Биологический каталог




Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию

Автор Д.Д.Николс

2 в этих бактериях, возможно, служит еще одним примером механизма Лундегардта (разд. 1.4; рис. 5.20).

Хлоропласты шпината погружают в кислотную ванну (рис. 4.19), чтобы синтезировать АТР в темноте, а в это время «Z»-cxeMa нециклического переноса электронов генерирует кислород и переносит электроны к отрицательному Е0.

Глава 6

фотосинтетические генераторы протонного электрохимического потенциала

6.1. ВВЕДЕНИЕ

Образование АТР в фотосинтетических сопрягающих мембранах происходит при работе протонного цикла, который имеет много общего с уже описанным для митохондрий. В обоих случаях на непроницаемой для протонов мембране образуется

Au-h+~200 мВ, который затем используется для синтеза АТР протонпереносящей АТР-синтетазой. Последняя практически идентична митохондриальному ферменту, за исключением некоторых деталей (разд. 7.2). Разница между системами состоит,

конечно, в разной природе первичного источника А[гн+, однако и здесь имеется ряд общих компонентов, таких, как цитохромы, хиноны и Fe/S-центры.

Фотосинтетические системы имеют два уникальных устройства: комплекс антенны, поглощающий фотоны, и реакционный центр (РЦ), куда затем направляется поток энергии. Реакционные центры присоединяют электроны при положительном ре-докс-потенциале, а затем после поглощения фотона переходят в возбужденное состояние и освобождают электроны с потенциалом на 1 В более отрицательным. Таким образом, энергия света прямо превращается в энергию редокс-потенциала (рис. 6.1). В случае фотосинтезирующих бактерий этот энергизованный электрон поступает в электронтранспортную цепь, которая возвращает его в РЦ. Разность редокс-потенциалов используется в таком цикле для переноса протонов. В хлоропластах циклический перенос электронов превращается в нециклический. Электроны, получаемые при расщеплении воды через РЦ, электронтранспортную цепь и второй РЦ, переносятся на NADP+, который имеет редокс-потенциал на 1,1 В более отрицательный, чем

пара^-Ог/НгО (рис. 6.1). В хлоропластах происходит не только

перенос электронов против градиента редокс-потенциала, но и

генерация Аи.н+, которая обеспечивает синтез АТР. АТР и NADPH используются затем в цикле Кальвина — темновых реакциях фотосинтеза, в которых фиксируется С02.

132 Глава 6

Н,0 н*

Рис. 6.1. Перенос электронов при фотосинтезе. А. Антенна поглощает фотоны и передает энергию возбуждения на реакционный центр (РЦ). Б. РЦ подает в цепь электроны с отрицательным потенциалом. В. В бактериях электроны возвращаются на РЦ через протонпереносящий комплекс, сходный с комплексом III митохондрий (разд. 5.8). Г. В хлоропластах перенос электронов нецикличен. Электроны отщепляются от воды в одном реакционном центре (PSii) н переносятся по протонпереносящей электронтранспортной цепи иа другой реакционный центр (PSi) и затем на NADP+.

Фотосинтетические генераторы протонного потенциала

133-

6.2. СВЕТОВЫЕ РЕАКЦИИ В ПУРПУРНЫХ БАКТЕРИЯХ

(Обзоры: Parson, Cogdell, 1975; Blankenship, Parson, 1978; Prince, Dutton, 1978)

Сильно пигментированные мембраны фотосинтезирующих организмов работают как антенны, поглощая свет и направляя его энергию к специальным РЦ. При взаимодействии РЦ с фотоном его потенциал полувосстановления резко понижается. В результате электрон может быть перенесен на акцептор, который имеет потенциал на 1 В более отрицательный, чем исходный потенциал РЦ. Энергия фотона с длиной волны 870 нм эквивалентна 1,42 эВ (разд. 3.7), так что процесс превращения энергии происходит с высокой эффективностью.

На каждый РЦ может приходиться от 30 до 3000 молекул хлорофилла в антенне, поэтому исследование спектральных изменений в РЦ на фоне поглощения пигментов антенны сильно затруднено. Трудности удается преодолеть благодаря тому, что в выделенных и очищенных от антенн РЦ способны протекать первичные световые реакции. Активные РЦ были выделены Из хроматофоров различных пурпурных бактерий (Gingras, 1978). Для этого мембраны растворяли в детергенте, а затем использовали общепринятые методы очистки белков.

Хотя РЦ из разных пурпурных бактерий различаются в деталях, все они обычно имеют мол. массу ~ 75 000, состоят из двух или трех полипептидов и содержат 4 молекулы бактерио-хлорофилла (БХ), 2 молекулы бактериофеофитина (БФ), 1 атом Fe и одну или две молекулы убихинона.

Первичный фотохимический процесс в РЦ приводит к изменению Ет димера молекул БХ (димер обычно обозначают как «Р» с указанием основного максимума поглощения, например-Рв7о). Ега.,7 для невозбужденного состояния Р составляет + 470 мВ и резко падает, когда димер-поглощает квант света и переходит в возбужденное состояние (Р*). Превращение Р в Р* происходит менее чем за Ю-15 с и связано с переходом электронов на более высокие энергетические уровни. Это в свою очередь приводит к облегчению отрыва электронов от Р*, т. е. к сдвигу Ет в отрицательную область. После отрыва электрона Р* превращается в Рг*-, где неспаренный электрон делокализован между двумя молекулами БХ (рис. 6.2).

