Биохимия 2 (1984) (1128710), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Такое состояние возникает при высоком соопюшении ~ХАПРНЯХА)ЗР'~. !9АЗ. Протонный градиент через мембрану тнлакондов запускает синтез АТР В 1966 г, Андре Ягендорф (Апдге 1айепдогй показал, что хлоропласты синтезируют АТР в темноте при создании искусственного градиента рН через мембрану тилакоидов. Для возникновения такого преходящего градиента рН хлоропасты погрухсали иа несколько часов в буфер с рН 4. Затем хлоропласты быстро смешивали с буфером рН 8, содержащим А(УР и Р, В результате рН стромы моментально возрастал до 8, тогда как рН полости тилакоидов оставался равным 4. Исчезновение возникшего градиента рН в мембринг тилакоидов сопровождалось вспышкой синтеза АТР (рис.
19.17), Этот показательный эксперимент представляет собою сильный аргумент в пользу хемиосмотической гипотезы синтеза АТР (разд. !4.5). Действительно, механизм синтеза АТР в хлоропластах весьма близок к таковому Иными словами, свет вызывает перенос электронов от НзО к НАТгРН (рис.
19.!5). 191 19. Фотосинтез Связанный фврредоконн эо,а Нзо 02 протонныа градиент — + АТР Поток электронов при нециклическом фотофосфорилировании. Это истинный поток электрона от Н О к )с(А!УР с образованием ХАОРН. Рнс. 19.15. в митохондриях, И при фотифосфорилировинии, и при окислительном фосфорилиравании образование АХР запускиется протонодвижугцей силой. Кроме того, ферментный ансамбль, катализирующий образование АТР в хлоропластах, называемый калтлеьсо.м СГ,— Сро (где С обозначает хлоропласт. а à — фактор), очень сходен с митохондриальным комплексом Г,— Г„. СГ, катализирует образование АТР из АПР и Р,.
Он содержит пары пяти видов субъелиниц и имеет массу 325 кДа. СГ„, солержаший протонный канал, состоит из трех видов Чань П. Генерирование !92 и хранение энергии и и о о о Ф х к з к о о 3 3 ок -~-0,4 о и о субъедиииц. Выпячивания на наружной поверхности мембраны тилакоидов прелставляют собою СГ,-компоненты этих АТР- спнтезир! юшпх комплексов.
Перенос электрона через асимметрично ориентированные фотосистемы 1 и П создает большой протонный градиент через мембрану тилакоилов. Реакция среды в по.юсти тилакоидов стиновится выраженно кислой — ро приближается к 4. Индуцироваиный светом тринслсембранный протонный градиент составляет при.мерно 3,5 единицы рН. Как обсуждалось ранее (разд. !4.5), протонодвижушая сила Ьр складывается из градиента рН и мембранного потенциала. В хлоропластах почти вся величина Ар созлается градиентом рН, тогда как в митохондриях более значителен вклад мембранного потенциала.
Причина этого различия состоит в том, что мембрана тилакоидоа полносзью проннцаема для С! и Мд~'. Индуцируемый светом перенос Н в полость тилакоидов сопровождается или Свявемныи ферредо — 0,6 кспм Растворимый ферредоксин Сут бзьз Сут с +0,4 Е вотан Рис. 19.16. !9. Фотосинтез 193 3Е и $ о с й й Ь о 3 Ь с и с о х О Поток электронов при циклическом фотофосфорилировании. Поглощение фотона сопровождается переносом электронов с Р700, реакционного центра фотоснстемы 1, на связанный ферредоксип. Электроны возвращаются на Р700. переносом С) в том же направлении, или переносом Мй~ ' (одного на 2Н ) в противоположном направлении. Таким образом, при этом поддерживается электроиейтральность и не происходит генерирования мембранного потенциала. Протонодвижущая сила через мембрану тилакоидов, равная 0,2 В, эквивалентна примерно 4,8 акал на моль протонов.
На одну молекулу синтсзирусмого АТР через комплекс СЕ'3--Сро протекает около трех протонов, что соответствует потреблению свободной энергии в количестве 14,4 ккал в рисчетс на моль АТР, Когда градиент рН меньше двух единиц, синтеза АТР не происходит, потому что при этом слишком мала движущая сила. СГ3 находится на обращенной к строме поверхности мембраны тилакоидов, и, следовательно, синтезированный АТР высвобождается в полость стромы. Подобно этому высвобождается в полость стромы и МАОРИ, образованный фотосистемой 1. Таким образом, АТР и 73)АВРН, продукты световых рсакцид фотосинтеза, локализо- протонный ттьдиемт-э Атр вины таким образом, чтобы обеспечить на- следующие темновыс реакции.
в ходе ко- торых происходит прсвраьцснис СОз в угле- воды. 19.14. Исследование пути углерода с использованием импульсной радиоактивной метки В 1945 г. Мелвин Кальвин (Ме1у)п Са1у)п) н его сотрудники начали серию исследований, проливших свет на темновые реакции фотосинтеза. Они использовали в своей работе одноклеточную зеленую водоросль 03)огсИа, поскольку этот организм легко и с высокой воспроизводимостью культивируется. Позднее оказалось, что полученные ими результаты могут быть распространены на большое множество фотосинтезируюших организмов, от фотосинтезируюших бактерий до высших растений. Целью предпринятой ими работы было выяснение пути, обеспечивающего фиксацию СО, с образованием углевода. Стратегия эксперимента состояла в том, чтобы, используя метку 34С, проследить превращения СОз.
Радиоактивный '~СОз вводили в освещаемую суспензию водоросли, в которой протекал фотосинтез с использованием обычного СОз. По прошествии определенного времени водоросль убивали, вливая мвмврвнв Инкубвцик в течение нвскслькик чвоов | Быстрое ививненив ри внеенвв среды дооввление АПР и Р, Атр Рис. 19.18. Рис.
19.17. Синтез АТР хлоропластами при наличии градиента рН. суспензию в спирт, что блокировало все ферментативные реакции. Радиоактивные соединения водоросли разделяли и идентифицировали методом двухмерной хроматографии на бумаге. Бумажные хромат.ограммы помещали затем под пресс вместе с фотопленкой, которая чернела в тех местах, где на бумаге находилось радиоактивное пятно. В своей Нобелевской лекции Кальвин отметил, что нх первоначальные данные относились кк количеству„ положению и интенсивности обусловленных радиоактивностью почерневших участков.
К сожалению, бумага сама не печатает названия этих соединений, и в тече- Часть И. Генерирование 194 в хранение энергии ние последующих лесяти лет наше основное занятие состояло в том, чтобы правильно определить природу соелинений на этих по- черневших участках пленкив. 19.15. СОт реат ирует с рибулозобисфосфатом с образованием двух фвсфоглицератов Радиохроматограмма, получаемая после 60 с освещения, оказалась настолько сложной (рис.
19.19), что на ней невозможно было отличить самый ранний промежуточный пролукт в процессе фиксации СО . Однако после освещения в течение всего лишь 5 с картина была значительно проще; на хромато~рамме присутствовало только олно явное радиоактивное пятно, которое оказалось 3-фтэсфоглицерато и. Образование 3-фосфоглицерата в качестве первого обнаруживаемого радиоактивного промежуточного продукта наволило на мысль, что акцептором СОт служит лвухуглеродное соединение.
Оказалось, что это не так. Действительная последовательность реакций гораздо сложнее: СО, Н,О Са Са ~з + 3 1000 А Электронная микрофотография мембран тилакоидов шпината, полученная методом замораживания — скалывания. Видна правильная решетка трансмембранных частиц. (Печатается с любезного разрешения л-ра Кеппег)т М)!1ег.) СН ОРО н 4-он СОО н,о Рнбулоео-э,б-бнефоофет Промежуточное дее молекулы лерекодное соединение Зфоефотлнцерете э.фоофотлн дерет Ф 195 19.
Фотосинтез ~э. Молекула СО, конденсируется с рибулоэо-1,5-бисднфосфатом с образованием короткоживушего шестнуглеродного соединения, которое быстро гндролизуется до двух молекул 3-фосфоглицерата. Суммарная реакция носит высокоэкзергонический характер (ЛОо = 12,4 ккал!моль). СНеОРОе 0 СНеОРОет 0 С О Р~ — С-ОН ! С + 1 0' 1 0 Реакция катализируется рибулоэо-15-бисфосфат — кирбакгилаэой, которая локачизована на обращенной к строме поверхности мембран тилакоидов. Этим ферментом очень богаты хлоропласты; на его долю приходится более 16;: обшего содержания в них белка.
Рибулозо-1,5-бисфосфат — карбоксилаза, вероятно, является белком, содержащимся в биосфере в наибольшем количестве. Он состоит из восьми больших (55 кДа) н восьми малых (15 кДа) субъелиннц, расположенных в виде двух слоев (рис. 19.20). Большие субъединицы катали- тически активны и в отсутствие малых субъединиц, которые выполняют регуляторную роль.
Фермент является в одно н то же время и оксигеназой (разд. 19.20), н карбокснлазой. 19.16. Образование фрунтозо.б-фосфата н регенернрование рибулозо-!,5-бнсфосфата Этапы превращения 3-фосфоглицерата во фруктозо-6-фосфат (рис. 19.21) подобны таковым в пути глюконеогенеза (разд. 15.13) с той лишь разницей, что глицеральдег.ид-3- фосфат — дегидрогеназа хлоропластов специфична в отношении )ч(А)3РН, а не ХА(3Н. В результате этих реакций СО, переходит на уровень гексозы. Остается лишь регенерировать рибулозобисфосфат, акцептор СО, на первой темновой стадии.
Проблема сводится к образованию пятиуглеродного сахара из шестиуглеродного и трехуглеродного сахаров. Оно осуществляется в ходе реакций, катализируемых тлранскетлолазай н альдолаэай. Транскетолаэа участвует также в преврашеннях по пентозофосфатному пути (разд. 15.4). Напомним, что транскетолаза, фермент, использующий в качестве Рнс. 19.19. Раднохроматограммы освешенных суспензий водоросли через 5 и 60 с после введения в систему СО,. (Печатается с любезного разрешения д-ра 3.
А. Ваяя)тат.) Рис. 19.20. Схематическое изображение сгруктуры рибулозо-1,5-бисфосфат — карбоксилазы. (Печатается с любезного разрешения д-ра (Уау1о Е1зепЬегя.) простегической группы тиаминпирофосфат, переносит двухуглеродный фрагмент (СН,ОН=-СО- — ) с кетозы на альдозу. Альдолаза осуществляет альдольную конденсацию межлу дигидроксиацетонфосфатом и альдегидом. Фермент зтот высокоспецифичен для дигидроксиацетонфосфата, но реагирует с множеством альдегидов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
