зова н а в ф отосин тезе, н а прим ер, когд а ра ст ен ие полу ча ет избыток света . 3. Способн ост ь ю к обра тим ым реа кциям окислен ия - восста н овлен ия. Х лороф илл м ож ет от д а ва т ь возбу ж д ен н ый светом элект рон и переход ит ь при эт ом в окислит ель н у ю ф орм у ; н а оборот , прием элект рон а от ка кого-то д он ора сопровож д а ет ся восст а н овлен ием хлороф илла . На ряд у с хлороф илла м и в хлоропла ст а хсод ерж а т ся ка рот ин оид ы. К а рот ин оид ы – эт о ж елтые и ора н ж евые пигм ен т ы, являю щиеся производ н ым и изопрен а . В н а ст оящее врем я пред пола га ет ся, что ка рот ин оид ы, поглоща я опред елен н ые у ча ст ки солн ечн ого спект ра , перед а ю т эн ергию эт их лу чей н а м олеку лы хлороф илла . Тем са м ым он и способст ву ю т более эф ф ект ивн ом у исполь зова н ию солн ечн ого света в процессе ф отосин теза . 3.4 М еханизм п роц есса ф отосинтеза Ф отосин т ез пред ст а вляет собой м н огост у пен ча т ый процесс, в кот ором прин ято выд елят ь д ва гла вн ых эт а па или ст а д ии: световую и тем новую. На свет овой ст а д ии осу щест вляю т ся ф отоф изические и ф отохим ические реа кции, связа н н ые с поглощен ием и преобра зова н ием свет а в н ову ю ф орм у – в ф орм у хим ических связей А ТФ и НАДФ Н. Тем н ова я ста д ия ха ра кт еризу ет ся м н огочислен н ым и ф ерм ен т а м и реа кциям и, в резу ль т а т е кот орых у глекислый га з вклю ча ется в орга н ические соед ин ен ия – прод у кт ы ф отосин т еза (у глевод ы, белки и д р.) (рис.8). Тем н овые реа кции ид у т ка к в т ем н от е, т а к и н а свет у , а н а зыва ю т их т ем н овым и потом у , что в их осу щест влен ие свет н е прин им а ет у ча ст ия. Обяза т ель н ым у словием зд есь являет ся приток А ТФ и НА ДФ Н, н а коплен н ых во врем я световой ст а д ии. След ова т ель н о, обе ст а д ии н ера зрывн о вза им освяза н ы.

17

hν

С ВЕ ТОВА Я СТА ДИЯ

П ИГМ Е НТНА Я С ИС ТЕ М А

1. ф от оф изическа я ст а д ия

Х Л ОРОФ ИЛ Л

H 2O

ee

4ОН -

-

А ДФ

+

Ф

2. ф от охим ическа я ст а д ия

ТЕ М НОВА Я

-

4e

2НА ДФ -Н 2

2Н 2О+ О2

АТ Ф

Ц икл К а ль вин а

3. СО2

С 6Н 12О6

Рис.8. П рин ципиа ль н а я схем а ф отосин т еза 3.5 Световая стадия П ослед ова т ель н ост ь событий н а эт ой ст а д ии м ож н о пред ст а вит ь след у ю щим обра зом : ква н т свет а , поглощен н ый м олеку лой хлороф илла (или д ру гого пигм ен т а ), перевод ит ее н а более высокий эн ергетический у ровен ь . Э то зн а чит, чт о элект рон д а н н ой м олеку лы переход ит н а н ову ю орбит у , при этом его эн ергия возра ст а ет н а величин у поглощен н ого ква н та . Та кое состоян ие хлороф илла н а зыва ю т возбу ж д ен н ым , он о д лит ся 10-8 – 10-12 с. На ход ясь н а н овой орбите, элект рон стрем ит ся за н ять свое м есто в поре н а преж н ей орбите, а переход я н а н ее, он т еряет приобретен н у ю эн ергию . П от еря эн ергии м ож ет осу щест влят ь ся трем я пу т ям и: 1. П ереход ее в т еплову ю ф орм у . 2. Излу чен ие в вид е ква н т а ф лу оресцен ции. 3. П ревра щен ие в хим ическу ю ф орм у более ст а биль н у ю и у пра вляем у ю , т .е. перевод ее в А ТФ и НА ДФ Н. Им ен н о эт от пу т ь пред ст а вляет биологический ин т ерес, поэтом у ост а н овим ся н а н ем под робн ее. В превра щен ии эн ергии элект рон н ого возбу ж д ен ия в А ТФ и НА ДФ Н у ча ству ю т н е все м олеку лы хлороф илла , а лиш ь н еболь ш а я ча ст ь . Все ост а ль н ые игра ю т роль “сборщиков” эн ергии. Э т о та к н а зыва ем ые а н т ен н ые м олеку лы. Э н ергию элект рон н ого возбу ж д ен ия он и перед а ю т н а иболее

