2 Slnečná energia je primárnym zdrojom všetkej biologickej energie. Fotosyntetické bunky využívajú energiu slnečného žiarenia na tvorbu glukózy a iných organických produktov. Tieto organické produkty slúžia ako zdroj energie a uhlíka pre heterotrofné bunky.

3 všeobecné charakteristiky fotosyntéza Fotosyntéza je komplexný viacstupňový systém fotofyzikálnych, fotochemických a temných biochemických procesov, pri ktorých je energia slnečného žiarenia premieňaná fotosyntetickými organizmami (baktériami a rastlinami) na dostupné formy energie: chemickú (NADPH, ATP) alebo elektrochemickú (H). Pomocou tejto energie bunka pomocou fotosyntetického systému syntetizuje glukózu a ďalšie zložité organické látky z jednoduchých anorganických látok, oxidu uhličitého a vody. Produktom týchto reakcií je aj molekulárny kyslík uvoľnený z molekúl vody.

4 Fotosyntéza je jedným z najdôležitejších mechanizmov života na Zemi, pretože vďaka nej vznikajú ako zložité, vysoko usporiadané organické látky, tak aj kyslík, ktoré ostatné organizmy (baktérie, rastliny a živočíchy) spotrebúvajú ako zdroje stavebného materiálu. energie. Hlavná celková reakcia fotosyntézy: 6CO 2 + 6H 2 O + hν C 6 H 12 O 6 + 6O kcal / mol

5 Podstatou fotosyntézy je získavanie vysokoenergetických elektrónov vďaka energii svetelných kvánt absorbovaných chlorofylom. Aby sa zabránilo návratu elektrónu do pôvodného stavu a plytvaniu prijatej energie na tepelné procesy, excitovaný elektrón sa veľmi rýchlo prenáša pozdĺž elektrónového transportného reťazca na NADP +, ktorý sa následne využíva pri biosyntetických reakciách. Pôvodným zdrojom elektrónov je voda, ktorá štiepi a uvoľňuje kyslík. Tento kyslík, ktorý je vedľajším produktom fotosyntézy, dýchajú všetky aeróbne organizmy.

7 1) Svetlozberné komplexy SSKI a SSKII patriace do fotosystémov I a II. Obsahujú pigmenty, ktoré absorbujú svetelné kvantá rôznych vlnových dĺžok. Energia, ktorú absorbujú, migruje z pigmentu na pigment, pričom sa v každom kroku mierne rozptýli, až kým nedosiahne reakčné centrum s minimálnou úrovňou energie. Tam spôsobuje excitáciu fotosyntetických pigmentov - molekúl chlorofylu P 700 alebo P 680 v jednom z dvoch fotosystémov - PS I alebo PS II.

8 2) Excitovaná molekula chlorofylu P 700, ktorý je súčasťou fotosystému I (PS I), je schopná ionizovať: P e Elektrón z nej uvoľnený sa prenáša cez elektrónový transportný reťazec na NADP +, pričom ho obnovuje: NADP + + e + H + NADPH. NADPH sa potom používa v Calvinovom cykle na syntézu glukózy. Prázdne miesto, ktoré vzniklo po odchode elektrónu, je vyplnené buď vlastným elektrónom vracajúcim sa cez CET v dôsledku cyklického prenosu, alebo elektrónom pochádzajúcim z PS II.

9 3) Vo fotosystéme II sa v dôsledku excitačnej energie od molekuly chlorofylu P 680: P e oddelí elektrón, ktorý sa prenáša pozdĺž elektrónového transportného reťazca do chlorofylu P 700, čím sa vyplní tam vytvorená vakancia.

10 4) Vakancia vzniknutá na chlorofyle je vyplnená elektrónom, ktorý je odštiepený od molekuly vody pomocou takzvaného water-splitting systému, ktorý je súčasťou fotosystému II. Okrem elektrónu odštepuje z molekuly vody protóny: 2H 2 O 4 H e + O 2 V tomto prípade sa z vody odštiepia aj vodíkové ióny H +, podieľajúce sa na tvorbe protónového gradientu, a uvoľňuje sa molekulárny kyslík, ktorý je vedľajším produktom tohto procesu.

11 5) Prenos elektrónov po ETC vedie k súčasnému prenosu protónov H + cez chloroplastové tylakoidné membrány do strómy komplexom cytochrómov b 6 f, podobne ako mitochondriálny komplex bc 1. Procesy uvoľňovania protónov počas štiepením vody a jej prechodom cez membránu vzniká elektrochemický protónový gradient, ktorý slúži ako zdroj energie pre syntézu ATP.

14 Chloroplasty Fotosyntéza sa uskutočňuje v chloroplastoch – organelách rastlinných buniek. Zvyčajne majú bikonvexný tvar, ako taniere, s priemerom 3-10 mikrónov a hrúbkou 1,5-3 mikrónov, zložené dohromady. Rastlinná bunka obsahuje 1 až 1000 chloroplastov.

15 Prierez bunkou listu hrachu (Pisum sativum), ktorý prešiel cez dva chloroplasty. Chloroplast je od cytoplazmy ohraničený dvoma membránami – vonkajšou a vnútornou. Vonkajšia membrána je hladká, vnútorná tvorí výrastky - lamely. Na lamelách sú umiestnené stohy tylakoidov. Na obrázku sú jasne viditeľné stohy tylakoidov - grana. Molekuly chlorofylu sú koncentrované v tylakoidoch gran medzi vrstvami proteínov a lipidov. Dokáže zachytávať energiu slnečného žiarenia, pomocou ktorého sa z vody a oxidu uhličitého tvoria sacharidy. Nahromadenie uhľohydrátov je na obrázku viditeľné ako tmavé škvrny. Transmisný mikroskop, x

18 Rastlinné chloroplasty sú podobné mitochondriám: na premenu energie využívajú aj elektrónový transportný reťazec a chemiosmotický princíp. Majú tiež dvojmembránový obal obsahujúci vonkajšiu membránu s vysokou priepustnosťou a vnútornú membránu s nízkou priepustnosťou so zabudovanými nosnými proteínmi. Vnútorná oblasť, analogická s mitochondriálnou matricou, sa nazýva stróma. Ale chloroplasty nemajú cristae, ale špeciálny systém vnútorných membrán - tylakoidy - ktoré tvoria tretie vnútorné oddelenie.

19 Tylakoidy sú ploché membránové vaky s priemerom asi 0,5 mikrónu. Sú balené v kôpkach - zrnách. V ich vnútri je tylakoidný priestor. Jednotlivé fazety sú navzájom prepojené lamelami - rozšírenejšími vrstvami. Tylakoidné membrány obsahujú okrem lipidov a bielkovín aj fotoreceptívne pigmenty – rôzne modifikácie chlorofylu a množstvo ďalších pigmentov, ktoré tvoria svetlozbernú anténu. Majú zabudované dva fotosystémy PS I a PS II, ktoré vykonávajú fotosyntézu a H-ATP syntetázu (F 0 F 1), ktorá syntetizuje ATP, ako v mitochondriách.

20 Ultraštruktúra tylakoidov. A. Grana tylakoidy. B. Povrch tylakoidu odhalený metódou mrazu-leptania. Sú viditeľné oblasti s veľkými granulami (B), ktoré predstavujú intratilakoidný povrch tylakoidnej membrány, a oblasti s malými granulami (C), ktoré predstavujú povrch tylakoidnej membrány smerujúci k stróme. Veľké granule sú pravdepodobne súčasťou fotosystému II, povaha malých ešte nebola stanovená.

21 Stróma obsahuje vlastnú DNA chloroplastu, aparát syntetizujúci proteíny, enzýmy Calvinovho cyklu a iných metabolických procesov, cukry, lipidy, organické kyseliny a iné zlúčeniny. Rovnako ako v mitochondriách, chloroplastová DNA kóduje iba časť požadovaných proteínov, zatiaľ čo iné proteíny alebo ich podjednotky sú kódované v bunkovom jadre. Predpokladá sa, že chloroplasty, podobne ako mitochondrie, vznikli v raných štádiách evolúcie rastlín ako výsledok symbiózy rastlinných buniek a niektorých prokaryotických buniek.

22 Fotosyntetické pigmenty Hlavným pigmentom fotosyntézy je chlorofyl a (Chl a). Pozostáva z porfyrínovej hlavy s veľkosťou asi 1,5 x 1,5 nm s hydrofilnými vlastnosťami a z dlhého hydrofóbneho chvosta - fytolu - s dĺžkou asi 2,0 nm. V strede porfyrínového kruhu chlorofylov sa nachádza ión Mg 2+ viazaný koordinačnými väzbami s atómami dusíka. Iné formy chlorofylu - b, c, d, ako aj bakteriochlorofyl - sa líšia bočnými substituentmi a distribúciou dvojitých väzieb v porfyrínovom kruhu.

23

26 Absorpčné spektrá chlorofylov majú dva intenzívne pásy: Soretov pás charakteristický pre porfyríny v modrej alebo blízko ultrafialovej časti spektra a „červený“ absorpčný pás svetla v oblasti nm (u bakteriochlorofylov je posunutý do blízkej infračervenej oblasti oblasť nm). Absorpciu svetla v červenej oblasti spektra zabezpečuje interakcia horčíkového iónu s konjugovaným p -elektronickým systémom porfyrínového kruhu. (Pre porovnanie, hem neobsahujúci Mg 2+ v porfyrínovom kruhu, ale Fe 2+ neabsorbuje svetlo v červenej, ale v zeleno-žltej časti spektra).

27 V bunke sú „červené pásy“ absorpcie chlorofylov posunuté do oblasti s dlhou vlnovou dĺžkou v porovnaní so spektrami získanými v organických rozpúšťadlách, čo poukazuje na významnú úlohu interakcií pigment-pigment, pigment-proteín a pigment-lipid. v dôsledku hustého balenia molekúl chlorofylu vo fotosyntetickej membráne.

28 Metódy nízkoteplotnej a diferenciálnej spektrofotometrie odhalili až 10 modifikácií chlorofylu a, líšiacich sa absorpčným a fluorescenčným spektrom (t. j. umiestnením energetických hladín), extrahovateľnosťou z membrány (t. j. hydrofilnosťou / hydrofóbnosťou) atď. Nazývajú sa „prirodzené formy“ chlorofylu a. Takto boli izolované P 670 (absorbujúce svetlo nm), P 680, P 700 atď. Hlavným faktorom určujúcim vlastnosti týchto natívnych foriem sú interakcie pigment-pigment, t.j. tvorba dimérov a väčších agregátov. V pigmentových agregátoch v dôsledku interakcie p -elektronických systémov je elektrónový oblak "rozmazaný" cez dva alebo viac porfyrínových kruhov. V súlade s tým sa horná úroveň energie zníži a zvýši sa schopnosť absorbovať červené svetlo s dlhšou vlnovou dĺžkou.

30 Okrem chlorofylu sa vo fotosyntetických bunkách nachádzajú aj ďalšie pigmenty: feofytíny, karotenoidy, fykoerytríny, fykobilíny atď. Všetky obsahujú dlhé reťazce konjugovaných väzieb, v ktorých je po celej dĺžke „rozmazaný“ π -elektrónový oblak, čo tiež vedie k zníženiu hladiny excitovanej energie a umožňuje absorbovať kvantá viditeľného svetla. Karotenoidy majú dĺžku reťazca približne 40 atómov uhlíka. Absorbujú svetlo v oblasti nm a majú žltú alebo oranžovú farbu. Fykobilíny absorbujú svetlo v oblasti nm. Všetky dopĺňajú absorpčné spektrum chlorofylu, pohlcujú nielen červené svetlo, ale aj svetlo z iných častí spektra, čo umožňuje rastlinám efektívne zachytávať slnečné žiarenie.

31 Svetlozberné komplexy Pre zvýšenie efektívnosti využitia svetla sú fotóny zachytávané nielen molekulami chlorofylu v reakčných centrách, ale aj pomocnými pigmentmi, ktoré prenášajú elektrónovú excitačnú energiu do reakčného centra. Absorpčný prierez molekuly chlorofylu je v skutočnosti cm 2, preto pri intenzite denného slnečného svetla kvantum / (cm 2 s), intenzita absorpcie kvanta jednou molekulou nie je väčšia ako 1-10 kvanta za sekundu. Ale trvanie cyklu využitia energie fotónu od jeho absorpcie po uvoľnenie molekuly O2 je asi 0,01-0,02 s. V dôsledku toho väčšinu času medzi absorpciou jednotlivých kvánt musí chlorofyl „ležať“. Preto spájanie desiatok molekúl pigmentu, ktoré dodávajú energiu do jedného reakčného centra, zvyšuje efektivitu fotosyntézy.

33 Okrem vyplnenia časových intervalov sa účinnosť zberu svetla zvyšuje pomocou „spektrálneho plnenia“, t.j. absorpcia kvanta v modro-zeleno-žltej oblasti, v ktorej chlorofyly prakticky neabsorbujú svetlo. Túto úlohu zohrávajú rôzne pigmenty – chlorofyly, karotenoidy, fykoerytríny, fykobilíny atď., ktoré majú v tejto spektrálnej oblasti pásy absorpcie svetla. Fotosystémy I a II obklopujú desiatky molekúl pigmentu zachytávajúcich svetlo. Energia absorbovaných fotónov sa premieňa na energiu elektrónovej excitácie molekúl pigmentu. S určitým rozptylom sa prenáša z molekuly na molekulu a po niekoľkých náhodných prechádzkach sa dostáva do reakčných centier fotosystémov I a II - P 680 alebo P 700, čo sú "pasce energie", keďže proces migrácie energie je prerušený v r. ich. Energia sa ďalej neprenáša, ale využíva sa na generovanie vysokoenergetických elektrónov a samotnú fotosyntézu.

34 Skôr, keď nebola stanovená jednoznačná priestorová organizácia molekúl pigmentu, predpokladalo sa ich neusporiadané usporiadanie vo fotosyntetickej membráne a použil sa dobrý termín „anténa na zber svetla“. Ale v posledných desaťročiach, keď sa zistilo, že molekuly pigmentov sú spojené s proteínmi, ktoré organizujú ich usporiadanie, sa začal používať termín "komplexy pigment-proteín zachytávajúce svetlo" (SSPBA alebo jednoducho SSC). V medzinárodnej literatúre sa na ich označenie používa skratka LHC (Light Harvesting Complexes).

35 Obyčajne SSPBC obklopuje funkčné jadro - centrálne jadro-komplex, v ktorom sa nachádzajú reakčné centrá PS I alebo PS II. Na periférii PS I a PS II sú triméry proteínov Lhcb1 / Lhcb2 a centrálna, jadrová časť je obklopená monomérnymi anténnymi proteínmi. V PSI sú to proteíny Lhcal, Lhca2, Lhca3 a Lhca4 a v PS II proteíny Lhcb3, Lhcb4, Lhcb5 a Lhcb6 (alebo CP 25, CP29, CP26 a CP24).

36 Každý monomér Lhc trimrov vo fotosystéme PS II je proteín troch α-helixov 4.3; 5,1 a 3,2 nm. Tieto proteíny viažu 7 molekúl chlorofylu a, 5 molekúl chlorofylu b a 2 molekuly luteínu. Porfyrínové kruhy chlorofylov sú umiestnené v dvoch vrstvách kolmých na rovinu tylakoidnej membrány v blízkosti jej vonkajšej a vnútornej roviny.

37 Schéma štruktúry PS I (a) a PS II (b). (A) ukazuje usporiadanie trimérnych (Lhcb1 / Lhcb2) a monomérnych proteínových komplexov získavajúcich svetlo (Lhcal, Lhca2, Lhca3 a Lhca4). Jadrový komplex v strede obsahuje približne 90 molekúl chlorofylu a. (B) ukazuje približnú polohu trimérnych (Lhcb1 / Lhcb2) a monomérnych svetlozberných proteínových komplexov (Lhcb3, Lhcb4, Lhcb5 a Lhcb6). V strede je zobrazený dimér dvoch jadrových komplexov, z ktorých každý pozostáva z proteínov reakčného centra D1 / D2 a cytochrómu b559, obklopený anténnymi proteínmi CP43 a CP47 obsahujúcimi molekuly chlorofylu a (podľa S. Janssona, 1994 ).

38 Priestorová štruktúra jedného z monomérov v trimérnom komplexe Lhc. Jeho tri α-helixy obsahujú 7 molekúl chlorofylu a (v strede, svetlejšie), 5 - chlorofylu b (na periférii, tmavšie) a 2 - luteín (čierne) (podľa Nelsona a Coxa, 2005).

40 Mechanizmy migrácie energie Najdôležitejším mechanizmom migrácie elektrónovej excitačnej energie vo fotosyntetickej membráne je Försterov indukčný rezonančný mechanizmus. Uskutočňuje sa za účasti singletových excitovaných hladín (S 1) za nasledujúcich záväzných pravidiel: 1) darca musí fluoreskovať; 2) akceptor musí mať absorpčné pásmo zodpovedajúce emisnému pásmu darcu; 3) vzdialenosť medzi nimi by nemala presiahnuť 4-6 nm.

