3. Фотохимическая фаза фотосинтеза: фотосистемы и этц. Накопление «ассимиляционной силы» в хлоропласте.

Совокупность молекул светособирающего комплекса и реакционного центра составляет фотосистему. Предположение о существовании в хлоропластах двух фотосистем высказал Р. Эмерсон в 1957 г, изучая влияние света на квантовый выход фотосинтеза у водоросли хлореллы.

После возбуждения реакционного центра фотосистемы I - молекулы хлорофилла а с максимумом поглощения при 700 нм (П₇₀₀), 2 квантами длинноволного красного света 2 электрона передаются мономерной форме хлорофилла а – А₁ и затем переносчикам электронoв железосерным белкам А₂ и А_В, ферредоксину на наружной стороне мембраны тилакоида, НАДФ-редуктазе. Этот фермент восстанавливает НАДФ в НАДФН. На вакантные места в П⁺₇₀₀ переходят электроны с пластоцианина и нециклическая цепь транспорта электронов замыкается.

В мембранах хлоропластов может функционировать циклический транспорт электронов, когда действует только фотосистема I. Возбужденные молекулы П₇₀₀ передают электроны на А₁, железосерные белки А₂ и А_В, переносящие электроны на другую сторону мембраны, ферредоксин, пластохинон, цитохром b₆, железосерный белок FeSr, цитохром f, пластоцианин и П₇₀₀. Энергия, освобождающаяся при транспорте электронов, используется для фосфорилирования АДФ.

В фотосистеме II реакционный центр, состоящий из димера хлорофилла а с максимумом поглощения при 680 нм (П₆₈₀), последовательно поглотив энергию, равную 2 квантам коротковолнового красного света, и перейдя в синглетное возбужденное состояние, передает 2 электрона феофитину. От феофитина электроны последовательно передаются на пластохиноны Q_A и Q_B, расположенные на другой стороне мембраны тилакоида, затем на две липидорастворимые молекулы пластохинона PQ. Он является переносчиком протонов и электронов, выполняющего в мембране роль челнока. Принимая 2 электрона и захватывая из стромы 2 Н⁺, 2 молекулы PQH₂ диффундируют через липидную фазу мембраны. Электроны от 2 PQH₂ поступают в цепь:

железосерный белок FeSr цитохром f  Cu-содержащий белок пластоцианин  П₇₀₀,

а протоны попадают в полость тилакоида.

Вакантные места в П⁺₆₈₀ заполняются 2 электронами из содержащего Mn переносчика электронов, который восстанавливается с участием белкового комплекса S. Окисленный комплекс S связывает воду и восстанавливается за счет электронов воды. При фотоокислении воды комплексом S вторая пара протонов освобождается в полость тилакоида, а атом кислорода диффундирует из хлоропласта.

Механизм фотофосфорилирования АДФ объясняет теория Митчелла. Согласно этой теории, трансмембранный перенос пластохинонами электронов и протонов в одну сторону чередуется с переносом цитохромной системой в обратную сторону электронов. Поэтому по одну сторону мембраны накапливается избыток протонов и возникает электрохимический мембранный потенциал. Его энергия используется для синтеза АТФ при разрядке мембраны в результате транспорта протонов через мембрану посредством Н⁺-АТФазы, которая действует как АТФсинтетаза. Этот фермент выглядит как грибовидная частица на поверхности мембраны тилакоидов. Его молекула состоит из двух частей: головки, выступающей с наружной стороны мембраны и содержащей активный центр фермента, и ножки, погруженной в мембрану и представляющей канал, через который передвигаются протоны.

4. Ассимиляция СО2 через цикл Кальвина: химизм, энергетика.

Этот путь ассимиляции СО₂ обнаружен у всех фотосинтезирующих растений. Растения разное время подкармливали ¹⁴СО₂ и хроматографировали экстракты. Радиоактивные изотопы по химическим свойствам не отличаются от стабильных. Принимая участие в реакциях, они помечают те соединения, в которые входят. Цикл состоит из трех этапов: карбоксилирования, восстановления, регенерации первичного акцептора СО₂ и синтеза конечного продукта фотосинтеза.