18

а кт ивн ым м олеку ла х хлороф илла , кот орые н а зыва ю т “лову ш ка м и”. Од н у м олеку лу хлороф илла – “лову ш ку ” обслу ж ива ю т д о 400-600 а н т ен н ых м олеку л. Им ен н о хлороф илл - “лову ш ка ” обеспечива ет преобра зова н ие световой эн ергии в эн ергию элект рического пот ен циа ла . Все это происход ит в м ем бра н а х хлоропла стов в т а к н а зыва ем ых ф отосинтетических единиц ах (Ф СЕ ). Ф СЕ – это а грега т, состоящий из м олеку л–сборщиков свет овой эн ергии и реа кцион н ого цен т ра . В реа кцион н ом цен тре н а ход ит ся хлороф илл “лову ш ка ”, связа н н а я с ком плексом ф ерм ен тов и перен осчиков элект рон а (рис.9).

Рис. 9. П рин ципиа ль н а я схем а световой ф а зы ф отосин т еза . Обозн а чен ия: П 700 и П 680 – хлороф илл – «лову ш ки». П роцесс превра щен ия эн ергии элект рон н ого возбу ж д ен ия, за хва чен н ой хлороф иллом - “лову ш кой”, в эн ергию хим ических связей (А ТФ и НА ДФ Н) осу щест вляет ся в резу ль т а т е т ра н спорт а элект рон ов в элект рон тра н спортн ой цепи (Э ТЦ ). На отд ель н ых у ча ст ка х элект рон н о-т ра н спортн ой цепи обра зу ю т ся А ТФ и НАДФ Н. П роцесс обра зова н ия А ТФ и НА ДФ Н при ф отосин тезе н а зыва ет ся ф отосинтетическим ф осф орилированием . С у щест ву ет д ва осн овн ых т ипа ф осф орилирова н ия – ц иклическое (Ц Ф Ф ) и нец иклическое (НЦ Ф Ф ) (пра виль н ее было бы говорит ь о д ву х пу т ях тра н спорт а элект рон а – циклическом и н ециклическом ).

19

Ц иклический трансп орт электрона м ож н о иллю ст рирова т ь след у ю щей у прощен н ой схем ой (рис.10). Х

цит охром 1 2 А ДФ + Ф н -

2е

2 А ТФ цит охром 2

П 700 hν

Рис. 10. Схем а циклического тра н спорт а элект рон ов в хлоропла ст а х. Обозн а чен ия: П 700 хлороф илл-«лову ш ка », Х – первичн ый а кцептор, е- - элект рон , цитохром 1 и цитохром 2 – белки, являю щиеся пром еж у т очн ым и перен осчика м и электрон а . Согла сн о этой схем е, возбу ж д ен н а я свет ом м олеку ла хлороф илла перед а ет свой элект рон а кцептору , а са м а при этом окисляет ся (ион изиру ет ся, ст а н овит ся более элект рополож ит ель н ой) и м ож ет т еперь прин ят ь элект рон вза м ен отд а н н ого. Да ль н ейш а я су д ь ба отд а н н ого хлороф иллом элект рон а за клю ча ет ся в том , что он проход ит по за м кн у т ом у пу т и через цепь пром еж у т очн ых перен осчиков (цитохром ов) и возвра ща ет ся к м олеку ле хлороф илла , восста н а влива я ее исход н ое состоян ие. Та ким обра зом , элект рон н а я ва ка н сия хлороф илла восполн яет ся его ж е элект рон ом , прош ед ш им циклический пу т ь , от сю д а н а зва н ие - Ц Ф Ф . П о пу т и т ра н спорта элект рон а при спу ске его с высокого н а более н изкий эн ергет ический у ровен ь в д ву х пу н кт а х Э ТЦ м ож ет происход ит ь син тез А ТФ за счет освобож д а ю щейся эн ергии элект рон н ого возбу ж д ен ия. Н ец иклический трансп орт электрона. Э то более слож н ый процесс, в кот ором пом им о А ТФ обра зу ет ся еще НА ДФ Н и выд еляет ся кислород . Слож н ост ь его состоит в том , что в тра н спорт е элект рон ов у ча ст ву ет н е од н а , а д ве пигм ен тн ые сист ем ы, н есколь ко от лича ю щиеся своим и м а ксим у м а м и поглощен ия света . На прим ер, хлороф илл - "лову ш ка " первой ф отосист ем ы им еет м а ксим у м поглощен ия света в лу ча х с д лин н ой волн ы около 680 н м , а у вт орой ф отосист ем ы в обла ст и 700 н м . Схем а тически процесс НЦ Ф Ф пред ста влен н а рис.11.

20 2е-

Х

ф ерм ен т ы

2е-

2е-

НА ДФ

НА ДФ -Н 2

Q

А ДФ + Ф н

Пх 2е-

А ТФ цит .

П 700

2 hν

П 680

2е-

2Н 2О

2Н +

2ОН

2 hν ½ О2

Н 2О

Рис. 11. Схем а н ециклического тра н спорт а элект рон ов в хлоропла ст а х. Обозн а чен ия: П 700 и П 680 хлороф илл – «лову ш ка », Х и Q – первичн ые а кцепторы элект рон ов, цит. и П х цит охром и па лст охин он , являю щиеся пром еж у т очн ым и перен осчика м и элект рон ов. В от личие от циклической тра н спортн ой цепи, зд есь электрон ы, отд а н н ые ка ж д ой пигм ен тн ой систем ой (П С ), н е возвра ща ю т ся к н им . Та к, ва ка н сия П С -1 восполн яет ся элект рон ом П С -II, перен есен н ым ряд ом перен осчиков (П Х , Ц ИТ). П о пу т и т ра н спорта элект рон а от П С -II к П С-1 происход ит син тез А ТФ . Э лект рон ж е П С-1 ока зыва ет ся вклю чен н ым в НА ДФ вм есте с протон ом вод ород а вод ы. Нед ост а ю щий элект рон в П С-П восполн яется за счет элект рон а гид роксила вод ы, а послед н ий, потеряв элект рон , ст а н овит ся н ейтра ль н ым ; за счет н его выд еляется кислород . Из 4 ОH обра зу ет ся O2 + 2Н 2О. Э тот процесс н а зыва ет ся ф отоокислен ием вод ы в процессе ф отосин теза . М еханизм ф отоф осф орилирования. М еха н изм обра зова н ия А ТФ в '' процессе ф отосин т еза пред ста вляет собой слож н ый, д о кон ца н е выясн ен н ый процесс. Вопрос, ка к осу щест вляется связь м еж д у перен осом возбу ж д ен н ого свет ом элект рон а по Э ТЦ и обра зова н ием А ТФ за счет выд елявш ейся при этом эн ергии д о н а стоящего врем ен и н е выясн ен . На иболь ш ее призн а н ие полу чила хем иосм отическа я т еория, выд вин у т а я у чен ым М итчелом и излож ен н а я ра н ее.

21

П ерен осчики электрон ов (Э ТЦ ) лока лизова н ы в тила коид а х в опред елен н ой послед ова т ель н ости и ра сполож ен ы перпен д ику лярн о м ем бра н е (рис.12). Б ла год а ря эт ом у происход ит перен ос элект рон а с од н ой сторон ы м ем бра н ы н а д ру гу ю . П ри эт ом послед ова т ель н о черед у ю т ся перен осчики элект рон ов (цитохром ы) с перен осчика м и электрон ов и прот он ов (пла ст охин он ы). В резу ль т а т е проход ит од н осторон н ий перен ос протон ов с н а ру ж н ой сторон ы м ем бра н ы н а вн у т рен н ю ю . П о м ере "н а коплен ия по обеим ст орон а м " м ем бра н ы прот ивополож н о за ряж ен н ых ча стиц н а ра ста ет ра зн ост ь пот ен циа лов. Та к ж е ка к в м ем бра н е м ит охон д рий, в м ем бра н ы тила коид ов вст роен ы м олеку лы ф ерм ен т а , син т езиру ю щего А ТФ (АТФ - син т ет а за ). Е е ст ру кт у ра под робн о ра ссм отрен а ра н ее. Вн у т ри А ТФ -син тета зы им еет ся ка н а л, через который м огу т пройти протон ы. К огд а величин а протон н ого пот ен циа ла д ост ига ет крит ического у ровн я, сила элект рического поля прот а лкива ет протон ы через ка н а л А ТФ -син т ета зы, и освобож д а ю ща яся при этом эн ергия с пом ощь ю ф ерм ен т а н а пра вляет ся н а син т ез А ТФ . Та ким обра зом , в световой ф а зе ф отосин т еза обра зу ет ся м олеку лярн ый кислород в резу ль т а т е ф отоокислен ия вод ы, син т езиру ет ся А ТФ в НА ДФ Н, кот орые перепра вляю т ся в т о м есто хлоропла ст а , гд е происход ит син т ез у глевод ов.

Рис.12. Схем а м еха н изм а ф отоф осф орилирова н ия (по М ит челу ). 3.6. Т ем новая стадия К а к от м еча лось выш е, н а эт ой ст а д ии ид у т ф ерм ен та т ивн ые реа кции по восст а н овлен ию СО2 д о орга н ических соед ин ен ия. В у прощен н ом вид е послед ова т ель н ост ь д а н н ых превра щен ий д о обра зова н ия у глевод ов м ож н о

22

пред ста вит ь след у ю щим обра зом . Сн а ча ла у глекислый га з вза им од ейст ву ет с вещест вом - а кцептором СО2, в ка честве кот орого выст у па ет пят иу глерод н ый ф осф орилирова н н ый са ха р - риб улозоб исф осф ат (РБ Ф ). Обра зу ет ся н ест а биль н ый ш ест иу глерод н ый пром еж у точн ый прод у кт, кот орый быстро ра спа д а ет ся н а 2 м олеку лы ф осф оглицерин овой кислот ы (Ф ГК ). В резу ль т а т е эт их реа кций СО2 ока зыва ет ся вклю чен н ым в ка рбоксиль н у ю гру ппу Ф ГК , поэтом у первый эт а п превра щен ий СО2 м ож н о н а зва т ь обобщен н о - реа кции ка рбоксилирова н ия: 3СО2 + 3 РБ Ф (а кцепт ор) 3 пром еж у т очн ых 6 Ф ГК ш ест иу глерод н ых прод у кт а СН 2ОФ

СН 2ОФ

С =0

СНОН

(СНОН)2

СООН

СН 2ОФ рибу лозобисф осф а т

Ф осф оглицерин ова я

кислот а

Сим волом Ф обозн а ча ется ост а ток ф осф орн ой кислот ы –H2PO3 На след у ю щем эт а пе ф осф оглицерин ова я кислота восст а н а влива ет ся д о ф осф оглицерин ового а ль д егид а . Э т а реа кция требу ет за т ра т ы эн ергии А ТФ и НА ДФ Н, за па сен н ой н а световой ст а д ии: 6А ТФ

6Ф ГК

6Ф ГА 6НА ДФ .Н 2

СOH CНOH СН2ОФ

Все послед у ю щие реа кции вплот ь д о обра зова н ия кон ечн ых прод у кт ов - у глевод ов являю т ся т а кж е ф ерм ен т а тивн ым и, н о н осят ин ой ха ра кт ер, и превра щен ию зд есь под верга ет ся лиш ь од н а м олеку ла ф осф оглицерин ового а ль д егид а из ш ест и, н а коплен н ых н а пред ыд у щем эт а пе. Ф ГА