41 K prenosu energie dochádza v dôsledku skutočnosti, že počas existencie excitovaného stavu donoru (c) generuje oscilujúci excitovaný elektrón striedavé elektromagnetické pole. Ak sa jeho frekvencia zhoduje s jednou z rezonančných frekvencií excitovanej akceptorovej molekuly, dochádza k nežiarivému rezonančnému prenosu energie: oscilácie elektrónov sú excitované v akceptore a donorová molekula sa nežiarivo vracia do svojho pôvodného stavu. Typické vzdialenosti indukčno-rezonančného prenosu energie sú 2-5 nm a charakteristický čas je sek. Týmto spôsobom je možné uskutočniť migráciu energie medzi rôznymi komplexmi pigment-proteín.

43 V rámci jedného lokálneho komplexu na zber svetla susediaceho s PSI alebo PSII, kde sú molekuly pigmentu pevne zabalené do kvázikryštalickej štruktúry, možno ich elektronické úrovne zovšeobecniť do zón. V tomto prípade je možný excitonický mechanizmus migrácie energie, pri ktorom absorpcia kvanta svetla vedie k objaveniu sa excitónu - kolektívnej excitácii delokalizovanej nad celým systémom molekúl. Excitácia donorovej molekuly sa šíri cez horné vibračné úrovne do celého systému akceptorov za časovú sekundu, ktorá je kratšia ako relaxačný čas vibračných stavov. Toto je najviac rýchly spôsob energetická migrácia. Na konci tohto časového intervalu môže excitónová energia viesť k excitácii konkrétnej akceptorovej molekuly vo vzdialenosti 1–1,5 nm od darcu.

44 Špecifické mechanizmy prenosu energie v SSPBC závisia od ich štruktúry a hustoty zloženia pigmentu. Prenos excitačnej energie medzi susednými molekulami pigmentu nastáva 0,2-5 ps a medzi rôznymi komplexmi pigment-proteín, ktoré sa nachádzajú vo väčšej vzdialenosti, prebieha pomalšie. Metódy laserovej spektroskopie teda odhalili charakteristické časy prenosu energie rádovo 0,15-0,3 ps, 2-6 ps a ps. Môžu zodpovedať migrácii energie medzi susednými molekulami chlorofylu vo vzdialenosti asi 1 nm, medzi jednotlivými pigmentovými zhlukmi a medzi monomérmi v trimri. V prvých dvoch prípadoch je možný excitonický mechanizmus migrácie energie a v treťom je pravdepodobnejší indukčno-rezonančný prenos. Čas medzi absorpciou fotónu anténou pigmentov a zachytením energie reakčným centrom fotosystému I sa odhaduje na ps a pre fotosystém II na rádovo 300 ps.

45 Takže v anténe zbierajúcej svetlo energia absorbovaná krátkovlnnými formami pigmentov migruje do dlhovlnných foriem. Po ceste sa nejaká časť energie rozptýli, no hlavná časť na konci „pretečie“ na pigmenty P 680 alebo P 700 reakčných centier, kde vďaka nej dochádza k separácii náboja a ďalším fotochemickým procesom.

46 Z-schéma fotosyntézy Vo vyšších rastlinách fotosyntéza zahŕňa dva fotosystémy I a II s vlastnými reakčnými centrami, ktoré zahŕňajú jednu molekulu P 700, respektíve dve molekuly P 680, a zodpovedajúce reťazce transportu elektrónov. Reakčnými centrami fotosyntézy sú veľké pigmentovo-proteínové komplexy vložené do fotosyntetických membrán, so špeciálnym balíkom pigmentov a nosičov elektrónov.

47 Fotosystém I Fotosystém I prenáša elektróny do malého hydrofilného proteínu ferredoxínu, ktorý obsahuje (Fe-S) centrum. Je to mobilný nosič schopný migrovať cez povrch membrány, podobne ako cytochróm c, a prenášať elektróny: a) na NADP + -oxidoreduktázu - proteínový komplex zabudovaný do membrány, ktorý redukuje NADP: NADP + + 2e + H + NADPH. Výsledný NADPH sa používa v Calvinovom cykle na syntézu glukózy.

48 b) na plastochinóny a potom cez komplex cytochrómu b 6 f - späť na P 700. V tomto prípade komplex cytochrómov b 6 f vytvára protónový gradient, ktorý využíva H + - ATP syntáza zabudovaná v tzv. rovnakú membránu na syntézu ATP. K tejto cyklickej fotofosforylácii dochádza, pretože na fixáciu uhlíka a syntézu glukózy je potrebných oveľa viac molekúl ATP ako NADP+.

49 Keďže časť elektrónov P 700 sa využíva v biosyntetických procesoch, chýbajúce elektróny dodáva fotosystém II. Tok elektrónov z fotosystému II cez jeho elektrónový transportný reťazec tiež vstupuje do komplexu cytochrómu b 6 f, čo prispieva k vytvoreniu protónového gradientu na tylakoidnej membráne, a potom cez plastocyanín dosahuje P 700. Pre svoj tvar podobný Z to schéma sa nazýva Z - schéma fotosyntézy.

