Главная > Разное > Биология и квантовая механика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

17.5. Механизм сопряжения реакций разделения электрических зарядов квантами света и фотофосфорилирования

При описании световой стадии фотосинтеза в предыдущих разделах использовалось традиционное представление о том, что процесс фосфорилирования непосредственно связан с транспортом электронов, возникающих при разделении электрических зарядов под действием света в фотосистеме в мембранах фотосинтезирующих бактерий и в двух фотосистемах в клетках, выделяющих кислород при фотосинтезе. В частности, в модели Хилла и Бенделла (рис. 47) предполагается, что сопряжение нециклического потока электронов и фосфорилирования в хлоропластах локализовано в мембранах тилакоидов между цитохромом b (редокс-потенциал 0,03 В) и цитохромом (редокс-потенциал 0,37 В). Разность между редокс-потенциалами этих переносчиков злектропов, равная 0,4 В, достаточна для синтеза молекул АТФ.

К сожалению, модель Хилла и Бенделла не объясняет механизм связи транспорта электронов, вызванного поглощением света, с процессом синтеза молекул АТФ.

В последнее время в литературе часто рассматривается фотофосфорилирование в хлоропластах клеток растений на основе хемиосмотической гипотезы Митчелла. Согласно этой гипотезе, сопряжение процессов электронного транспорта и фосфорилирования достигается путем эпергизации мембран тилакоидов, сводящейся к образованию градиентов концентраций ионов и разностей потенциалов между внешними и внутренними сторонами мембран.

Переход мембраны тилакоида в эпергизованное состояние, согласно хемиосмотической гипотезе, описывается следующей схемой [154а]. При поглощении двух квантов света (последовательно или одновременно) два близко расположенных на внутренней поверхности мембраны тилакоида реакционных центра переходят в ионизированные состояния. Электроны перемещаются по белковым молекулам к внешней стороне мембраны.

Окисленные реакционные центры восстанавливаются электронами из воды с помощью фермента, содержащего марганец. При этом выделяется атом кислорода (реакция (17.5)), который диффундирует из хлоропласта, а два протона остаются во внутренней области тилакоида.

Два электрона, попавшие после поглощения двух квантов света реакционными центрами на внешнюю поверхность мембраны, захватываются вместе с двумя протонами из стромы небольшой молекулой пластохинона. Молекула пластохинона может диффундировать внутри мембраны тилакоида. Она родственна молекуле убихинона (Q) и обозначается буквами

Присоединив два электрона и два протона, молекула пластохинона восстанавливается до и диффундирует к внутренней стороне мембраны. По-видимому, диффузия происходит под влиянием градиента концентрации молекул . На внутренней поверхности мембраны тилакоида концентрация этих молекул мала, вследствие того что они очень быстро преобразуются в молекулы PQ, отдавая два электрона цитохрому и два протона во внутреннюю область тилакоида. Накопление молекул вблизи внутренней поверхности мембраны тилакоида вызывает их диффузное движение к внешней поверхности, где они, захватывая электроны, выброшенные из реакционных центров при поглощении света, и протоны из стромы, превращаются снова в молекулы

В свою очередь молекулы цитохрома получив электроны от молекул передают их дальше, к белковым молекулам, содержащим атомы меди и называемым пластоцианидами. Молекулы пластоцианида передают электроны реакционным центрам первой фотосистемы. Электроны же, оторвавшиеся от этих центров при поглощении света, перемещаются к внешней поверхности мембраны тилакоида и захватываются железо-серными белками, от которых они переходят к молекулам ферредоксина, а от них — к молекулам ФАД. Присоединив эти два электрона и два протона из окружающей стромы, молекулы ФАД преобразуются в молекулы ФАД Последние отдают два электрона и один протон молекулам преобразуя их в молекулы НАДФ , а второй протон переводят в строму в соответствии с реакцией

Участвующие в зтой реакции молекулы образуются в темновых реакциях.

Образованием молекул НАДФ • Н заканчивается световая стадия фотосинтеза. Эти молекулы используются в темновых реакциях фотосинтеза, происходящих в строме (см. п. 17.6).

Приведенная модель перемещения электронов и протонов в мембране тилакоида во время световой стадии фотосинтез» является весьма условной. Она опирается только на экспериментальные данные о том, что молекулы ферредоксина находятся на внешней поверхности мембраны тилакоида, а молекулы пластоцианина — на внутренней.