Ряд ф ерм ен т а т ивн ых

у глевод ы

превра щен ий

П ят ь ост а вш ихся м олеку л Ф ГА преобра зу ю т ся в т ри м олеку лы рибу лозобисф осф а та , т.е. воссозд а ется первичн ый а кцептор у глекислого га за . Все эт и реа кции н а зыва ю т ся поэтом у реа кциям и реген ера ции а кцептора СО2 и н а их осу щест влен ие за т ра чива ет ся эн ергия 3-х м олеку л А ТФ (из свет овой ст а д ии). Описа н н ые превра щен ия у глекислого га за им ею т циклический ха ра кт ер и н осят н а зва н ие ц икла К альвина по им ен и а м ерика н ского

23

исслед ова теля, впервые их изу чивш его. В у прощен н ом вид е цикл К а ль вин а м ож н о пред ст а вит ь схем ой: ка рбоксилирова н ие

З РБ Ф + 3 С О2

восста н овлен ие

6 Ф ГК

реген ера ция

6 Ф ГА

(С 5)

орг. вещест ва

(С 3)

В т ем н овой ф а зе ф отосин т еза н а восст а н овлен ие т рех м олеку л CO2 за т ра чива ет ся, ка к от м еча лось выш е, ш ест ь м олеку л НА ДФ Н 2 и 9 м олеку л А ТФ . Но обра зова н ие од н ой м олеку лы у глевод ов, н а прим ер, са ха ра – C6H12O6, сопровож д а ет ся восст а н овлен ием ш ести м олеку л СО2, а д ля этого потребу ет ся 12 НА ДФ Н 2 и 18 АТФ . 6СО2+12НА ДФ Н+18А ТФ

С 6Н 12О6+12НА ДФ +18А ДФ +18 Ф н +6Н 2О

П у т ь превра щен ий С О2, описа н н ый К а ль вин ым , н е являет ся ед ин ст вен н ым , хотя осн овн а я м а сса СО2, у ла влива ем ого при ф от осин т езе (70-80%), проход ит у боль ш ин ст ва ра ст ен ий им ен н о эт от пу т ь , в резу ль т а т е чего н а ка плива ю тся у глевод ы. Сейча с у ж е описа н ы и д ру гие возм ож н ые пу т и превра щен ий С О2, привод ящие к син тезу а м ин окислот, орга н ических кислот и д ру гих прод у кт ов ф отосин т еза . П ом им о ф отосин теза к ф отоа втот роф н ом у т ипу пита н ия отн осит ся и ба кт ериа ль н ый ф от осин т ез. Э т ой ф у н кцией обла д а ю т окра ш ен н ые сероба кт ерии - пу рпу рн ые и зелен ые, способн ые окислят ь серовод ород , серу и д ру гие н еорга н ические соед ин ен ия. 6 CO2 +12 H2

C6H12O6 + 6 H2O

В отличие от ф отосин т еза высш ихра стен ий при ф отосин т езе у ба кт ерий вм есто вод ы исполь зу ю тся д ру гие д он оры вод ород а д ля восст а н овлен ия СО2. В связи с эт им выд елен ия кислород а зд есь н е происход ит . К ром е того, ба кт ериа ль н ый ф отосин т ез осу щест вляется в а н а эробн ых (бескислород н ых) у словиях. П род у кт а м и ба кт ериа ль н ого ф отосин т еза являю т ся преим у щест вен н о ра зличн ые орга н ические кислот ы и а м ин окислот ы. В О П РО СЫ Д ЛЯ СА М О СТ О Я Т Е ЛЬ Н О Й РА Б О Т Ы : 1. Е слиреакц ия п ротекает сам оп роизвольно а ) процесс н а зыва ется эн ергоа кцепторн ым . б) процесс н а зыва ется эн ергод он орн ым . в) Δ G полож итель н о.