1. Карбоксилирование. Фосфорибулокиназа фосфорилирует при участии АТФ рибулозо-5-фосфат с образованием АДФ и рибулозо-1,5-дифосфата. Последний является акцептором СО₂ и под действием рибулозодифосфаткарбоксилазы присоединяет СО₂. В результате образуются 2 молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК).

2. Восстановление. Фосфоглицераткиназа при участии АТФ фосфорилирует 3-ФГК и образовавшаяся 1,3-дифосфоглицериновая кислота восстанавливается с помощью НАДФН и дегидрогеназы фосфоглицеринового альдегида до 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА).

3. Регенерация. После фиксации трех молекул СО₂ и образования шести молекул 3-ФГА пять из них используются для синтеза рибулозо-5-фосфата, а одна молекула 3-ФГА – для образования глюкозы.

Триозофосфатизомераза превращает 3-ФГА в фосфодиоксиацетон. Затем альдолаза образует из 3-ФГА и фосфодиоксиацетона фруктозо-1,6-дифосфат. Он теряет один остаток фосфорной кислоты под влиянием фруктозо-1,6-дифосфатазы и превращается во фруктозо-6-фосфат. Транскетолаза переносит гликолевый альдегид от фруктозо-6-фосфата на 3-ФГА с образованием эритрозо-4-фосфата и ксилулозо-5-фосфата. Альдолаза присоединяет фосфодиоксиацетон к эритрозо-4-фосфату с образованием седогептулозо-1,7-дифосфата. Он дефосфорилируется фосфатазой и под влиянием транскетолазы соединяется с 3-ФГА. Продуктами этой реакции являются ксилулозо-5-фосфат и рибозо-5-фосфат. Две молекулы ксилулозо-5-фосфата при участии рибулозофосфатэпимеразы и одна молекула рибозо-5-фосфата под действием рибозофосфатизомеразы превращаются в три молекулы рибулозо-5-фосфата.

Шестая молекула 3-ФГА используется для синтеза фруктозо-1,6-дифосфата при повторении цикла. Из двух молекул фруктозо-1,6-дифосфата образуются фруктозо-6-фосфат и глюкозо-1-фосфат. Последний, взаимодействуя с уридинтрифосфатом, дает уридинфосфоглюкозу. Она и фруктозо-6-фосфат образуют сахарозофосфат, который после дефосфорилирования превращается в сахарозу. Следовательно, для образования одной молекулы сахарозы необходимо прохождение четырех циклов Кальвина. Крахмал синтезируется из уридинфосфоглюкозы под влиянием амилосинтетазы.

1 - фосфорибулокиназа, 2 - рибулозодифосфаткарбоксилаза, 3 - фофсфоглицераткиназа, 4 - триозофосфатдегидрогеназа, 5 - триозофосфатизомераза, 6 - альдолаза, 7 - фосфатаза, 8 - транскетолаза, 9 - альдолаза, 10 - фосфатаза, 11 - транскетолаза, 12 - рибозофосфатизомераза, 13 - фосфокетопентоэпимераза.

5. Общая характеристика процесса дыхания. Роль О2 и Н2О. Принципиальные отличия в окислении органических веществ при дыхании и горении.

В природе существуют два основных про­цесса, в ходе которых энергия солнечного света, запасенная в органическом веществе, высвобождается - это дыхание и брожение. Дыхание - это аэроб­ный окислительный распад органических соединений на простые неорганиче­ские, сопровождаемый выделением энергии. Брожение - анаэробный процесс распада органических соединений на более простые, сопровождаемый выделе­нием энергии. В случае дыхания акцептором электрона служит кислород, в случае брожения - органические соединения. Суммарное уравнение процесса дыхания: C6H12O6+6O2->6CO2+6H2O+2824 кДж. Не вся энергия, высвобождаемая при дыхании, может быть использована в процессах жизнедеятельности, а только та, которая аккумулируется в АТФ. Син­тезу АТФ во многих случаях предшествует образование разности электрических зарядов на мембране, что, в свою очередь, связано с разностью концентраций ионов водорода (протонный градиент или электрохимический градиент ионов Н⁺) по разные стороны мембраны. Выделяющаяся при дыхании энергия тратится как на процессы роста, так и на поддержание в активном состоянии уже закончивших рост органов растения. Процесс дыхания - источник многих метаболитов.

