С.С. Медведев - Физиология растений (PDF) (1134225), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Комплексы имеют строгоопределенную ориентацию в тилакоидной мембране . Поэтому фотолиз воды происходит в полости тилакоида, а восстановление NADP+ до NADPH- в строме. Синтез АТРидет в строме за счет элек'l~рохимического градиента ионов н+, накапливающихся в полости тилакоида.",АТРМс\lбршшТ\\."ШIШIШаРис .502.12.Транспорт электронов и протонов в мембране тилакоидов(Taiz, Zeiger, Blankenship, 1998}.Наиболее ранними акцепторами электронов в фотосистеме являются феофитин идва хинона - Qл и Qв.
Далее электроны поступают на липидорастворю.1ый пул пластохинонов , которые работают как <<двухэлектронные ворота~>, поскольку в ходе окисленияпластогидрохинона(QH 2 ) один из двух электронов по линейной цепи направляется вI, а второй электрон поступает в цикл цитохромов Ьв (рис. 2.13). Такимобразом достигается увеличение коЛичества протонов, перекачиваемых через мембрануфотосистемувнутрь тилакоида.l\'Iеханизм транспорта электронов в комплексе цитохромов Ьв/f удобнее представитькак двухэтапный процесс, в ходе которого происходит последовательное окисление вначале одной (А) , а затем второй {Б) молекул пластогидрохинона (см.
рис .Комплексцитохромов b6А -первоеокисление2.13)./f':.----=,...--,...,..._QH 2outМембранатилакоидае- I[J.:'\~ ~П-7001~ш... Фс-1Б- второеокислениеQH 2МембранатилакоидаQРис . 2.13.(Taiz, Zeiger,Механизм транспорта электронов и протонов комплексом цитохромов Ьб //Вlankenship ,1998).На первом этапе {А) после окисления пластагидрохинонапередается на белок Риске (FeSя) и далее на цитохромJ,филл П-700.
Второй электрон идет на низкопотенциальныйвосстановленного гемаL{QH 2 )один из электроновпластацианин (Пц) и хлоро{L)гем цитохро!\Iа Ьв . Отэлектроны поступают на высокопотенциальный гем (Н) цитохрома Ьв и далее на пластохинон(Q),который восстанавливается в семшеинон(Q•).В51итоге два протона выкачиваются в полость тилакоида. На втором этапе (В) происходитокисление еще одной молекулы пластагидрохиноналинейной цепи от белка РискемуI.(FeSR)Второй же электрон через низкопотенциальныйгемы цитохрома Ьв поступает на семихинон(QH 2 ),(Q•)Один из электронов идет по(QH 2 ).через цитохромJ,на пластацианин и фотосисте(L)и высокопотенциальный (Н)и восстанавливает его до гидрохинонапри этом происходит связывание двух протонов из стромы (см.
рис.оно·он,с(r•е-+~н,сq•1неН е3о+ --++2~неСемихин он(Q)(Q-;-)3(ен1н е32jнз~оно-н е (тоH 3eq~ Rн+3Хин он1е-~32.13):Гидрохинон(QH2)-е=еН-еН ) -Н29ПластохиноноВ результате еще два протона попадаКУТ в полость тилакоида. Таким образом, в процессе транспорта электронов через комплекс цитохромовпоставляемые в фотьсистемуI,b/fна каждые2через тилакоидную мембрану переноситсяэлектрона,4протона.Формируемый градиент ионов н+ далее используется на синтез АТР.Помимо линейного, или нециклического, пути электронов от воды к окисленному ферредоксину, в фотосистемеIсуществует ци11:ли'Чес11:иu транспорт эле11:тронов,в котором также принимают участие комплекс цитохромов Ьв/f и пул пластохинонов.В случае циклического пути электроны от ферредоксина идут не на восстановлениеNADP+, а переносятся на пластохиноны и далее на комплекс цитохромов Ьв/f (см .рис.
2.9). Единственным результатом такого циклического пути является создание протонного градиента на тилакоидной мембране, который используется в синтезе АТР.Циклический поток электронов обычно незначителен, однако его активность, например, в клетках обкладки С 4 -растений может существенно возрастать.2.4.4.ФотофосфорилированиеРезультатом переноса электронов от фотосистемыIIцесс трансформации энергии окисления гидрохиноновк фотосистеме(QH 2 )Iявляется пров электрическую энергию - электрохимический градиент ионов н+ на мембране тилакоида. Дальнейшиеэнергетические превращения на мембране тилакоида уже осуществляются АТР-синтазным комплексом, в котором происходит трансформация градиента ионов н+ в энергиюмакроэргической связи АТР.
В связи с этим хотелось бы отметить, что механизм действия большинства коммерческих препаратов гербицидов заключается в прерываниипотока электронов между фотосистемамитеза АТР и52NADPH.IIиI,что в итоге блокирует процессы синХемиосмотическиймеханизмсинтезаАТР. Механизм фосфорилированияADP, сопряженный с работой электрон-транспортной цепи на сопрягающих мембранах,объясняет хе.миос.моmи"tес-к:ая теория, разработанная в 1961- 1966 гг.
применительно кмитохондриям английским биохимиком, Нобелевским лауреатом 1978 г. Питером Митчеллом (Р. Mitchell).Он ввел понятие соnрягающей .ме.мбранъt, т. е. мембраны, на которой процесс транспорта протонов сопряжен с процессом синтеза АТР. Такие мембраны , по его мнению,должны быть непроницаемы для протонов и иметь электрон-транспортную цепь, в которой переносчики электронов и протонов чере.цуются с переносчиками только электронов . Сущность теории ~lитчелла можно свести к двум положениям: во-первых, электрон-транспортная цепь функционирует таким образом, что на мембране возникаетэлектрохимический градиент ионов н+, а во-вторых, обратный ток ионов н+ черезпротонный канал сопровождается образованием энергии фосфатной связи АТР.В1967г.
Андреа Ягендорф (А. Т.Jagendorf)использовал теорию Митчелла дляобъяснения процессов фотофосфори.лирования на тилакоидной мембране. На рис.2.148представлена схема его экспериментов. Изолированные из хлоропластов граны с рНпомещали в буферный раствор с рН4.Затем граны с рН44.После инкубации рН в гранах выравнивался допереносились в буферный раствор с рН8.Таким образом натилакоидных 1\Iембранах искусственно задавался градиент протонов, который обычноформируется при фотохимических процессах (внутри тилакоида- рНрН8).В этих условиях после добавления в сре.цуADP4,а снаружи и Рн в темноте синтезироваласьАТР. Эти эксперименты являются хороiШiм подтверждением применимости хемиосмотической теории Митчелла для объяснения процессов, происходящих при фотофосфорилировании в хлоропластах./Граны хлоропластов<@>\·F\-АDР+Рн\1®\-1@J\~~~Рис.2.14 .Схема экспериментов Ягендорфа(Jagendorf, 1967}.Строение и функционирование АТР-синтазного комплекса.
Синтез АТРпри фосфорилировании осуществляет АТР-синтаза (АТРаза), или сопрягающий фактор (рис.2.15).Этот фермент с молекулярной массой около400кДа состоит изных частей: гидрофобной, расположенной в тилакоидной мембране(CF 0 ),2крупи гидрофильной, находящейся в строме(CF 1 ). Протоны проходят через канал, формируемый(CF0 ), попадают в комплекс белков CF 1 , где процесстранспорта ионов н+ сопрягается с процессом фосфорилирования ADP и образованияАТР. В СF 1 -комплекс входит 5 типов полипептидов: {3 (три), а (три), 'У (один), 8 (один)белками, входящими в состави е (один) . Каталитический центр располагается на ,8-субъединицах.
Другие пептидывыполняют обслуживающие функции. В СF 0 -комплекс входит4типа пептидов (а, Ь,Ь' и Ct2)·53Н+По: IОС"IЬ лы акон;щРис.2.15.Строение АТР-синтазы хлороnластов(Boyer, 1997}.АТР-синтаза играет ключевую роль в процессах трансформации световой энергиив хлоропластах и запасания ее в форме макроэргической связи АТР. Для объяснеuиямеханизма функционирования АТР-синтазного комплекса лучше всего подходит гипотеза, предложенная Полем Бойером (Р.D. Boyer, 1993г. ). Наиболее принципиальньшмоментом этой гипотезы является энергозависимое высвобождение АТР от фермента.Предполагается , что в ходе катализа ')'-субъединица работает как стержень-эксцентрик,который попеременно вращается то против{3- ,то против о-субъединиц.