24

г) Δ G отрица тель н о. д ) Δ G ра вн о 0. 2. Б урый жир: 1) в орга н изм е сосред от очен в верхн ей ча ст и спин ы; 2) эт о особа я т ка н ь м лекопит а ю щих; 3) эт о особа я т ка н ь беспозвон очн ых; 4) своим цвет ом обяза н м н огочислен н ым глиоксисом а м ; 5) т ка н ь , специа лизирова н н а я н а выра бот ке особых горм он ов. 3.В терм огенезем итохондрий б урого жираучаствуют следующ ие ф ерм енты: 1) липа за ; 2) гексокин а за ; 3) а д ен ила тцикла за ; 4) ф ерм ен ты Э ТЦ м итохон д рий; 5) ф ерм ен ты ф от осин теза . 4. К п отреб ителям п ротонного п отенц иала, соверш ающ им хим ическую раб оту, относятся: а ) П иру ва тд егид роген а за . б) Н+-АТР-син та за . в) Л а кта тд егид роген а за . г) Н+-пироф осф а т син та за . д ) Тра н сгид роген а за . 5. М олочнокислоеб рожениеим еет следующ ие особ енности: 1) кон ечн ые прод у кт ы легко прон ика ю т через м ем бра н у клет ки; 2) кон ечн ые прод у кт ы н е прон ика ю т через м ем бра н у клетки; 3) происход ит за кислен ие сод ерж им ого клет ки; 4) н е происход ит за кислен ие сод ерж им ого клет ки; 5) в процессе у ча ст ву ет серовод ород . 6. Ф ункц ия П Ф П : 1) обра зова н ие NADH; 2) обра зова н ие пен тоз; 3) син т ез эритрозо-4-ф осф а т а ; 4) син т ез НА ДФ Н; 5) син т ез Ф А ДН 2. 7. Ф аза аэротолерантности п редп олагает включениеследующ их м еханизм овзащ иты: 1) ф орм ирова н ие сообщест в из ра зн ых по у ст ойчивост и к кислород у орга н изм ов;

25

2) ф орм ирова н ие сообщест в из ра зн ых по у ст ойчивост и к С О2 орга н изм ов; 3) син т ез соот вет ст ву ю щих ф ерм ен тов д ля д ет оксика ции а кт ивн ыхф орм кислород а ; 4) возн икн овен ие эн ергетического д ыха н ия; 5) биолю м ин есцен цию . 8. П ути катаб олизм ауглеводов: 1) глю кон еоген ез; 2) пу т ь Э н тн ера -Ду д орова ; 3) П Ф П ; 4) гликолиз; 5) цикл Б ра м са . 9. П ути автотроф ной ассим иляц ии С02: 1) гликолиз; 2) цикл А рн он а ; 3) пу т ь Э н тн ера -Ду д орова ; 4) цикл К а ль вин а ; 5) П Ф П . 10. Ф ерм енты, участвующ ие взащ итеорганизм аот губ ительного воздей ствия кислорода: 1) ка т а ла за ; 2) изоцитра тлиа за ; 3) пероксид а за ; 4) м а ла т син та за ; 5) су пероксид д исм у та за (С ОД). 11.И з всех соврем енных гетеротроф овнаиб олееп ростой б иохим ической организац ией об ладают: 1) грибы; 2) а эробы-брод иль щики; 3) ж ивотн ые; 4) ра ст ен ия; 5) а н а эробы-брод иль щики. 12.Сп иртовоеб рожениеим еет следующ ие особ енности: 1) кон ечн ые прод у кт ы легко прон ика ю т через м ем бра н у клет ки; 2) кон ечн ые прод у кт ы н е прон ика ю т через м ем бра н у клетки; 3) происход ит за кислен ие сод ерж им ого клет ки; 4) н е происход ит за кислен ия сод ерж им ого клет ки; 5) в процессе у ча ст ву ет кислород . 13. Х лороф илыный ф отосинтез отличается от б актериородоп синового следующ им и характеристикам и: 1) м ен ь ш ей эф ф ект ивн ость ю исполь зова н ия светового ква н т а ; 2) боль ш ей эф ф ект ивн ост ь ю исполь зова н ия свет ового ква н та ; 3) н а личием ф ерм ен т н ой сист ем ы, вклю ча ю щей н есколь ко белков; 4) н а личием ф ерм ен т н ой сист ем ы, вклю ча ю щей д ва белка ;

