Биологический каталог




Биологическая химия

Автор Д.Г.Кнорре, С.Д.Мызина

едставляют собой плоские, окруженные мембраной образования, внутренние полости которых соединены между собой. В мембрану тилакои-дов вмонтированы все основные участники световых стадий фотосинтеза.

Центральным событием фотосинтеза являетя поглощение квантов видимого света, которое осуществляется специальным повсеместно распространенным в мире растений пигментом — хлорофиллом (122):

Н2С=СН

Н,С

СН3 СН,

сн2-сн3

7 3 ? 3 v. п2 \

н (сн2-сн-сн2сн2)3-с н2- с=сн-с н, о-со 0С Нз

R — СН^-хлорофилл а

R —' СНО— хлорофилл Ь

122

Хлорофилл встречается у зеленых растений в двух модификациях — ? и 6, причем более распространен хлорофилл а. Поглощающая свет часть молекулы представляет собой порфирииовую систему, координирующую нон магния. Остаток пропионовой кислоты этерпфицирован спиртом фито-лом, что вносит в структуру большой гидрофобный радикал, обеспечивающий взаимодействие с мембраной тилакоидов. Молекулы хлорофилла в хлоропластах организованы в крупные агрегаты, содержащие каждый сотни молекул пигмента. Это так называемые светособирающие системы, или антенны, которые обеспечивают эффективное поглощение и испол зование световой энергии.

Рис. 102. Схема строения хлоропласта:

/ — внешняя мембрана; 2 — внутренняя мембрана; 3 - строма; 4 - тилакоид

362

В соответствии с общим уравнением (VIII.2) на световом этапе фотосинтеза происходит окисление молекул воды до 02 и восстановление NADP* до NADP-H. Для осуществления первого процесса необходимо создание сильного окислителя, для осуществления второго — сильного восстановителя. И то, и другое осуществляется в результате поглощения кванта видимого света хлорофиллом в двух разделенных фотохимических системах, обозначаемых соответственно как фотосистемы II и /. Молекулы хлорофилла содержат систему сопряженных связей, формируемых набором многоцептровых молекулярных орбиталей, половина из которых в невозбужденном состоянии заполнена парами электронов, а вторая половина вакантна. Расстояние между высшей заполненной и низшей незаполненной ор-биталями в шкале энергий не очень велико и соответствует длине волны около 700 нм, несколько различной для фотосистем I (700 нм) н II (680 нм) в связи с различием в окружении поглощающих молекул. При поглощении света один электрон переходит на низшую незаполненную орбиталь. В гомогенном состоянии возбужденный хлорофилл возвращается в основное состояние с испусканием кванта света, т.е. в результате флуоресценции. В фотосистемах I и II этого не происходит в результате присутствия рядом с возбуждаемой молекулой двух вспомогательных пар окислитель/восстановитель. Поскольку их химическая природа не может считаться достоверно установленной, ниже они будут обозначаться для фотосистемы I как ?? ?/Red] и Ох^/Ксч^', а для фотосистемы II — как Ux>/lled2

и 0x2/Red2. Пара 0xi/Red| должна характеризоваться отрицательным значением

окислительно-восстановительного потенциала с тем, чтобы ее компонент Oxj мог принять возбужденный электрон с образованием сильного восстановителя. При этом возбужденный хлорофилл должен превратиться в катион-радикал, который, получив электрон от восстановленного компонента Red(' пары Oxj/Redj, возвращается в исходное состояние и может принимать следующий квант света. Молекула хлорофилла вместе с двумя указанными парами образует реакционный центр фотосистемы I. Роль большого числа других молекул хлорофилла, связанных с хлорофиллом реакционного центра и одни кластер, состоит в собирании квантов света, которые безызлучательиым путем подаются на хлорофилл реакционного центра, т.е. играют роль антенны. Сказанное можно записать в виде следующей фотофизпческой (т.е. пе конкретизирующей природу частиц) схемы:

chl + hi/-> chl*

chl* + Ox, -¦ chl* + Red, (VIII.58) chl* + Red,'-¦ chl + Ox,'

где chl, chl* и chl* — молекулы хлорофилла u основном, электронно-возбужденном и катион-радикальном состояниях. Возвращение в исходное состояние частицы Redi происходит в результате передачи сю электрона следующему переносчику или NADP*, причем для восстановления одной молекулы NA0P* необходимо последовательное поглощение двух квантов света.

В фотосистеме II за возбуждением молекулы хлорофилла следует передача электрона некоторой частице Ox.J, в результате чего образуется катион-радикал

хлорофилла. Он принимает электрон от компонента lledj пары 0x2/Red2, облада-

363

ющей высоким положительным значением окислительно-восстановительного потенциала, в результате чего образуется сильный окислитель-0х2. Этот окисли^-тель принимает участие в окислении молекулы воды до 02. Схему событий, протекающих в реакционном центре фотосистемы II, можно записать в виде

chl + h^- —» chl*

chl* + -¦ chl* + Itetl^ (VIII.5! chl* + Red2-* chl + 0x2

Возвращение частицы 0x2 в исходное состояние Rcd2 происходит в результа-передачи электрона от молекулы воды.

В приведенном виде схемы (VIII.58) и (VIII.59) не являются полными, поскольку в исходное состояние должны вернуться также частицы Ох,' и Red,,'. Это

осуществляется переносом электрона от Red^ к Ох,', т.е. путем передачи электрона

от фотосистемы II к фотосистеме I. При этом на каждую пару перенесенных электронов приходится один акт фосфорилнровання АДФ.