Энергия конформационных изменений трансформируется в энергию фосфатной связи АТР.Процесс синтеза АТР условно разделяют на три этапа. На первом этапе происходит присоединениеADPи Рн к активному центру фермента без затраты энергии . Навтором этапе ионы н+, перемещаясь по протонному каналу по градиенту электрохимического потенциала , вызывают конформационные изменения фермента, в результатечего изADPи Р н синтезируется АТР.
В течение третьего этапа за счет энергии, выделяющейся при транспорте протонов, происходит высвобождение АТР и возврат АТРсинтазного комплекса в исходное состояние. Более подробно механизм работы АТРсинтазного комплекса будет изложен в разде.::rе2.5.3.9.ПУТИ СВЯЗЫВАНИЯ УГЛЕКИСЛОТЫ( темновыереакции фотосинтеза)В предыдущих разделах мы выяснили, что продуктами световых реакций фотосинтеза являются АТР иNADPH.Далее происходят темновые процессы фиксации СО 2 , вкоторых используется <<ассимиляционная сила>> молекул АТР иNADPH.В этом разделе мы рассмотрим реакции, связанные с восстановлением СО 2 до углеводов. Эксперименты по выяснению путей фиксации углекислоты при фотосинтезе удалось провестигруппе американских ученых во главе с Мелвином Кальвином (М.трем обстоятельствам. Во-первых, вРубеном(S.
Ruben)изотоп углерода54141940Calvin)благодаряг. американскими биохимиками Сэмюэлеми Мартином Каменам (М.D. Kamen)был получен долгоживущийС с периодом полураспада 5770 лет. Во-вторых, в 1944 г. два ан-глийских биохимика Арчер Мартин (А.'Martin)и Ричард Синг(R. Synge)разработалиметод двумерной хроматаграфин на бумаге , который позволял эффективно разделятьи идентиф ициров ать органические соединения (за это изобретение в1952г. они были удостоены Нобелевской премии по химии). И, наконец, к этому времени в рукахисследователей оказался еще один очень удобный метод - авторадиография.2.5.1.АмериканскиеА.С 3 -путь фотосинтеза (цикл Кальвина)биохимикиBenson, 1\'1. Calvin)Дж .
Бассэм ,Э. БенсониМ. Кальвин(J. Bassham,для выяснения пути связывания СО 2 при фотосинтезе использовали одноклеточные зеленые водорослиChlorellaленное время помещали в среду, содержащую14иScenedesmus.Водоросли на опредеСО2, затем клетки быстро фиксировали, экстрагировми из них различные соединения, разделяли их хроматаграфически ипрослеживали включение радиоактивной метки. Оказалось, что через 1 1\ШН14С включается в Сз-С7-сахара, фосфосахара, органические кислоты (яблочную, щавелевоуксусную, фосфоенолпировиноградную) и аминокислоты (аланин, аспарагиновую).
Еслиже время экспозиции уменьшить до0,1- 2,0с, то большая часть метки оказываетсяв фосфоглицериновой кислоте (ФГК), в ее карбоксильной группе: ®ОН2С-СНОН14СООН.Следовательно, первичным продуктом фиксации СО 2 при фотосинтезе являетсяФГК . Поэтому такой способ связывания углекислоты называли Сз-nуте.м фотосинтез а. Далее стали выяснять, что же является первичным акцептором углекислоты.Вначме в среду с хлореллой вводили различные С 2 -соедянения, но это не приводило кувеличению включения1%14С в..ФГК . Тогда схема опытабыла изменена: сначала вводилиСО 2 , а затем резко снижали содержание углекислоты до0,003%.Предполагалось,что при этом будет накапливаться именно то соединение, которое является первичнымакцептором СО 2 .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