50 Keďže tvorba jednej molekuly O 2 vyžaduje prenos štyroch elektrónov z dvoch molekúl H 2 O na dve NADP + a prenos jedného elektrónu z vody do NADP + vyžaduje absorpciu dvoch fotónov (dvoma fotosystémami), celkovú rovnicu procesov prenosu elektrónov vo fotosystémoch I a II možno zapísať ako: 2H 2 O + 2NADP + + 8 fotónov O 2 + 2NADPH + 2H +

52 Základný komplex fotosystému I zahŕňa veľké proteíny RsaA a RsaB s molekulovou hmotnosťou asi 83 kDa, ktoré nesú PS I reakčné centrá, ako aj okolo molekúl chlorofylu a a karotenoidov. Primárny donor elektrónov vo fotosystéme I ešte nebol izolovaný vo svojej čistej forme, ale bol dobre charakterizovaný pomocou spektrálnych metód. Jeho spektrum absorpcie svetla obsahuje 2 hlavné pásy pri 700 a 430 nm. V chloroplastoch rastlín je pomer P 700 a ostatných chlorofylov približne rovný 1:400. Predpokladá sa, že reakčné centrum P 700 je tvorené chlorofylom a dimérom. V blízkosti P 700 v reakčnom centre sa nachádzajú primárne a sekundárne akceptory elektrónov A 0 a A 1. Úlohu A 0 zohráva molekula chlorofylu a s absorpčným pásom v oblasti nm a fylochinón (vitamín K 1) je akceptor sekundárnych elektrónov A1. Pripomeňme, že chinóny sú hydrofóbne intramembránové molekuly.

54 Fotosystém II Fotosystém II je zložitejší ako fotosystém I, pretože obsahuje systém oxidujúci vodu, ktorý dodáva elektróny do reakčného centra. Jadrový komplex PS II je dimér dvoch podjednotiek, z ktorých každá obsahuje dva takmer identické proteíny D 1 a D 2, ktoré sú štrukturálnym základom pre organizáciu reakčných centier, cytochróm b 559 a anténne proteíny CP43 a CP47. Reakčné centrum fotosystému II okrem 6 molekúl chlorofylu a obsahuje dve molekuly feofytínu, dve molekuly β-karoténu a jednu molekulu cytochrómu b 559. Sú zadržané a umiestnené vo fotosyntetickej membráne párom takmer identických integrálnych proteínov D 1 a D2 a niekoľko menších proteínov.

55 Vo fotosystéme II je primárnym donorom elektrónov chlorofyl a - P 680. Predpokladá sa, že úlohu reakčného centra P 680 v PSII zohráva dimér chlorofylu. Ale spektrálne vlastnosti naznačujú, že zloženie P 680 môže obsahovať šesť ďalších molekúl chlorofylu umiestnených v určitej vzdialenosti. Štúdiu P 680 bráni skutočnosť, že ide o veľmi silné oxidačné činidlo a dokáže oxidovať susedné molekuly. Pre oxidáciu molekuly vody musí jej redoxný potenciál presiahnuť +810 mV.

56 K separácii náboja a prenosu elektrónov v reakčnom centre fotosystému II dochádza približne rovnako ako vo fotosystéme I. Laserovou spektroskopiou sa ukázalo, že po absorpcii svetelného kvanta sa elektrón prenesie rýchlosťou 3 ps s účinnosťou % z excitovaného chlorofylu P 680 * na primárny akceptor feofytín (FF) je porfyrínový pigment, ktorý neobsahuje koordinovaný atóm kovu, s tvorbou radikálového páru (R FF). Počas nasledujúcich 150 ps sa elektrón prenesie na PQA (alebo jednoducho QA) plastochinón silne viazaný na proteíny a z neho na slabo viazaný PQB (alebo QB) plastochinón umiestnený mimo reakčného centra. Ten sa po prijatí dvoch elektrónov a pripojení dvoch protónov z vody premení na úplne redukovanú formu PQ B H 2, ktorá po difúzii vo vnútri membrány prenáša elektróny do komplexu cytochrómu b 6 f.

58 A. Priestorová organizácia reakčného centra fotosystému II (podľa röntgenovej štrukturálnej analýzy s rozlíšením 3,8) Šípky znázorňujú cestu elektrónov od donoru - iónov Mn v zhluku Mn 4 systému oxidujúceho vodu k sekundárny chinón QB. B. Diagram separácie primárneho náboja vo fotosystéme II, ktorý ukazuje, že počiatočným donorom elektrónov pre feofytín (Phe) je chlorofyl naviazaný na D1 a výsledná „diera“ migruje do P680 (podľa Barber, 2003)

59 Komplex cytochrómu b6f Komplex cytochrómu b 6 f je podobný mitochondriálnemu komplexu cytochrómu bc 1. Podieľa sa na prenose elektrónu z fotosystému I (z ferredoxínu) alebo z fotosystému II (z plastochinónu PQ BH 2) cez plastocyanín až po fotosystém I. Tento komplex je dimérom dvoch rovnakých monomérov. Obsahuje dva cytochrómy b 6 s vysokým a nízkym potenciálom hemov (označené ako b H ​​a b L), cytochróm f s hemom f, ďalší hem x s neznámou funkciou a β-karotén, ktorého funkcie sú tiež neznáme. Zahŕňa aj železo-sírový proteín Riske so stredom (Fe 2 -S 2).

60 Plastochinón PQ B pravdepodobne transportuje protóny cez fotosyntetickú membránu mechanizmom podobným Q-cyklu v mitochondriálnom komplexe cytochrómov bc 1. V každom prípade sa predpokladá, že v kontaktnej oblasti každého monoméru s iným monomérom je plastochinónové väzbové centrum, takže medzi nimi môže byť umiestnený pár plastochinónov PQ a PQH 2, ktoré môžu vykonávať Q-cyklus. Ale na rozdiel od mitochondrií, kde sa vodíkové ióny prenášajú z matrice do medzimembránového priestoru, v chloroplastoch sa protóny prenášajú do tylakoidov. To vedie k vytvoreniu elektrochemického protónového gradientu využívaného H + -ATP- syntázou (F 0 F 1) na produkciu ATP.