Первичным акцептором электронов служит молекула бактериофеофитина «I». Она является производной молекулы хлорофилла, в которой атом Mg2+ заменен на два протона. Перенос электрона между Р* и I происходит быстрее чем за 10 пс, и в результате образуется бирадикал (БХ)^ ... (БФ)- (обозначаемый PF), имеющий характерный спектр. Исследования выделенного БФ в гидрофобных растворителях показали, что в РЦ он

Возбуждение

|(БХ>2 Стабилизация

БФ Щ UOaj'

БФ" 1% иОд Г |~200ле

Цит.с|Ц^(БХ)2

<г60мко БФ UQi^e>uQI } Протонирование VQfo ~400мкс |—;—Н+

Двухзлектронцые „ворота", после второй вспышки | — Н+

Перенос в общий пул

| UQl UOi^H^UQlo&tjHz

+2е"

Рис 6 2 Линейная последовательность переноса электронов в бактериальном РЦ.' А. Фотохимические реакции. Б. Вторичный перенос электронов.

-500г

Ет.мВ

Цитохромы fcj

Fe/S.

+500 L

Рис. 6.3. Реакционный центр sphaeroides п

ния промежуточных соединений (Dutton, Prince, 1978). Следует отметить, что равновесные значения потенциалов, полученные с помощью РВД^с-п°«н-гшпметоии Гразд 5 2), не всегда применимы к описанию быстрых реакции переноса электронов в РЦ. Так, например, пара UQi/UQ, стабильна' лишь в течение наносекунд при протекании световых реакции.

Фотосинтетические генераторы протонного потенциала

135

имеет Ет--550 мВ, т. е. более чем на 1 В ниже, чем у Р в невозбужденном состоянии (рис. 6.3).

Бирадикал PF очень нестабилен, и за 200 пс электрон передается на следующий акцептор («X»), которым в случае Rhodo-pseudomonas sphaeroides является один из двух связанных хи-нонов («UQi»). Присоединение одного электрона к UQi приводит к образованию аниона семихинона UQ-. Эффективное значение Ет пары UQi/UQ"" составляет —180 мВ. Далее электрон переносится на второй хинон UQn, a UQi принимает протон и образуется UQiH.

Таким образом, UQi осциллирует между окисленной формой и анионом семихинона и никогда не восстанавливается полностью. Напротив, UQn протонируется примерно через 400 мкс после присоединения электрона. Оказывается, UQn не способен передать один электрон суммарному пулу UQ, расположенному вне РЦ. Для этого необходимо, чтобы благодаря переносу второго электрона, происходящему после поглощения второго кванта и последующего второго протонирования, UQnH восстановился до UQnH2. Такой полностью восстановленный связанный хинон передает 2е~+2Н+ суммарному пулу UQ. Две молекулы связанных UQ работают, таким образом, как комплекс, преобразующий одноэлектронный фотохимический процесс в двух-электронный перенос. Как будет показано в разд. 6.3, протонирование связанного UQn играет важную роль в процессе гене-

рации Дин+-

Все описанные компоненты работают в акцепторной части РЦ, однако для прохождения фотохимического цикла должен существовать и путь передачи электронов к РЦ. Эту функцию выполняет цитохром с2, который подает электроны на Р+, что приводит к регенерации Р. Циклический перенос электронов замыкает стадия переноса от пула UQ на цитохром с2, которую мы обсудим в разд. 6.3.

Важнейшим свойством первичного фотохимического перехода является его практическая необратимость. Благодаря большому падению потенциала между Р*, I и X обратный перенос электронов от Х~ на Р+ происходит по крайней мере в 104 раз медленнее, чем прямой. Это является причиной практически идеального квантового выхода процесса: поглощение одного фотона приводит к образованию одного низкопотенциального электрона.

136 Глава 6

6.3. ГЕНЕРАЦИЯ Л|П1 - В ПУРПУРНЫХ БАКТЕРИЯХ

(Обзоры: Gromet-Elhanan, 1977; Jones О. Т. G., 1977; Dutton, Prince, 1978; Wraight et al., 1978)

Каротиноиды представляют собой очень гетерогенный класс пигментов, имеющих длинные, в основном алифатические, боковые цепи. В этот класс входит около 350 соединений, которые встречаются как в хлоропластах, так и в фотосинтезирующих бактериях. Общей особенностью молекул этих соединений является центральный гидрофобный участок, имеющий систему сопряженных двойных связей, которая несет делокализованные электроны и определяет характерный спектр каротиноидов в видимой области. В экспериментах часто используют тот факт, что при образовании сильного электрического поля на сопрягающей мембране спектр поглощения каротиноидов сдвигается на несколько нанометров (рис. 6.4). Здесь следует напомнить, что мембранный потенциал всего в 100 мВ на мембране толщиной в 10 нм соответствует полю в мембране со средней напряженностью 105B-cm~!. Спектральный сдвиг характерен не только для каротиноидов, но в несколько меньшей степени и для хлорофилла. Электрохромные эффекты наблюдаются как в бактериях, так и в хлоропластах, где они были впервые описаны (Junge, Witt,-1968).

Чрезвычайно быстрый ответ каротиноидов на освещение фотосинтетических мембран (менее чем через 20 не) указывает на то, что они регистрируют какие-то первичные процессы переноса заряда в мембране, хотя сами и не участвуют в процессах фотосинтеза. Начальная фаза ответа каротиноидов коррелирует, по-видимому, с переносом электронов от Р* на X. Это указывает на возмо

страница 24
< 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

Скачать книгу "Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию" (1.67Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(27.05.2017)