В описанной модели световой стадии фотосинтеза каждый электрон пересекает мембрану тилакоида дважды. Такое перемещение сопровождается исчезновением из стромы трех протонов и появлением внутри тилакоида четырех протонов. Перемещение протонов переводит мембрану тилакоида в знергизованное состояние. Внутри тилакоида образуется кислая среда со значением

pH 4. Возникает полный электрохимический градиент, равный примерно 4,8 ккал/моль. Он в основном определяется разностью концентраций протонов на двух сторонах мембраны, определяемой разностью значений pH, равной 3,5. Разность электрических потенциалов на мембране сравнительно мала, что связано с довольно большой проницаемостью мембраны для ионов хлора. Движение ионов хлора через мембрану снижает разность потенциалов.

Согласно хемиосмотической гипотезе, синтез молекул АТФ в тилакоиде осуществляется комплексом ферментов CFX — эквивалентным комплексу ферментов входящему в состав сопрягающих мембран митохондрий. Однако ориентация комплекса CFX — в мембранах тилакоидов обратна ориентации комплекса в митохондриях (см. рис. 39). Ферменты CFX находятся на внешней стороне мембраны тилакоида, образуя шишковидные выступы. Такое расположение обусловлено тем, что направление протонного градиента в тилакоидах противоположно направлению градиента протонов в мембранах бактерий и сопрягающих мембранах митохондрий. Интересно, что в липосомах, образованных в суспензиях из фрагментов мембран митохондрий, ферменты выступают на внешней поверхности мембраны пузырьков так же, как и в естественных мембранах тилакоидов.

Для образования в строме на внешней поверхности тилакоида мэлекулы АТФ из внутренней его области через комплекс ферментов должны пройти три протона. Пересекая мембрану тилакоида, они выделяют энергию ккал/моль ккал/моль. Этой энергии достаточно для синтеза молекулы АТФ.

Хемиосмотическая гипотеза дает объяснение ряду экспериментальных фактов. При освещении хлоропластов наблюдается повышение pH раствора (внутри тилакоида наблюдается подкисление), обратимое в темноте и чувствительное к ингибиторам электронного транспорта. Создание в темноте искусственного градиента протонов на мембранах тилакоидов сопровождается синтезом молекул АТФ.

В пользу гипотезы Митчелла говорят и исследования активного транспорта в мембранах бактерий (см. п. 14.4). Однако ряд фактов не вполне согласуется с первоначальной хемиосмотической гипотезой и требует ее модификации.

При исследовании временного изменения выхода фосфорилирования Изава с сотрудниками [169] обнаружили, что фосфорилирование начинается значительно раньше того момента, когда разность концентраций на внутренней и внешней сторонах мембраны достигает критической величины. Далее они показали, что при рН 8 фосфорилирование происходит одинаково хорошо как при работе так и при работе ФСН. Однако при снижении pH

до 6,5 и ниже фосфорилирование происходит при работе ФСП и не происходит при работе

Эти факты противоречат первоначальной гипотезе Митчелла о том, что энергизованное состояние, ответственное за синтез молекул АТФ, характеризует мембрану как нечто целое. Согласно гипотезе Митчелла, следовало бы считать, что обе системы, и ФСП, несмотря на то что они используют фотоны разной энергии, поставляют ионы и ОН- в «общие резервуары».

Представляется более реальным предположение о том, что при фотофосфорилировании существенны специфические локальные свойства мембран в окрестностях и ФСП. Тогда при фосфорилировании будут проявляться локальные градиенты протонов, а не их средние значения в растворах, примыкающих к внешней и внутренней сторонам мембраны. Это предположение оправдывается наличием мозаичной структуры внешней и внутренней поверхностей мембран и возможностью независимого выделения и ФСП из мембраны, что указывает на их пространственное разделение в мембране.

При исследовании фосфорилирования в хлоропластах при импульсном режиме освещения JI. А. Блюменфельд с сотрудниками [13] обнаружили, что выход синтеза молекул АТФ повышается при увеличении частоты следования импульсов. Этот факт еще не получил объяснения. Авторы работы [13] считают, что в этом случае, возможно, проявляются некоторые кооперативные свойства процесса фотофосфорилирования. Возможно, что это явление также связано с локальным повышением разности концентраций вблизи и ФСП. При увеличении частоты следования импульсов света они не успевают продиффундировать далеко в сторону.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление