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

17.7. Фотосинтезирующий механизм без молекул хлорофилла

Стоекениус, Оестерхелт и Данон [103, 202, 233] открыли новый механизм фотосинтеза без участия молекул хлорофилла. Эта новая фотосинтезирующая система обнаружена в галобактериях — микроорганизмах, живущих в соленых озерах и бассейнах, в которых добывается соль путем испарения воды.

Галобактерии имеют цилиндрическую палочкообразную форму диаметром около 0,5 мкм и длиной 5 мкм. Бактерия окружена

гликопротеидной стенкой (комплексы белков с сахарами). Бактерии растут лучше всего в растворе поваренной соли при концентрации 4,3 молей. При концентрации соли менее 2 молей клеточная мембрана галобактерий распадается на отдельные фрагменты. В морской воде концентрация NaCl всего 0,6 молей.

Путем разрушения и центрифугирования клеток были найдены три основные фракции различного цвета и с различными молекулярными массами: 1) красно-оранжевая малой плотности; 2) ярко-пурпурная большой плотности, придающая бактериям основную окраску; 3) желтая с наибольшей плотностью.

Красно-оранжевая фракция, образующая основу мембраны, содержит молекулы, существенно различные по размерам и составу. Цвет фракции обусловлен наличием молекул бактериоруберина, которые предохраняют клетки от губительного для них синего света. В состав зтой фракции также входят цитохромы, флавопротеины и другие компоненты дыхательной цепи, ответственные за окислительное фосфорилирование.

Желтая фракция состоит в основном из стенок газовых пузырьков, которые, находясь в цитоплазме бактерий, удерживают их на определенной глубине. В состав зтой фракции входят также части жгутиков, прикрепленных к обоим концам бактерии и обеспечивающих ее передвижение в воде.

Ярко-пурпурная фракция состоит из белков и липидов в соотношении 3:1. Она обнаруживает явную кристаллическую структуру. В неповрежденной бактерии эта фракция образует островки на поверхности мембраны. Рентгеновские и электронно-микроскопические данные указывают, что эти островки имеют гексагональную решетку. В состав единичной ячейки входят три белковые молекулы и 40 молекул липидов. Эти данные подтвердили предположение Оестерхелта о том, что пурпурные участки мембран содержат белковые молекулы только одного типа с молекулярной массой 26 000. Большая часть белковой молекулы гидрофобна и погружена в липидный слой.

Оестерхелт также показал, что в состав каждой белковой молекулы пурпурной мембраны входит одна молекула ретиналя. Эти молекулы были названы бактериородопсинами по аналогии с молекулами родопсина, входящими в состав зрительного пигмента палочек сетчатки глаз животных. В родопсине ретиналь соединен с белком опсином.

Бактериородопсин является хромопротеином (пигментом). Он имеет широкую полосу поглощения в желто-зеленой части спектра с максимумом в области 570 нм. Вторая полоса поглощения молекулы более узкая и расположена в ультрафиолетовой области спектра с максимумом при 280 нм.

Молекула бактериородопсина (рис. 48) образуется присоединением (с выделением молекулы воды) альдегидного конца молекулы

Рис. 48. Схема молекулы бактериородопсина (а), радикал лизинового амидного остатка (б), молекула ретиналя и шиффовое основание — водород: (3) — углерод, — азот, О — кислород.

ретиналя к аминогруппе лиэинового аминокислотного остатка белковой молекулы. При этом между азотом лизинового остатка и углеродом альдегидного конца ретиналя образуется связь, получившая название шиффового основания, или кетилина. Эта связь в молекуле прикрыта гидрофобными участками белковой цепи, которые предохраняют ее от воздействия воды.

Изолированная молекула ретиваля имеет полосу поглощения в области 370 нм. Широкая полоса поглощения в области 570 нм в молекуле бактериородопсина обусловлена наличием связи типа шиффового основания. При поглощении света от атома азота этой связи отрывается протон. Поскольку конечное состояние протона относится к непрерывному спектру, полоса поглощения очень широкая. После отрыва протона (депротонирование) спектр поглощения молекулы смещается в область 412 нм и молекула «светлеет». После обратного присоединения протона (протонирование) спектр поглощения снова смещается в область 570 нм.

При исследовании спектров поглощения суспензий неповрежденных бактерий обнаружено, что при освещении среда становится более кислой вследствие выделения протонов из мембраны и менее кислой, когда они возращаются обратно. В обычных условиях такие изменения наблюдались при наличии эфира, который затормаживал возвращение протонов в мембрану. При облучении импульсным светом в области 570 нм переход в депротонированную форму и обратно происходил в течение нескольких миллисекунд.

На основе проведенных экспериментов Оестерхелт и Стоекениус пришли к заключению, что в неповрежденной клетке пурпурная мембрана бактерий действует как протонный насос. Было выдвинуто предположение, что освобождение протонов под действием света происходит на внешней стороне мембраны, а захват протонов — на внутренней стороне. В связи с этим поперек мембраны создается градиент концентрации протонов и разность электрических потенциалов. Свободная энергия такого электрохимического

Рис. 49. Относительное изменение с течением времени концентрации молекул АТФ в галобактериях, находящихся в солевом растворе, через который продувается кислород в темноте и азот в темноте и на свету [103, 233].

градиента протонов используется для синтеза молекул АТФ из молекул АДФ и неорганического фосфата при участии ферментов АТФ-азы, которые, возможно, входят в состав краснооранжевой фазы мембраны.

Таким образом, галобактерии могут производить синтез молекул АТФ как за счет химической энергии, выделяемой в процессе окисления в дыхательной цепи, так и за счет энергии света, поглощаемого пурпурными островками мембраны. Это подтверждается также тем обстоятельством, что бактерии синтезируют пурпурные островки на мембранах только тогда, когда они растут на свету при малой концентрации кислорода.

Данон в результате прямых экспериментов установила, что галобактерии могут синтезировать молекулы АТФ двумя путями, используя либо энергию света, либо химическую энергию окисления. Измеряя в темноте концентрацию молекул АТФ в галобактериях, находящихся в солевом растворе, через который пропускался азот, она обнаружила, что число молекул АТФ резко уменьшается до 1/8 начальной величины. При освещении молекул в той же атмосфере азота светом в области 570 нм концентрация молекул АТФ быстро возрастает, а при прекращении освещения — снова падает. Если же через такой раствор продувать в темноте кислород, то концентрация молекул АТФ в бактериях резко возрастает за счет окислительного фосфорилирования (рис. 49) [233].

На основании этих измерений сделано предположение, что как свет, так и дыхание генерируют на мембране поперечный электрохимический потенциал, который используется ферментами АТФ-азы для синтеза молекул АТФ из молекул АДФ и неорганического фосфата. Ингибиторы, подавляющие активность фермента АТФ-азы, прекращают синтез молекул АТФ, обусловленный как светом, так и дыханием. Однако они не изменяют процесса окисления среды, вызываемого выбросом протонов.

Действие «разобщающих агентов» (антибиотиков) на суспензии галобактерий приводит к подавлению синтеза молекул АТФ,

образуемых при воздействии света и в процессе дыхания. При этом подавляется и окисление среды, вызываемое выбросом протонов из мембраны. Согласно гипотезе химического сопряжения, «разобщающие агенты» не затрагивают электронного транспорта вдоль дыхательной цепи, но отделяют его от ферментов, синтезирующих молекулы АТФ.

При действии на суспензии бактерий веществ, блокирующих электронный транспорт, прекращается синтез молекул АТФ, обусловленный дыханием, но не прекращается их синтез, обусловленный светом.

Все перечисленные факты хорошо согласуются с представлением о том, что пурпурные островки на мембранах галобактерий играют роль протонных насосов. Действие разобщающих агентов, согласно хемиосмотической теории Митчелла, обусловлено тем, что они увеличивают проницаемость протонов в мембране. В связи с этим снижается электрохимический градиент протонов и прекращается работа АТФ-азы.

Представляют большой интерес эксперименты Стоекениуса и Рэкера с искусственными липидными пузырьками, в которые включались фрагменты пурпурных мембран. При освещении светом таких пузырьков происходит изменение pH среды. Это изменение чувствительно к действию разобщающих агентов. Следовательно, свет порождает градиент концентрации протонов. В связи с тем что бактериородопсин был единственным белком в липидных пузырьках и потому, что он был одинаково активен в пузырьках, образованных из разных липидов, исследователи пришли к заключению, что именно бактериородопсин использует энергию света для образования градиента протонов.

Различие в действии света на бактериальные клетки и на липидные пузырьки проявилось в том, что липидные пузырьки при освещении вызывали не окисление, т. е. уменьшение pH, а увеличение значения pH в среде. Следовательно, под действием света протоны переходили из среды внутрь пузырьков. Это указывало на взаимно противоположное расположение молекул бактериородопсина в клетках и искусственных липидных пузырьках. Такое заключение было подтверждено экспериментальным путем при расщеплении замороженных двойных слоев пузырьков и клеток.

Весьма существенным подтверждением гипотезы Митчелла явились эксперименты Рэкера. Он присоединил фермент АТФ-азу (синтезирующую АТФ из АДФ и ), взятую из митохондрий сердца теленка, к липидным пузырькам, содержащим бактериородопсин. При освещении такие пузырьки синтезировали молекулы АТФ.

Таким образом, исследование галобактерий показало, что в организмах, лишенных хлорофилла, также возможно использование солнечной энергии для синтеза АТФ. Однако до сих пор

молекулярный механизм действия фотосинтезирующих организмов остается неразгаданным. Дальнейшее его выяснение потребует более детального изучения молекулярной структуры фотосинтезирующих центров. Возможно, что пурпурные мембраны окажутся наиболее удобными для этих исследований, так как их фотосинтезирующие системы имеют правильную кристаллическую структуру.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление