Биологический каталог




Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию

Автор Д.Д.Николс

обладает замечательной способностью окислять Н20 (для пары Н20/~ 02?,m7=+820 мВ). Первичным до-

142 Глава 6

S+2H

Нг0 ,/?Ог+2Н+

Пространство внутри тилакоида

Рис. 6.10. Расположение переносчиков электронов в мембране хлоропластов (Witt, 1979).

нором электронов, который обозначают как Peso, по-видимому, является хлорофилл а. Как и в случае фотосистемы I, электрическое поле на мембране возникает менее чем за 20 не. Первичным акцептором электронов служит пластохинон Хзго, который напоминает UQi в бактериальной системе и может находиться в двух состояниях: полностью окисленном и в виде аниона семихинона (PQ-). Как и в случае бактериальных РЦ, в цепь включена, по-видимому, и вторая молекула связанного PQ, которая работает как двухэлектронный преобразователь при переносе электронов в суммарный пул хинонов. Никаких интерме-диатов между Peso и Х32о пока не обнаружено.

Основным донором электронов для фотосистемы II является Н20. Предполагается, что специальная ферментная система, обозначаемая через «S», отдает Peso четыре электрона, а затем окисляет 2Н20 до 02 + 2Н++4е-. Связь между фотосистемой II и пластоцианином, который восстанавливает фотосистему I, осуществляется через суммарный пул PQ. Пул пластохинонов является как бы «электронным буфером» между фотосистемами и, возможно, играет роль Н-ветви в митчелловской петле, обеспечивая перенос 2Н++2е_ во внутреннее пространство тилакоидов (рис. 6.10).

Предполагается, что функции хинонов в хлоропластах, как и в случае митохондриального комплекса III (разд. 5.8), в пурпурных бактериях (разд. 6.3) еще более сложны (Hauska, Trebst, 1977). Возможно, оии вместе с цитохромами типа Ь образуют цикл, аналогичный Q-циклу в митохондриях (разд.5.8).

Сдвиг спектра каротиноидов указывает на то, что обе фотосистемы ориентированы поперек мембраны тилакоидов. В ответ на освещение тилакоиды способны накапливать липофиль-

Фотосинтетические генераторы протонного потенциала

143

ные анионы (разд. 2.5.4). Следовательно, при работе фотосинтетической цепи переноса электронов пространство внутри тилакоидов заряжается положительно. Важные данные об ориентации фотосистемы II были получены в экспериментах, где наблюдали за выходом протонов, образующихся при расщеплении Н20. Оказалось, что они обнаруживаются во внешней среде лишь после добавления протонофора, и, следовательно, восстановление воды происходит на внутренней стороне мембраны тилакоидов. Хз2о должен быть расположен вблизи от наружной поверхности мембраны, так как мягкая обработка трипсином делает его доступным для непроникающих акцепторов электронов, таких, как феррицианид. Ферредоксин и ферредоксин—NADP+-pe-дуктаза доступны для добавленных антител. Этот факт указывает на то, что фотосистема I ориентирована аналогично фотосистеме II (рис. 6.10).

Хотя природный путь переноса электронов в хлоропластах не является циклическим, в них можно искусственно индуцировать циклический перенос, если добавить вещества типа феназинме-тосульфата (PMS), которые могут служить как донорами, так и акцепторами электронов в фотосистеме I. Эти вещества восстанавливаются на наружной стороне мембраны, затем диффундируют через мембрану и вновь отдают электроны фотосистеме I на внутренней стороне. Если такой реагент является переносчиком Н-атома, то может возникнуть искусственная петля, заряжающая мембрану и способная поддерживать циклическое фотофосфорилирование (рис. 6.11).

6.5. ПРОТОННЫЙ ЦИКЛ В ХЛОРОПЛАСТАХ

(Обзоры: Jagendorf, 1975; Trebst, 1976; Avron, 1977, 1978; Hauska, Trebst, 1977; Reeves, Hall, 1978).

Ориентация электронтранспортной цепи и АТР-синтетазы (разд. 1.3) в хлоропластах указывает на то, что протонный цикл в них работает в направлении, противоположном тому, которое характерно для интактных митохондрий. Хлоропласты с разрушенной наружной оболочкой способны при освещении поглощать протоны. Образующийся при световых реакциях на мембране тилакоидов Дф затем в течение секунд превращается в

2Н*

Рис. 6.11. Искусственный циклический перенос электронов в хлоропластах, сопряженный с транспортом протонов. PMS, PMSH2 — соответственно окисленная и восстановленная формы N-метилфеназинметосуль-фата.

144 Глава 6

ДрН в результате перераспределения ионов Mg2+ (в интактных хлоропластах) или С1~ (в разрушенных; рис. 4.8). Измерение накопления радиоактивных аминов или тушения флуоресценции 9-аминоакридина показывает, что в стационарном состоянии ДрН может превышать 3 единицы. Рассеивание промежуточного Дг[т происходит настолько быстро, что его удается измерить лишь по сдвигу спектра каротиноидов, но не по перераспределению меченых анионов.

За начальными потоками протонов после включения света можно следить спектрофотомегрически с помощью рН-индикато-ров, таких, как нейтральный красный. Хотя перенос электронов от фотосистемы II на PQ происходит за 2 мс, константа скорости поглощения протонов из среды составляет ~60 мс. Это указывает на то, что на наружной поверхности мембраны тилакоидов существует диффузионный барьер для протонов.

Как и в случае митохондрий, при определении стехиометрии Н+/2е~ для хлоропластов возникают значительные трудности. В литературе нет согласия относительно этой величины. Так называемая «Z-схема» (рис. 6.1 и 6.10) предсказывает, что при переносе каждых 2е~ внутри тилакоидов образуется 2Н+ благодаря фотолизу воды и 2Н+ поглощаются из внешней среды при образовании PQH2. Стехиометрия протонов и электронов при работе фотосистемы I зависит от природы конечного акцептора электронов. В том случае, если акцептируются 2Н-атома, из среды поглощаются 2Н+ (рис. 6.10), а при стехиометрическом восстановлении природного акцептора — NADP+ (который присоединяет 1Н++2е-) поглощается лишь один Н+. Если же использовать чисто электронный акцептор, например феррицианид, то протоны вообще не поглощаются. Во всех этих случаях внутри тилакоида выделяется 2Н+ благодаря реокислению PQH2 (рис. 6.10).

АТР-синтетаза в хлоропластах (разд. 7.2) сходна с аналогичным митохондриальным ферментом. Если латентный фермент

активировать, создав на мембране Ацн+(разд. 7.2), то затем в темноте можно наблюдать АТР-зависимый транспорт Н+ внутрь тилакоидов. Как и для других АТР-синтетаз, данные о стехиометрии Н+/АТР в случае хлоропластов противоречивы и пока не позволяют сделать выбор между величинами 2 и 3 (Hauska, Trebst, 1977).

Фотосинтетические генераторы протонного потенциала

145

6.6. БАКТЕРИОРОДОПСИН И ПУРПУРНЫЕ МЕМБРАНЫ ГАЛОБАКТЕРИЙ

(Обзоры: Henderson, Unwin, 1975; Stockenius, 1976; Stocke-nius, 1979; Eisenbach, Caplan, 1977, 1979)

Галобактерии являются экстремальными галофилами. Они живут в основном в соленых озерах, так как для их роста необходимы очень высокие концентрации NaCl и солей Mg2+. Наиболее изученный вид галофильных бактерий — Halobacterium halobium. При росте в аэробных условиях эти бактерии имеют обычную дыхательную цепь, однако, если рост происходит на свету и при пониженной концентрации кислорода, они начинают синтезировать на мембране пурпурные бляшки. Последние можно выделить, уменьшая осмолярность среды, поскольку при этом они сохраняют свою интактную структуру, тогда как остальная мембрана полностью разрушается. Бляшки состоят из плоских слоев, образованных одним белком — бактериородопси-ном, который упакован в виде гексагональной кристаллической структуры. Этот белок составляет около 75% сухого веса мембраны, остальные 25% приходятся на фосфолипиды. Белок состоит из одного полипептида с мол. массой 26 ООО. Его окраска обусловлена молекулой ретиналя, который через шиффово основание ковалентно связан с остатком лизина (рис. 6.12). Упорядоченное двумерное расположение бактериородопсина в пурпурных мембранах позволяет провести очень точную реконструкцию его структуры по электронным микрофотографиям. С разрешением в 7 А было установлено, что он образует кристаллическую структуру ЗЭ-типа (Unwin, Henderson, 1975; Henderson, Unwin,

1-11_11_

Полностью транс-ретиналь Шиффово Остаток основание лизина s протониро-ванной и ¦депротониро-ванной формах

Рис. 6.12. Хромофор бактериородопсина — ретиналь.

146 Глава 6

Фотосинтетические генераторы протонного потенциала

147

Рис. 6.13. Модель молекулы бактериородопсина при рассмотрении в плоскости, перпендикулярной плоскости мембраны (Henderson, Unwin, 1975).

1975). Белок содержит 7 а-спиральных участков, каждый из которых пересекает мембрану (рис. 6.13).

Клетки Н. halobium способны использовать энергию света для выброса протонов и синтеза АТР, несмотря на то что в них отсутствует хлорофилл. Было установлено, что перенос протонов происходит при работе бактериородопсина. Для этого выделенные пурпурные мембраны были реконструированы в замкнутые мембранные везикулы с помощью добавленных фосфолипидов. Такие везикулы имеют ориентацию мембраны, противоположную

Н+

Рис. 6.14. Фотохимический цикл бактериородопсина (Stoekenius et al., 1979).

ориентации мембран интактных клеток, и способны поглощать протоны при освещении. Рэкер и Стокениус (Racker, Stoekenius, 1974) добавили к этим везикулам АТР-синтетазу из сердца быка и наблюдали светозависимый синтез АТР. Значение этого эксперимента состоит в том, что его очень трудно объяснить с позиций любой из гипотез «прямого сопряжения». Действительно, бактериородопсин и АТР-синтетаза из бычьего сердца никогда не «встречались», и очень маловероятно, что они способны к прямому взаимодействию.

Бактериородопсин является простейшей из известных протонных помп. Он отличается от всех прочих светозависимых или дыхательных протонных помп тем, что транспорт Н+ в нем не связан с переносом электронов. Последовательность фотохимических реакций бактериородопсина очень сложна (рис. 6.14) и выяснена еще не до конца. При освещении пигмент выцветает, и при этом происходит векторное освобождение протонов на наружной стороне мембраны. Обесцвеченная форма пигмента, обозначаемая через «М», затем вновь превращается в пурпурную, что сопровождается захватом протона из внутриклеточного пространства. С помощью низкотемпературной и л

страница 26
< 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
(26.09.2017)