Субстраты дыхания. Еще в работах Бородина (1876) было показано, что интенсив­ность процесса дыхания прямо пропорциональна содержанию в тканях растений углеводов. Это дало основание предположить, что именно углеводы являются основным веществом, потребляемым при дыхании (субстратом). Дыхательный коэффициент (ДК) - это объемное или молярное отно­шение СО₂, выделившегося в процессе дыхания, к поглощенному за этот же про­межуток времени О₂. Если в процессе дыхания используются углеводы, то про­цесс идет согласно уравнению С₆Н₁₂О₆+6О₂->6СО₂+6Н₂О. В этом случае ДК равен единице: 6СО₂/6О₂=1. Однако если разложению в процессе дыхания под­вергаются более окисленные соединения, например органические кислоты, по­глощение кислорода уменьшается, ДК становится больше единицы. Так, если в качестве субстрата дыхания используется яблочная кислота, то ДК=1,33. При окислении в процессе дыхания более восстановленных соединений, таких, как жиры или белки, требуется больше кислорода и ДК становится меньше едини­цы. Так, при использовании жиров ДК=0,7. При недостатке угле­водов могут быть использованы и другие субстраты. Особенно это проявляется на проростках, развивающихся из семян, в которых в качестве запасного пита­тельного вещества содержатся жиры или белки.

Митохондрии. Изолированные ми­тохондрии растений обычно сферической или продолговатой формы диаметром 0,5-1,0 мкм и длиной до 3 мкм. Растительные митохондрии имеют две мембраны - гладкую наруж­ную и внутреннюю, образующую многочисленные выросты - кристы. Пространство между наружной и внутренней мембранами называется межмембранным (перимитохондриальным). Оно является внешней средой для внутренней мембраны и матрикса митохондрий. В растительных митохондриях осуществляются процессы аэробного дыхания, окислительного фосфорилирования, превращения ряда аминокислот, синтез жирных кислот и некоторых фосфолипидов. Интактные митохондрии осмотически активны: способны набирать и отдавать воду соответственно в гипо- и гиперосмотической среде. Большинство неорганических ионов и заряженных органических молекул не способны диффундировать в матрикс. Осмотическим барьером является внутренняя мембрана митохондрий.

Теория медленного окисления Баха (1896). Как известно, кислород воздуха не является активным окислителем, так как обе валентности кислорода взаимно насыщают друг друга: О=О. Для того чтобы кислород мог быть активным окислителем, он должен быть сперва активизирован, т. е. должна получиться молекула с подобного рода связями: - О - О -

В основе теории Баха лежит понятие о пероксидах - перекисеобразных соединениях, образующихся присоединением кислорода к самоокисляющимся веществам А:

В этом случае кислород может частично или полностью отщепляться в виде атомов с ненасыщенными валентностями и поэтому легко окисляет соединения, непосредственно не окисляющиеся. По Баху, окислительные ферменты оксидазы состоят из самоокисляющихся веществ, которые, присоединяя кислород воздуха, образуют перекисеобразные соединения. Сами по себе они не окисляют полифенолы, но под действием ферментов пероксидаз отщепляют от себя активный атомарный кислород.

Пероксидазы, как известно, могут разлагать перекись водорода Н₂О₂ на воду и активный атомарный кислород: 2Н₂О = 2НО + 2О. Выделенный кислород уже окисляет соответственное вещество. Таким образом, пероксидазы, используя частично уже активированный (перекисный) кислород, осуществляют окисление дыхательного материала.

О том, что активация водорода также имеет большое значение, говорят опыты с таким акцептором водорода, каким является краситель метиленовый синий. Восстановленный метиленовый синий переходит в лейкосоединение, т. е. становится бесцветным. В бесцветном метиленовом синем имеется на два атома водорода больше, чем у нормального соединения. Можно сделать такой опыт. Взять семена гороха, плотно набить ими небольшую стеклянную банку, налить туда водный раствор метиленового синего и затем закрыть крышку. Раствор метиленового синего быстро обесцветится. Если затем вынуть семена из банки, то на воздухе они начинают синеть, так как происходит окисление метиленового синего кислородом воздуха. Иными словами, в анаэробных условиях семена восстановили краситель метиленовый синий за счет водорода воды.

Теория дыхания Палладина. 1916 г. Окисление сахара при дыхании идет не за счет непосредственного окисления его кислородом воздуха, а через цепь сложных превращений. Под влиянием окислительно-восстановительных ферментов особые вещества, которые Палладии назвал дыхательными пигментами, связывают водород воды, а кислород воды производит окисление сахара. Этот первый этап дыхания Палладии изобразил следующей схемой: С₆Н₁₂О₆+12R+6Н₂О = 12RH₂+6СО₂

Символом R Палладии обозначил дыхательный пигмент, который является акцептором водорода. Присоединяя водород, дыхательный пигмент переходит в бесцветное соединение - дыхательный хромоген. Затем уже кислород воздуха производит окисление дыхательного хромогена в пигмент: 12RH₂+60₂ = 12H₂0+12R

Таким образом, по теории Палладина, кислород воды производит окисление сахара, а кислород воздуха окисляет акцептор (дыхательный хромоген).

Выдвинутое Палладиным положение, что кислород воздуха не окисляет непосредственно дыхательный субстрат, а окисляет лишь водород воды, было экспериментально подтверждено Курсановым и Вартапетяном (1955). Применяя тяжелокислородную воду (Н₂О¹⁸) и меченый кислород (О₂¹⁸), им удалось показать, что поглощенный при дыхании молекулярный кислород непосредственно не присоединяется к углероду субстрата дыхания, а идет на биосинтез воды в тканях растения. Если растению давалась вода, меченая по кислороду (Н₂О¹⁸), то выделившаяся углекислота содержала О¹⁸, а в случае использования О2⁸ углекислота не содержала меченого кислорода.

Значение работ Палладина состоит в том, что он: 1) выдвинул положение о дыхании как о сложном окислительно-восстановительном процессе; 2) отметил роль воды в дыхании; 3) установил, что углекислота, выделяющаяся при дыхании, анаэробного происхождения.

Ферменты дыхания. В процессе переноса протонов и электронов важную роль играют ферменты, относящиеся к классу оксидоредуктаз. Пиридиновые дегидрогеназы, у которых коферментом служит НАД или НАДФ, отнимают два протона и два электрона от субстрата. При этом к коферментам присоединяются один протон и два электрона. Протон и один электрон связы­ваются с атомом углерода в молекуле НАД, а второй электрон нейтрализует положительный заряд атома азота. Один протон выделяется в среду. НАД⁺ и НАДН хорошо растворимы в воде и присутствуют в цитоплазме и мито­хондриях. Коферменты НАД и НАДФ связаны с ферментом с помощью ионов металла и сульфгидрильных группировок. Флавиновые дегидрогеназы. Это также большая группа ферментов, катали­зирующая отнятие двух протонов и двух электронов от различных субстратов. Простетической группой этих ферментов служат производные витамина В₂ (ри­бофлавин) - флавинадениндинуклеотид (ФАД) и флавинмононуклеотид (ФМН). Активной частью флавиновых дегидрогеназ служит изоаллоксазиновое кольцо. В процессе восстановления именно к этой группировке присоединяет­ся 2Н (2Н⁺+2ё). Цитохромы. Простетическая группа цитохромов представлена железопорфиринами. Железопорфириновая группа (гем) в цитохромах прочно связана с бел­ком через атомы серы аминокислоты цистеина. Известно около 20 цитохромов, которые делят на четыре главных класса: а, b, с, d, отличающихся между собой природой простетической группы: цитохромы а содержат железоформилпорфирины, цитохромы b - железопротопорфирины, цитохромы d – железогидропорфирины. Роль цитохромов заключается в переносе электронов. Содержащееся в цитохромах железо способно к обратимым окислительно-вос­становительным реакциям. Воспринимая электрон, железо восстанавливается, теряя его, окисляется: Fe³⁺±e<->Fe²⁺.