26

5) более слож н ой сист ем ой перен оса элект рон ов. 14. Ц еп ь п ереносаэлектроновп ри ф отосинтезец ианоб актерий включает: 1) ф отосист ем у 1 зелен ых ба кт ерий; 2) ф отосист ем у 2 и ком плекс 3 пу рпу рн ых ба кт ерий; 3) ф отосист ем у 3 син е-зелен ых вод орослей; 4) д ополн итель н ый ком плекс, ра сщепляю щий серовод ород ; 5) д ополн итель н ый ком плекс, ра сщепляю щий вод у . 15.И зоб разитец иклическую редокс-ц еп ь п урп урных б актерий . 16. П очем уводусложнее исп ользовать вкачестведонора электронов, чем сероводород? 17. Зап иш итереакц ию вструктурной ф орм ес указанием всех участвующ их ком п онентов. В каком м етаб олическом п ути раб отает данный ф ерм ент? Ф осф оен олпиру ва т Окса лоа цет а т 18. Стандартныевосстановительныеп отенц иалы двух соп ряженных п ар NAD+/NADH + H+ и п ируват/лактат равны соответственно – 0,32 В и – 0,19 В . а ) К а ка я из эт ихпа робла д а ет боль ш ей способн ост ь ю отд а ва т ь элект рон ы? П очем у ? б) К а ка я из н их являет ся более силь н ым окислителем ? П очем у ? в) К а кой вид бу д ет им ет ь су м м а рн а я реа кция? В ка ком н а пра влен ии пойд ет реа кция, если в н а ча ль н ый м ом ен т врем ен и кон цен тра ции исход н ых вещест в и прод у кт ов ра вн ы 1М при рН7? г) Ч ем у ра вн ы д ля этой реа кции зн а чен ия Δ Gо´ и К eq при 25º С? 19. У кажите вероятную п оследовательность п ереносчиков электронов в дыхательной ц еп и, исходя из величины их стандартных восстановительных п отенц иалов. Составьте энергетическую диаграм м у. Н а каких этап ах п ереноса выделение своб одной энергии (в стандартных условиях) п редставляется недостаточным для того, чтоб ы на каждую п ару п ереносим ых электронов м огла синтезироваться одна м олекула А Т Ф . Н еоб ходим о учесть, что эф ф ективность зап асания энергии в п унктах ф осф орилирования составляет 60%? Ц ит охром b6 восст а н овлен н ый / Ц итохром b6 окислен н ый (Е о΄= -0,06 В) Ц ит охром f восста н овлен н ый / Ц итохром f окислен н ый (Е о΄= 0,36 В) Ф ерред оксин восста н овлен н ый / Ф ерред оксин окислен н ый (Е о΄= -0,60 В) П ла стоциа н ин восста н овлен н ый / П ла стоциа н ин окислен н ый (Е о΄= 0,40 В)

27

О сновная литература: Верет ен н иков А .В. Ф изиология ра ст ен ий / А .В.Веретен н иков. – Ворон еж : Изд во Ворон еж . у н -т а , 2002. – 286 с. К н орре Д.Г. Б иологическа я хим ия / Д.Г.К н орре, С.Д.М ызин а . – М . : Высш . ш к., 1998. – 479 с. Х ит О. Ф отосин т ез (Ф изиологические а спект ы) / О.Х ит. – М . : М ир, 2002. – 314 с. Д оп олнительная литература: П олевой В.В. Ф изиология ра стен ий / В.В.П олевой. – М . : Высш . ш к., 1989. – 464 с. Ску ла чев В.П . Б иоэн ергетика . М ем бра н н ые преобра зова т ели эн ергии / В.П .С ку ла чев. – М . : Высш . ш к., 1989. – 271 с. http // www.lib.vsu.ru Э лект рон тра н спортн а я цепь , ф отосистем а , ка т а болизм , а н а болизм , м ет а болизм , м а т рикс, стром а , А ТФ -син т ет а за , цитохром ы, у бихин он , пла стохин он , пла ст оциа н ин , окислитель н ое ф осф орилирова н ие, хлороф илл.

Сост а вит ели: П опов Ва силий Никола евич Ф а ла леева М а рин а Ива н овн а Е прин цев А лекса н д рТроф им ович Ред а кт ор

Тихом ирова О.А.