И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 46
Текст из файла (страница 46)
При этом освобождается энергия, количество которой определяется разностью редокс-потенциалов реагирующих систем и может бьггь рассчитано по формуле Лб' = -пГЛГ„', где Л6' — стандартное изменение свободной энергии (кДж/моль); п — число электронов, участвующих в реакции; Р— число Фарадея (96,4 кДж В '. моль '), 184 ЛЕ,' — разность стандартных окислительно-восстановительных потенциалов реагирующих сисгем. Расчеты показывают„что для образования макроэргической связи АТФ достаточна разность окислительно-восстановительного потенциала донора и акцептора электрона в 0,25 В. 3.7.1.
ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЕ ФОСФОРИПИРОВАНИЕ. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ, ИХ ФИЗИОПОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Различают два основных типа фатофосфорилирования — циклическое, сопряженное с циклическим потоком электронов в ЭТЦ, и нециклическое, сопряженное с нециклическим потоком электронов от НзО к НАДФ'. Разновидностью неци клич ескога типа является нсевдоциклическое фотофосфорилироеание, при котором акцептором электоронов, мобилизованных из воды, служит кислород.
Физиологическое значение отдельных типов фагофосфорилирования различно. Циклическое фотофосфорилировоние — один из наиболее древних процессов запасания солнечной энергии в форме АТФ. Система включает циклическую редокс-цепь, сопряженную с ФС! (см. рис. 3.33). Электроны от возбужденного Пхв и восстановленного Ре-Я-центра с высоким отрицательным потенциалом ( — 0,7 В) через отдельные переносчики (ФД, РО, цитохром Ьь7-'комплекс и пластоцианин) возвращаются обратно к П,ю (+0,52 В), и в итоге вся освобождаемая при этом окислительно-восстановительная энергия запасается в форме АТФ. Процесс циклического фотофасфорнлирования не сопровождается ни выделением Оз, ни синтезом восстановленных кофакторов (НАДФН) и может быль представлен уравнением Ьч АДФ ~ НзРОл АТФ+ НзО Естественными кофакторами циклического фотофосфорилирования являются ФД, ФМН, хиноны.
Искусственным кофактором циклического фотофосфорилирования, широко применяемым в современных исследованиях, служит феназинметосульфат (ФМС), растворимый в липидах переносчик электронов и протонов. ФМС, восстановленный на наружной стороне мембраны компонентами акцепторного комплекса ФС! и пратонированный, передвигается через липидный матрикс мембраны во внутритилакоидное пространство, где отдает электроны на пластоцианин или непосредственно на П,вв, при этом протоны освобождаются и участвуют в генерации протонного градиента. Циклическое фотофосфорилирование играет важную роль в различных метаболических процессах клетки. Оно служит источником дополнительного снабжения АТФ для восстановления СОз в цикле Кальвина и ассимиляции ионов 1МН4, требующих высокого отношения АТФ/НАДФН, а также источником энергии для процессов синтеза белков и полисахаридов.
У группы С4-растений в клетках обкладки циклическое фотофосфорилирование является единственным источником АТФ. Исследования с использованием акустических методов показали увеличение активности циклического фотофосфорилирования и его зашитную роль в стрессовых условиях (тепловой и солевой стрессы, фотоингибяравание). 185 Нециклическое фотофос4орилирование, открытое Д,Арноном в 1957 г., сопряжено с нециклическим потоком электронов от воды к НАДФ'. Нециклический тип фотофосфорилирования — эволюционно более позлний процесс, требующий совместного лействия ФС! и ФС!1. Энергия света, поглощаемая двумя фотосистемами, преобразуется не только в форму макроэргических связей АТФ, но также в химический потенциал восстановленного НАДФН и молекулярного кислорода: л» АДФ + НзР04 + НАДФ'+ НгΠ— АТФ + НАДФН + Н' + '/зОз Определение нециклического фотофосфорилирования позволяет учесть количество не только молекул АТФ, образующихся в холе опыта, но и количество перенесенных при этом электронов.
Величина отношения Р/2е — важный показатель при исследовании процесса нециклического фотофосфорилирования, позволяющий судить о степени сопряжения процессов фотофосфорилирования с транспортом электронов в ЭТЦ в зависимости от условий эксперимента. Физиологическое значение нециклического фотофосфорилирования определяется его ведущим вкладом в общую энергетику клетки. Нециклическое фотофосфорилирование является не только основным источником энергии для эндэргонических реакций, протекающих в растительной клетке. В ходе этого процесса образуются другие очень важные метаболиты и в первую очередь высоковосстановленные соединения — Ре-8-белки (-0,7 В), ФД„(-0,43 В), НАДФН (-0,32 В), необходимые для восстановления СОз в углеродных циклах и образования ряда регуляторных систем (ФД-тиорелоксин-регуляторная система, медиаторы действия света). 3.7.2.
