Свободный кислород, эволюция клетки - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Одна из двух фотохимических реакций осуществляется фотосистемой II (на рис. 17 — Хл. ап), в которой у сине-зеленых водорослей преобладают билихромопротеиды, а в хлоропластах эукариотов — хлорофилл, возбуждаемый более коротковолновым светом (<700нм), чем П70о. Эта реакция «поднимает» электроны от самого низкого энергетического уровня системы
вода/кислород (Е0 = +0,81 В) до потенциала пластохинона (Ео = 0). Иными словами, поглощение квантов света в пигментной системе II приводит к возбуждению бедных энергией электронов воды, которые, поглотив энергию квантов, приобретают потенциал, достаточный для восстановления пластохинона. Оказавшись на уровне этого промежуточного соединения (интерме-диата) цепи электронного транспорта, электроны уже способны к выполнению определенной работы.
Побочный эффект обсуждаемой фотохимической реакции состоит в выделении из воды кислорода — в стехиометрических отношениях, что составляет 1/2 Ог на 1 НгО, или на 2 ё (и 2Н+, что тоже отражено на рис. 17):
Ha0-*2H+ + 2i+-l02. (17)
64
Другая фотохимическая реакция осуществляется фотосистемой I, в которой преобладает хлорофилл а (п700). Эта реакция «поднимает» электроны от уровня невозбужденного П700
[вольт] е,, -0,4
-0,2
+0,2
-1-0,4
+0,6
НАДф-Н+Н+
НАДфн
i.световая реакция
в пигментной системе I.
р700
свет "(700 им)
2. световая реакция
в пигментной системе ii
хл. а„
он"
-н,о
^—» кислород
}свет(<680нм)
Рис. 17. Схема переноса электронов и фосфорилирования при фотосинтезе сине-зеленых водорослей и хлоропластов эукариотных фототрофов (по
Шлегелю, 1972). Условные обозначения: Хл —хлорофилл фотосистемы II; а — первичный акцептор электронов воды в фотосистеме II; цит. f — «фолиум»-цитохром, или цитохром листьев зеленых растений, относящийся к цитохромам класса С (у сине-зеленых водорослей аналогичное место в редокс-цепи занимают другие цитохромы класса С); Р7оо(П7оо) — хлорофилловый пигмент реакционного центра фотосистемы I; Z — неидентифицированный первичный акцептор электронов от возбужденного Р700 в фотосистеме I
(Е'о = +0,4 В) по меньшей мере до уровня ферредоксина {Е0 = — —0,4 В). Для фотовосстановления каждой молекулы ферредоксина требуется один электрон. Полагают, что конечным (самым
3 Гусев, Гохлернер
65
«верхним») электронным акцептором фотохимического акта является соединение с еще более высоким восстановительным потенциалом, чем ферредоксин, и хотя это соединение (Z — на рис. 17) и поныне не идентифицировано, есть основания верить в его реальность (ом. объяснение к рис. 19, с. 70).
Электронная вакансия («дырка»), возникшая в пигментной системе I после переброски электрона на Z (или на ферредоксин), заполняется в результате темновых реакций электронного транспорта, промежуточных между двумя фотохимическими реакциями. Связующий обе пигментные системы электронный транспорт идет от пластохинона к п700 через цитохромы. На рис. 17 показан только цитохром f, но фактически и у сине-зеленых водорослей, и в хлоропластах эукариотных фототрофов между пластохиноном и цитохромом /, ближе к пластохинону, имеется по меньшей мере еще один цитохром с потенциалом, близким к нулю: цитохром ^559 — в хлоропластах, цитохром С554 — у сине-зеленой водоросли Anacystis nidulans (Гусев, Корженевская*, 1970). Темновой электронный транспорт идет «под гору», т. е. с освобождением энергии. Именно за счет этого, как полагают большинство исследователей, и происходит синтез АТФ из АДФ и Фн — фотофосфорилирование, сопряженное с нециклическим переносом электронов («нециклическое фотофосфорилирование», как его часто и не совсем точно называют). Вполне вероятно, однако (В. П. Скулачев, личное сообщение), что образование электрохимического градиента ионов Н+, используемого в реакциях фотофосфорилирования, происходит еще на этапе «пигмент—у первичный акцептор электрона».
Итак, восстановленный Фд и АТФ — вот те два богатых энергией продукта, которые образуются в результате трансформации энергии света >в фотосистемах I и II при их сопряженной работе. Восстановительная сила Фд может быть использована для восстановления НАДФ+ (в этом случае на 1 молекулу НАДФ+ требуется 2 молекулы Фдвосст). В результате образуется НАДФ-Н ¦— наиболее универсальный восстановитель, участвующий в большинстве восстановительных клеточных биосинтезов.
Помимо нециклического транспорта электронов у сине-зеленых водорослей и в хлоропластах эукариотов возможен и другой вариант: циклический транспорт электронов, приводящий к образованию лишь АТФ («циклическое фотофосфорилирование»), но не НАДФ-Н. В этом случае имеет место только одна фотохимическая реакция — в фотосистеме I. В итоге возникают ФдВОсст и электронная вакансия в пигментной молекуле, которая заполняется электроном, возвращающимся к П70о от ФдВОСст через неизвестные интермедиа™ и цитохром f. Как полагают, одним из этих неизвестных интермедиатов в хлоропластах может быть цитохром Ьв (Ленинджер, 1974). Имеются также данные, что в переносе электронов от ферредоксина к НАДФ+ (или от Z к
66
НАДФ+) участвует флавопротеид, называемый иногда фитофла-вином.