Сведения о химической природе компонентов, осуществляющих описанные процессы, как и в случае системы окислительного фосфорилнровання, пе являются полными. Ниже будут перечислены основные наиболее достоверно установленные и обстоятельно изученные компоненты.

В реакционном центре фотосистемы II присутствуют ионы марганца, принимающие непосредственное участие в окислении воды и, вероятно, выступающие в роли пары 0x2/Redi. Ближайшим акцептором электронов, генерируемых фотосистемой II, является пластошноП (123) — близкий структурный аналог убпхнпопа, существующий в окисленной хнпопдной и восстановленной гндрохпноидпон формах (п = б ? 10):

123

Далее в цепи переноса электронов от фотосистемы II к фотосистеме 1 принимаю участие два цитохрома Ь5М (пли 6Й) и с552 (или /). Следующим компонентом цеп является медьсодержащий белок пласшоциаиии, от которого электрон поступает реакционный центр фотосистемы I. Комплекс, образованный пластохппопом цитохромами Ь559 и с552 и пластоцпанипом, по-видимому, является близким апа логом комплекса III в цепи переноса электронов в митохондриях. При прохожд нии через него пары электронов создается градиент концентрации протопо через мембрану тилакоидов, направленный внутрь мембраны, — рН внутри тпла коида может достигать значений А и ниже. Этот градиент используется вмопти рованной в мембрану тилакоидов АТФазой, аналогичной мптохопдриалыюй обычно обозначаемой как CF0 — CFb где символ С относит ее к хлоропласта (chloroplasts), a F0 и F, обозначают связанную с мембраной гидрофобную и

364

[Oxi/Kad,'!

Fdx

/

?????+?

i_____j

Рис. 103. Схема световых стадии фотосинтеза:

PQ - пластохинон; PC - Пластоцианин; Fdx - ферредоксин; СЫ(1) - фотосистема 1; СЫ(Н) - фотосистема 11. Стрелками указано направление переноса электронов

выступающую из мембраны гидрофильную часть комплекса, причем именно CF, является носителем каталитической активности. Эта часть экспонирована в стро-му, и поэтому АТФ образуется с наружной стороны тилакопда и беспрепятственно поступает в строму для участия в темповых стадиях фотосинтеза.

Фотосистема I посылает электрон иа ферредоксин, который принимает участие в восстановлении NADP*, также происходящем с наружной части тилакоидной мембраны, так что NADP-И сразу поступает в строму.

Из сказанного видно, что для восстановления одной молекулы NADP* до NADP-H необходимо прохождение двух электронов через обе фотосистемы, т.е. поглощение четырех квантов света. Па каждую восстановленную молекулу NADP-II приходится одна образовавшаяся молекула АТФ. Такое соотношение между накоплением NADP·11 и АТФ пе может обеспечить даже потребности основного процесса — восстановления С02 до углеводов (см. jj 9.1). На каждые две молекулы NADP-H требуется три молекулы ? ТФ. Кроме того, АТФ необходим для обеспечения целого ряда других энергетических, синтетических и регуляторпых потребностей растительных клеток. Поэтому в хлоропластах функционирует дополнительный механизм, который обеспечивает фотоепптетнческое фосфорилирование без сопутствующего восстановления ппкотппамндпого кофермента и в котором участвует только фотосистема I. С этой целью поток электронов, поступающих от реакционного центра фотосистемы I па ферредоксин, разделяется па два. Масть их, как уже говорилось, используется для восстановления NADP*, а другая направ-

365

ляется на цитохром 6559 и с него возвращается в реакционный центр фотосистем I, проходя через цитохром Сщ н илатоциании м создавая протонный градиок через тилакопдпую мембрану, используемый для фосфорилирования АДФ. Этот путь получил название циклическою фотосиптешическот фосфорилирования. На рис. 103 представлена вся описанная схема снеговых стадий процесса фотосинтеза в зеленых растениях.

Задачи

8.1. Оцените соотношение между глицеральдстид-З-фосфатом и дмгидрокснацетонфос-фатом в реакции, катализируемой триозофосфатизомеразой в равновесной смеси при стандартных условиях.

8.2. В раствор, содержащий лактатдегид|югеназу, при pll G,0 добавили эквимолярные количества лактата и NAD*. Найдите соотношение компонентов равновесной смеси, полагая, что обе кислоты полностью ионизованы.

8.3. В систему, содержащую мптохондрнальные мембраны, ввели феррицитохром с, восстановленный кофермент Q, I ммоль АДФ и 50 ммоль ортофосфата. По достижении равновесия установлено, что восстановилось 50% феррицнтохрома с и окислилось 50% кофермента Q. В каком соотношении были введены цитохром с и кофермент Q? Оцените соотношение между АДФ и АТФ в равновесной смеси.

8.4. Оцените КПД восстановления одной молекулы NAI)l'*.u результате световой стадии фотосинтеза.

ГЛАВА 9

БИОХИМИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И ЦИКЛЫ

В предыдущей главе показано, что конечные цели биоэнергетики достигаются в результате функционирования систем биохимических превращений, каждое из которых катализир

страница 88
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109

Скачать книгу "Биологическая химия" (8.81Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(11.12.2017)