МЕХАНИЗМ СОПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ТРАНСПОРТА С ФОРМИРОВАНИЕМ ТРАНСМЕМБРАННОГО ГРАДИЕНТА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА Важнейшим интермелиатом в реакциях превращения энергии в биологических системах является трансмембранный градиент электрохимического потенциала. В соответствии с хемиосмотической теорией П. Митчелла и развиваемой в настоящее время ротационной теорией П.
Бойера АТФ синтезируется в хлоропластах в результате сложного комплекса сопряженных процессов: транспорта электронов, генерации электрохимического потенциала и преобразования его энергии в серии конформационных изменений отдельных субъединиц сопрягающего комплекса, передачи конформационных сигналов в каталитические центры. Механизм сопряжения электронного транспорта с генерацией электрохимического потенциала рассматривается в настоящее время в рамках хелиосмотическои' теории Митчелла (теории протонного сопряжения), сформулированной в 1961 г.
и развитой в последующие годы (1966). Теория Митчелла включает два основных положения: !) энергия, освобождаемая в редокс-реакциях, первично запасается в форме протонного градиента (ЬрН); 2) признается необходимость сопрягающей мембраны, непроницаемой для Н . При работе ЭТЦ сопряженно с транспортом электронов происходит энергозависимый перенос 186 протонов через гидрофобный слой мембраны из стромы в люмен, направленный против электрического и концентрационного градиента.
Сопрягающей мембране в теории Митчелла отводится ведущая роль в процессе фотофосфорилирования. Благодаря тому, что мембрана непроницаема для протонов, может быть создана разность свободных энергий в двух водных фазах, разделенных мембраной. Тилакоидная мембрана ориентирует комплексы, участвующие в транспорте электронов, таким образом, что создается векторный поток электронов и протонов через мембрану. В результате сопряженных процессов переноса электронов (на стромальную поверхность мембраны) и Н (внутрь тилакоидов) возникает градиент протонов (ЛрН), который служит источником энергии для синтеза АТФ.
Значительный вклад в суммарное значение разности энергий двух фаз, разделенных мембраной (строма, люмен)„дает образующийся при работе ЭТЦ электрический мембранный потенциал. Электрическое поле на мембране образуется в течение !О мс при первичном фотохимическом разделении зарядов.
В результате определенного расположения и взаимодействия участников редокс-реакций в мембране редокс-энергия непосредственно преобразуется в энергию электрохимического потенциала (Лрн ), который представляет собой сумму электрической (Л~у) и осмотической (ЛрН) энергии и является источником свободной энергии для клетки: Лйн = 2,37!ТЛРН + ГЛ~у. Электрохимический трансмембранный градиент Лрц. формируется в результате сопряжения электрогенных и протолитических реакций при работе ЭТЦ. В нециклическом фотофосфорилировании известны три электрогенные реакции, в результате которых происходит перенос электронов с внутренней на наружную, стромальную поверхность мембраны с запасанием энергии в форме электрического мембранного потенциала.
Две реакции имеют место в реакционных центрах ФС! и ФС1!. Они связаны с быстрым переносом электрона от фотовозбужденного пигмента к конечному компоненту акцепторного комплекса, локализованному на стромальной поверхности мембраны. Одна, медленная электрогенная реакция связана с работой О-цикла, с переносом электрона от молекулы Р()Нь окисляемой Ее-Я-белком Риске„к высокопотенциальному цитохрому Ьм При работе ЭТЦ электрогенные реакции сопряжены с протолитическими.
В реакциях трансмембранного переноса протонов из стромального пространства в люменальное значительная роль принадлежит цитохромному Ь67-'комплексу. При окислении пластохинола в центре ()~ цитохромного комплекса удаление двух электронов из молекулы РОНз сопряжено с освобождением двух Н, которые посчупают в люмен, а окисленный пластохинон может быть снова восстановлен в ()в центре (ФСН) или ()с-центре (цитохромный Ь67-'комплекс) на стромальной стороне мембраны с использованием двух протонов из стромы. Другая реакция образования протонного градиента обусловлена процессом фотоокисления воды ФСИ, в результате которого при разложении двух молекул Н20 выделяется молекулярный кислород, электроны поступают в ЭТЦ, а в люменальное пространство высвобождаются четыре протона.
Перенос протонов через мембрану происходит также при циклическом транспорте электронов вокруг ФС11 при участии цитохрома Ь559. 187 Таким образом, энергия, освобождаемая при переносе электронов в отдельных участках ЭТЦ, преобразуется в осмотическую и электрическую энергию градиента электрохимического потенциала. Градиент электрохимического потенциала, согласно ротационной теории П.Бойера (1993, 1997), служит источником энергии лля конформационных изменений белков АТФ-синтазного комплекса СРа-СРн в результате которых в каталитическом центре сопрягающего фактора 1 (СР1) образуется молекула АТФ из АДФ и Фн. 3.7.3.
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И МЕХАНИЗМ РАБОТЫ АТФ-СИНТАЗНОГО КОМПЛЕКСА Рентгеноструктурные и генетические исследования, проведенные в последние годы, позволили выяснить пространственную организацию АТФ-синтазного комплекса, предполагаемая структура которого дана на рис. 2.2 (см. гл. 2).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
