книги из ГПНТБ / Эйнор Л.О. Реконструирование энергетических механизмов фотосинтеза

К А Ж Д Ы Й У С П Е Х Н А Ш И Х З Н А Н И Й С Т А В И Т Б О Л Ь Ш Е П Р О Б Л Е М , Ч Е М ' Р Е Ш А Е Т .

Луи де Бройль

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наука о фотосинтезе охватывает обшир­ ный круг вопросов, от фотофизических первичных процессов поглощения молекулой хлорофилла кванта света до продуктив^ ности фитоценозов. Мы ограничиваем свою задачу анализом не­ посредственного результата фотосинтеза — образования АТФ в ходе реакций переноса электронов, инициируемых действием све^ та на хлоропласты. Главный акцент, таким образом, сделанна вопросах, связанных с транспортом электронов и сопряжен­ ными с ним механизмами образования АТФ.

Однако в части I книги нам казалось необходимым изложитьнекоторые сведения по фотосинтезу, недостаточно широко осве­ щенные в литературе, и тем самым сделать работу доступнее для более широкого круга лиц, интересующихся фотосинтезом и вопросами биологического окисления.

Считается общепризнанным, что поглощение света хлорофил­ лом инициирует многоступенчатые окислительно-восстановитель­ ные реакции, в результате которых выделяется кислород воды и образуется восстановительный агент. Эти реакции рассмотре­ ны в части I I . Части I I I и IV непосредственно посвящены вопро­ сам анализа и реконструирования энергетических реакций при фотосинтезе.

Изучение свойств катализаторов фотосинтеза •— компонен­ тов сложной в функциональном отношении полиферментной мембранной системы — связано с преодолением многочисленных трудностей. Не только целый лист, но даже изолированный хло­ ропласт оказывается слишком сложным объектом для исследо­ вания биоэнергетических реакций.

Мы находимся на одном из промежуточных этапов весьма сложного пути раскрытия энергетических механизмов у растений; наши знания здесь еще весьма поверхностны и фрагментарны, поэтому следует подчеркнуть, что о реконструкции электронотранспортной цепи и механизма фотосинтетического фосфорилирования можно говорить скорее как о перспективе исследований, одном из важнейших направлений в изучении фотосинтеза, чем как о завершенном этапе работы. Однако еще в конце 30-х гг. Хиллу удалось воссоздать работу электронотранспортной цепи по выделению кислорода из воды суспензиями листьев (хлоро­ пластами) при внесении искусственных окислителей воды вместо естественного вещества — углекислоты.

Все успешнее оказываются попытки выделить из хлоропласта более простые субъединицы, в частности нативные хлорофилл- белково-липидные структуры, которые в реконструированных системах несут функциональную нагрузку полного фотосинтеза.

Из рассмотрения вопросов анализа и реконструкции наибо­ лее лабильной энергетической функции — фотофосфорилирования — становится ясным, что в настоящее время выкристалли­ зовывается несколько направлений в представлениях о процессах, которые приводят к синтезу АТФ.

Автор счел необходимым привлечь внимание читателя и к ре­ акциям с участием экзогенного животного цитохрома с, который по ряду своих особенностей является уникальным компонентом различных реконструированных систем.

В книге использована литература, изданная до 1971 г. В этих работах оптимистические и пессимистические настроения по по­ воду трудностей решения проблемы фотосинтеза чередуются.

Во всяком случае, проблема превращения энергии как в растительной, так и в животной клетке по важности решения для теории и практики едва ли уступает какой-либо другой проблеме биологии, хотя бы проблеме наследственности. Но если по пос­ ледней имеется значительное число современных сводок, то обоб­ щающие работы по энергетике фотосинтеза нам неизвестны. По­ этому автор надеется, что его труд в некоторой степени воспол­ нит пробел в литературе о функционировании энергетических механизмов фотосинтеза.

УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

Ч а с т ь I

ФОТОСИНТЕЗ И ХЛОРОПЛАСТЫ

1. ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПРИ ФОТОСИНТЕЗЕ

Термин «фотосинтез» буквально означает синтез с помощью света. Такой синтез осуществляется не только растениями, но и животными — например синтез витамина D или образование меланинов под воздействием УФ-света,— и не только в организ­ мах, но и в абиотических системах. В ходе фотохимических реак­ ций в химических лабораториях научились получать большое число различных веществ. Однако в этой книге речь будет идти только о процессах, осуществляемых фототрофными организма­ ми, продуцентами органического вещества в масштабе всей на­ шей планеты.

В наиболее общем виде превращение веществ и энергии при фотосинтезе выражается «основным уравнением фотосинтеза» [107]:

В результате сложной последовательности реакций энергия фотонов фиксируется в виде энергии химических связей веществ, являющихся ее аккумуляторами. К последним относят глюкозу.

При не очень строгом рассмотрении с позиций квантовой хи­ мии превращение химической энергии в ходе осуществления цепи реакций, выражаемых в форме уравнения (1), можно предста­ вить в виде следующего уравнения:

83/2

где цифры характеризуют величину энергии, ккал/моль, необхо­ димой для разрыва валентных связей. В конечном итоге энергия фотонов расходуется на разрыв связей в исходных веществах — воде и углекислоте— с образованием менее стабильных углерод­ ных соединений и свободного кислорода. Но образование одного структурного элемента с уровнем восстановленное™ углевода, например крахмала или глюкозы, связано с необходимостью раз­ рыва химических связей исходных веществ ( С 0 2 и НгО), энергия связей которых выше, чем образованных, примерно на

100 ккал/моль на один структурный элемент углевода. Образова­ ние менее стабильных связей из более стабильных требует при­ тока энергии извне (674 ккал/моль глюкозы); эту энергию рас­ тение получает при посредстве фотосинтетического аппарата. Уравнение (2) выражает результат согласованной работы фото­ химических, или реакционных, центров и катализируемых фер­ ментами многочисленных окислительно-восстановительных и об­ менных реакций, протекающих в хлоропластах.

Реакционный центр — специфическое соединение в виде комп­ лекса молекул хлорофилла, других пигментов, белков, липидов и особым образом связанной воды, в котором энергия поглощен­ ного хлорофиллом фотона превращается в энергию химических связей.

Поглощение фотонов инициирует фотохимические реакции (или фотореакции) в реакционном центре: молекулы — фотосен­ сибилизаторы возбуждаются; это приводит к разделению заря­ дов с образованием, вероятно, в первую очередь, восстановленной или окисленной форм хлорофилла. По этому поводу было сказано в несколько шутливой форме [39], что решение проблемы фото­ синтеза сводится к объяснению простого уравнения:

Требуется всего лишь установить — откуда берется электрон и как он становится работоспособным! Разделение зарядов и об­ разование окисленной и восстановленной форм соединений — завершающий этап световой стадии фотосинтеза. Перенос элект­ рона осуществляется по цепи реакций, для которых свет не ну­ жен. Такие реакции относят к темновым реакциям фотосинтеза (говорят о световой и темновой фазах фотосинтеза).

Во время световой фазы фотосинтеза в хлоропласте возни­ кают такие неравновесные условия в отношении распределения электрического и химического потенциала, «уравновешивание» которых, т. е. вторичные изменения, может обусловливать обра­ зование АТФ и НАДФ - Н (см. части I I I и IV) .

Еще несколько лет назад в ходу был термин «ассимилирую­ щий фактор фотосинтеза» для обозначения совокупности обра­ зующихся под действием света веществ, наличие которых обес­ печивает осуществление последующих темновых реакций вос­ становления СОг до уровня углеводов [6]. К таким веществам можно отнести АТФ и НАДФ-Н. Однако сейчас бы этот термин звучал несколько анахронично: хотя АТФ и НАДФ-Н и играют решающую роль в реакциях темновой фазы фотосинтеза, их обра­ зование также является результатом темновых процессов, ини­ циируемых переносами электронов. Существенно, кроме того, что механизмы образования АТФ и НАДФ-Н различны, как это будет подробно показано в части IV.

Биохимическим процессам, приводящим к образованию АТФ и НАДФ-Н, по существу, посвящена вся книга. Дальнейшая участь этих веществ, их роль в синтезе углеводов, белков и дру­ гих веществ, нами не рассматривается, так как не имеет прямо­ го отношения к первичным процессам при фотосинтезе.

Фотосинтез начинается с поглощения фотона пигментом. От­ сюда вытекает необходимость знать свойства возбужденных мо­ лекул пигментов-фотосенсибилизаторов и форму их участия в фо­ тохимическом процессе и электронных переносах.

Уже со времени работ К.А.Тимирязева по фотосинтезу утвер­ дились представления о хлорофилле как фотосенсибилизаторе реакций фотосинтеза. Однако позднее было показано, что, вопервых, все растения содержат помимо хлорофилла и другие пигменты-фотосенсибилизаторы и, во-вторых, формы самого хло­ рофилла, даже внутри одного и того же растения, различны. Но химическая природа хлорофилла такова, что именно он иг­ рает ведущую роль в работе реакционного центра.

Поглотив фотон, хлорофилл (или другой пигмент-фотосенси­ билизатор) переходит в возбужденное состояние из стабильного (основного), в котором молекула обладала наименьшей энерги­ ей. В соответствии с представлениями квантовой механики, атом (или молекула) может находиться только в некоторых дискрет­ ных энергетических состояниях, поглощая или отдавая энергию определенными порциями и переходя из одного энергетического состояния в другое согласно характерным внутренним особен­ ностям. Энергия фотона, поглощенного реакционным центром, может:

а) превратиться в энергию излучения путем сравнительно быстрого высвечивания (флуоресценции) или медленного высве­ чивания (фосфоресценции); б) выделиться в виде тепла; в) «за­ пустить» фотохимическую реакцию, инициируя перенос электро­ нов по э л е к т р о н о т р а н с п о р т н о й ц е п и (ЭТЦ).

При излучении энергия квантов меньше энергии поглощае­ мых фотонов [55, 133], что находит отражение в существовании определенной зависимости в относительном расположении полос поглощения и флуоресценции — отклонении, или сдвиге, Стокса. Для хлорофилла а (Хл а ), главного пигмента всех зеленых растений, имеющего довольно узкую полосу поглощения в крас­ ной области спектра (полуширина спектра в органическом рас­ творителе 18 нм), отклонение Стокса составляет 7—10 нм.

Исследуя фотохимические реакции, мы сталкиваемся с необ­ ходимостью разрешения принципиального противоречия. Суть его состоит в следующем.

Для понимания функций пигментов необходимо выяснить характер их состояний и превращений внутри такой системы, ко­ торая способна осуществлять не весь фотосинтез, а хотя бы цепь реакций, завершающихся образованием АТФ и НАДФ - Н .

Однако разобраться в этом многоступенчатом процессе трудно, так как в природе он протекает внутри высокоорганизованного хлоропласта, который к тому же весьма лабилен. При изучении свойств хлорофилла in vitro неминуемо утрачиваются те из них в составе всей системы в хлоропластах, которые позволяют хло­

ренос электрона, а хлорофилл инициирует химические превраще­ ния вещества в хлоропласте.

Известно много природных веществ — фотосенсибилизаторов в видимом свете, но их превращения не связаны с накоплением

Система справа обладает избыточной энергией за счет энергии поглощенного света. Реакция (4) хорошо имитирует фотохими­ ческий акт: свет утилизируется, как и при фотосинтезе. Однако в данном случае наличие градиента электрохимического потен­ циала в отсутствие характерного для фотосинтетического аппа­ рата ферментативного механизма не приводит к образованию стабильных богатых энергией продуктов и энергия теряется немедленно и понапрасну, тогда как возбужденная молекула хло­ рофилла в составе пигмент-белкового комплекса внутри хлоро­ пласта способна «удерживать» энергию поглощенного кванта,

Согласно Красновскому [65], изучение фотохимии изолиро­ ванных пигментов показывает в о з м о ж н ы е п у т и их учас­ тия в фотосинтезе. Таким образом, изучение реакций, сенсиби­ лизируемых «чистым» хлорофиллом, вскрывает только одну, сторону процесса, который может протекать в ходе реакций фотосинтеза.

В лабораториях Красновского [63—66], Евстигнеева [50], а также Рабиновича и Франка [108] изучены многие законо­ мерности превращения световой энергии при фотосинтезе, в раз­ ных по составу моделях и в растворах с различными акцептора­ ми и донорами электрона. Заметим, что данные, полученные при изучении поведения хлорофилла как фотосенсибилизатора in vit­ ro, могут быть отнесены к хлорофиллу in vivo с той оговоркой, что они остаются гипотетическими вплоть до окончательной реконст­ рукции работы всего фотосинтетического аппарата.