61 Spolupráca komplex cytochrómov b 6 f, NADP + -oxidoreduktáza a systém oxidujúci vodu vytvára 1000-násobný gradient koncentrácie protónov. Výsledkom je, že objem intratylakoidu nadobudne hodnotu pH 5, zatiaľ čo pH strómy je približne 8. Tým sa na membráne tylakoidu vytvorí protónová hybná sila približne 200 mV (jedna jednotka pH sa približne rovná 60 mV), takmer úplne kvôli rozdielu v koncentráciách H +, a nie membránovému potenciálu (tylakoidná membrána je priepustná pre ióny Mg 2+ a Cl - a vyrovnávajú rozdiel potenciálov). Túto protónovú hybnú silu využíva H + - ATP syntetáza, rovnako ako v mitochondriách, na syntézu ATP.

63 Prenos protónov komplexom cytochrómu b 6 f v tylakoidoch prebieha podľa mechanizmu Q-cyklu ako v mitochondriálnom komplexe cytochrómov bc 1. Jeden z elektrónov PQH 2 sa prenesie na nízkopotenciálny hem b. L, a druhý - do Fe 2 -S 2 centra Riskeho proteínu a ďalej cez cytochróm f k plastocyanínu. V tomto prípade sa protóny absorbujú zo strómy, naviažu sa na plastochinón (Q + 2H + QH 2), ktoré sa potom uvoľnia do tylakoidu.

64 Systém oxidujúci vodu Prvotným zdrojom elektrónov pre systémy prenosu elektrónov fotosyntézy je voda. Dodáva tiež vodíkové ióny na vytvorenie protónového gradientu. Ale na ich získanie je potrebné rozdeliť molekulu vody: 2H 2 O 4 H e + O 2

65 Na rozdelenie dvoch molekúl vody sú potrebné najmenej štyri fotóny. Ale fotosyntetický mechanizmus môže naraz manipulovať iba s jedným elektrónom. Na vyriešenie tohto problému majú fotosyntetické bunky špeciálny systém oxidujúci vodu (alebo vodu štiepiaci) úzko, štruktúrne a funkčne súvisiaci s fotosystémom II. Prenáša elektrón odobratý z vody do P 680, aby kompenzoval stratu elektrónu počas procesu separácie náboja. To znamená, že ide o priamy elektrónový donor pre P 680. Molekulárna povaha tohto elektrónového donoru (bol označený ako Z) zostala dlho neznáma, ale potom sa zistilo, že jeden z tyrozínov polypeptidu D1 (YZ ) zohráva svoju úlohu. Ale keďže P 680 môže prijať iba jedno e naraz a keď sa voda rozdelí, štyri z nich by sa mali uvoľniť, potom musí existovať katalytické centrum schopné viazať dve molekuly vody, akumulovať odštiepené elektróny a nasmerovať ich jeden na čas na P 680.

66 Bolo navrhnuté, že systém oxidácie vody funguje ako 4-taktný cyklický mechanizmus. V experimentoch s osvetlením PSII s krátkymi zábleskami bol relatívny výťažok kyslíka maximálny po 1. a 5. záblesku. Predpokladá sa, že komplex produkujúci O2 existuje v piatich medzistavy oxidácia: S 0, S 1, S 2, S 3 a S 4, k prechodu medzi ktorými dochádza pri osvetlení postupnými zábleskami svetla. Táto postupnosť sa nazýva S-cyklus.

68 Ale ktorá látka môže akumulovať 4 elektróny a zmeniť svoju mocnosť o 4 jednotky? Ukázalo sa, že ide o ióny mangánu. Mangán bol dlho objavený v PSII a bolo známe, že ak je menej ako 4 atómy na molekulu P 680, potom sa O 2 nevyvíja. Mangán môže byť v niekoľkých stabilných stavoch od Mn +2 do Mn +7. Pre ión viazaný na proteín sa to označuje ako Mn (II), Mn (III) atď. Ukazuje sa, že prechodom S 0 S 1 S 2 sa mení oxidačný stav mangánu: Mn (II) Mn (III) Mn (IV).

69 Pomocou röntgenovej spektroskopie boli vo fotosyntetickej membráne nájdené zhluky tetramangánu a bola študovaná ich štruktúra. Pozostávajú z dvoch dimérov, v ktorých sú atómy mangánu spojené kyslíkovými mostíkmi. Predpokladá sa, že po odstránení štyroch elektrónov je oxidovaný klaster mangánu v stave S 4 schopný oxidovať dve molekuly vody. K tomu dochádza v záverečnej fáze cyklu S 4 S 0.

75 V prvej fáze Calvinovho cyklu sa uskutočňuje fixácia (asimilácia) uhlíka z oxidu uhličitého, t.j. pridanie molekuly CO 2 k päťuhlíkovej molekule ribulóza-1,5-bisfosfátu s jej rozštiepením na dve trojuhlíkové molekuly 3-fosfoglycerátu. Potom sa za účasti NADPH a ATP redukuje na glyceraldehyd-3-fosfát, ktorý sa používa na syntézu cukrov a škrobu, ako aj na produkciu ATP v glykolytickom procese. A napokon za účasti ATP môže dôjsť k regenerácii akceptora uhlíka, ribulóza-1,5-bisfosfátu, čím sa cyklus uzavrie.

Prednáška 6. ENERGIA ŽIVOTA. 2. ORGANISKY
Z UHLÍKOVÉHO PLYNU: FOTOSYNTÉZA A CHEMOSYNTÉZA

Fotosyntéza

Pomocou glukózy ako príkladu sme skúmali, ako sa organické molekuly v živých organizmoch rozkladajú na oxid uhličitý a vodu na energiu. Teraz uvažujme opačný proces – ako tieto organické látky (tá istá glukóza) vznikajú z oxidu uhličitého a vody, t.j. fotosyntéza... V skutočnosti existujú aj iné, menej bežné varianty organickej biosyntézy, o ktorých budeme uvažovať nižšie. Hlavná je však práve fotosyntéza, v dôsledku ktorej sa na Zemi ročne vytvorí 150 miliárd ton cukrov.

Už sme si pripomenuli celkovú reakciu fotosyntézy:

C02 + H20 = (CH20) + 02.

Keď sme dýchali, rozložili sme glukózu, aby sme vytvorili určité množstvo (asi 30 kusov) molekúl ATP. Je logické predpokladať, že na syntézu glukózy je potrebné minúť nejaké molekuly ATP. Navyše, ak vezmeme do úvahy zďaleka nie stopercentnú účinnosť biochemických reakcií, s najväčšou pravdepodobnosťou bude potrebné minúť niekoľko ďalších molekúl ATP na syntézu jednej molekuly glukózy. Bolo by prirodzené predpokladať, že podobne ako dýchanie, aj proces organickej syntézy bude pozostávať z dvoch častí – tej, ktorá sa zaoberá ATP, a tej, ktorá sa zaoberá glukózou, t.j. Po prvé, niekde by mala byť syntéza ATP ako univerzálneho energetického zdroja a až potom - syntéza glukózy v dôsledku energie tohto ATP. Oba tieto procesy prebiehajú.

Keďže hovoríme o zvyšovaní, nie o znižovaní množstva organickej hmoty, energiu na získanie ATP budeme brať nie z rozkladu organickej hmoty, ale z iného zdroja. V najbežnejšom prípade bude zdrojom slnečné svetlo.

Už na začiatku výskumu fotosyntézy sa ukázalo, že existuje skupina reakcií, ktoré závisia od osvetlenia a nezávisia od teploty, ale existuje skupina reakcií, ktoré naopak od osvetlenia nezávisia a závisia na teplote. Prvý bol pomenovaný svetelné štádium fotosyntézy, druhá je temné štádium fotosyntézy... To by sa nemalo chápať v tom zmysle, že jeden ide cez deň a druhý v noci. Obe skupiny reakcií prebiehajú súčasne, len jedna potrebuje svetlo a druhá nie. Pre realizovateľné úlohy je celkom prirodzené, že svetlá fáza fotosyntézy pripomína oxidačnú fosforyláciu a tmavá fáza je cyklus trochu podobný Krebsovmu cyklu.

Aby sme sa zoznámili so svetelnou fázou fotosyntézy, musíme zvážiť taký chemický jav, akým sú pigmenty. Čo sú pigmenty? Ide o farebné látky. Prečo sú niektoré látky farebné, kým väčšina látok je bezfarebná? Čo znamená naša vízia určitej farby? To znamená, že svetlo prijímame z hmoty, v ktorej sa pomer fotónov s rôznymi vlnovými dĺžkami líši od denného bieleho svetla. Ako viete, biele svetlo je zmesou fotónov doslova vo všetkých farbách dúhy. Farba svetla znamená prevahu určitých vlnových dĺžok nad inými. Látky vidíme na dennom svetle. Ak teda vidíme látku sfarbenú, znamená to, že selektívne absorbuje fotóny s určitými vlnovými dĺžkami. Absorbované fotóny bez pokojovej hmotnosti prestanú existovať. Kam ide ich energia? Ide nabudiť molekulu, preniesť ju do nového, energeticky nasýtenejšieho stavu.

Aby molekula mohla absorbovať svetlo a prejsť do energeticky nasýteného stavu, musí byť systémom, v ktorom je takýto stav možný. Väčšina organických pigmentov sú látky s pravidelným striedaním dvojitých a jednoduchých väzieb medzi uhlíkmi, t.j konjugovať dvojité väzby. Tieto väzby tvoria rezonančné systémy, v ktorých sa elektróny podieľajú na tvorbe dvojitých väzieb (tvorených orbitálmi, ktoré sa nezúčastňujú na sp 2 -hybridizácia), môže sa pohybovať v celom systéme a byť v niekoľkých energetických stavoch. Počet takýchto stavov a energia potrebná na prechod elektrónu z jedného do druhého sú prísne stanovené pre každú molekulu. Vyplýva to z kvantovej fyziky – vedy, ktorá je pre nepripraveného človeka, ktorou sme aj my, najťažšia na pochopenie. Berme to preto ako samozrejmosť, dôverujme kritickým vlastnostiam vedeckej komunity, ktorá svojho času kvantovú teóriu nie bez odporu akceptovala, no jej obrovské úspechy rozptýlili všetky pochybnosti.

Energia, ktorá rozlišuje stavy elektrónu v rezonančných systémoch, je taká, že úzko zodpovedá energii fotónov určitej vlnovej dĺžky vo viditeľnej časti spektra. Preto rezonančné systémy budú absorbovať tie fotóny, ktorých energia je rovnaká alebo mierne vyššia ako prenos ich elektrónov do jedného z energeticky nasýtenejších stavov. (Keďže energia fotónu sa veľmi zriedka presne rovná excitačnej energii elektrónu, zvyšok energie fotónu po odovzdaní jeho hlavnej časti elektrónu sa premení na teplo). Preto látky s rezonančnými sústavami majú väčšinou farbu, čiže sú to pigmenty.

Poďme sa pozrieť na molekuly niektorých dôležitých pigmentov pre náš prípad. Pre začiatok je najdôležitejším pigmentom chlorofyl.

Rovnako ako v prípade hemu, ktorý je naviazaný na molekuly hemoglobínu a cytochrómov, vidíme prelamovanú a takmer symetrickú organickú štruktúru, vrátane niekoľkých dvojitých väzieb - porfyrínový kruh... V jeho strede je tiež atóm kovu, nie však železa, ako v prípade hému, ale horčíka. Je viazaný na štyri atómy dusíka (horčík a porfyrínový kruh tvoria komplexný). Dá sa celkom očakávať, že takáto molekula bude zafarbená a nepomýlime sa. Táto molekula absorbuje fotóny vo fialovej a modrej a potom v červenej časti spektra a neinteraguje s fotónmi v zelenej a žltej časti spektra. Preto chlorofyl a rastliny vyzerajú zeleno – jednoducho nedokážu využiť zelené lúče a nechať ich kráčať v bielom svetle (čím sa stanú zelenšími).

K porfyrínovému kruhu v molekule chlorofylu je pripojený dlhý uhľovodíkový chvost. Na obr. 6.1 vyzerá trochu ako kotviaca reťaz. On je. Táto časť molekuly, ktorá nemá žiadne elektronegatívne atómy, je nepolárna, a preto je hydrofóbna. Pomocou nej je chlorofyl ukotvený v hydrofóbnej strednej časti fosfolipidovej membrány.

Chlorofyl rastlín sa vyskytuje v dvoch formách -a a b... V zelených rastlinách je asi štvrtina chlorofylu zastúpená druhou formou b... Líši sa tým, že jedna metylová skupina na okraji porfyrínového kruhu - CH 3 nahradený skupinou - CH20H ... To stačí na posunutie absorpčného spektra molekuly. Tieto spektrá sú znázornené na obrázku:

Počas svetelnej fázy fotosyntézy sa energia absorbovaných fotónov slnečného svetla premieňa na excitovaný stav elektrónov molekuly chlorofylu a následne sa využíva na syntézu ATP – už sme videli, ako živé systémy dokážu excitované elektróny skrotiť, obratne a so ziskom narábať ich. Vyššie uvedený obrázok ukazuje graf účinnosti fotosyntézy oproti vlnovej dĺžke svetla, ktorým je rastlina ožiarená.

Trochu odlišnú štruktúru majú karotenoidy – červené a žlté pigmenty. (Sú to karotenoidy, ktoré farbia mrkvu a horský popol, sú to aj vitamín A.) Majú však aj systém konjugovaných dvojitých väzieb, o niečo jednoduchší.:

Karotenoidy sa tiež podieľajú na fotosyntéze, ale ako pomocné molekuly.

Opäť musíme urobiť priestorovú rezerváciu. Rovnako ako bunkové dýchanie prebieha v mitochondriách, fotosyntéza prebieha v chloroplastoch. Chloroplasty sú organely podobné mitochondriám, sú však väčšie a majú vyvinutejšiu vnútornú štruktúru; naplnené plochými bublinami - tylakoidmi, ktoré sa zhromažďujú v stohoch - grana.

Fotosyntetické pigmenty sa nachádzajú na vnútornej strane tylakoidnej membrány. Sú organizovaní v fotosystémy- celé anténne polia na zachytávanie svetla - každý systém obsahuje 250-400 molekúl rôznych pigmentov. Ale medzi nimi má zásadný význam jedna molekula chlorofylu. a- to sa nazýva reakčné centrum fotosystémy. Všetky ostatné molekuly pigmentu sú tzv anténne molekuly... Všetky pigmenty vo fotosystéme sú schopné navzájom prenášať energiu excitovaného stavu. Fotónová energia absorbovaná jednou alebo druhou molekulou pigmentu sa prenáša na susednú molekulu, kým nedosiahne reakčné centrum. Keď rezonančný systém reakčného centra prejde do excitovaného stavu, prenesie dva excitované elektróny na akceptorovú molekulu, čím sa oxiduje a získa kladný náboj.

Rastliny majú dva fotosystémy - 1 a 2. Molekuly ich reakčných centier sú mierne odlišné - prvý má maximálnu absorpciu svetla pri vlnovej dĺžke 700 nm, druhý - 680 nm (bola urobená výhrada za účelom objasnenia obrázkov na diagramy), sú označené P700 a P680 ... (Rozdiely v optimách absorpcie sú spôsobené malými rozdielmi v štruktúre pigmentu.) Typicky tieto dva systémy pracujú v spojení, ako dvojdielny dopravník tzv. necyklická fotofosforylácia.

Ďalšia schéma:

Výrobný cyklus začína fotosystémom 2. S ním sa deje nasledovné:

1) molekuly antény zachytávajú fotón a prenášajú excitáciu na molekulu aktívneho centra P680;

2) excitovaná molekula P680 daruje dva elektróny kofaktoru Q (veľmi podobný tomu, ktorý sa zúčastňuje na transportnom reťazci elektrónov v mitochondriách), pričom oxiduje a získava kladný náboj;

3) pôsobením určitých enzýmov obsahujúcich mangán sa oxidovaná molekula P680 redukuje odčítaním dvoch elektrónov od molekuly vody. V tomto prípade sa voda disociuje na protóny a molekulárny kyslík. Na vytvorenie jednej molekuly kyslíka je potrebné obnoviť dve molekuly P680, ktoré stratili celkovo štyri elektróny a vznikajú štyri protóny.

Pozor – práve tu vzniká pri fotosyntéze kyslík. Keďže vzniká štiepením molekúl vody pôsobením svetla, tento proces sa nazýva tzv fotolýza vody;

4) tieto protóny vznikajú vo vnútornom priestore tylakoidu, kde vzniká nadbytočná koncentrácia protónov v porovnaní s okolitým priestorom (t.j. kyslejšie prostredie). Tak vznikajú naše staré známe – protónový gradient a membránový potenciál. Už vieme, ako sa to všetko použije: ATP syntetáza bude uvoľňovať protóny smerom von v pároch a syntetizovať ATP z ADP. Všimnime si jeden zdanlivý rozdiel oproti mitochondriám – pri oxidatívnej fosforylácii v mitochondriách sa protóny odčerpávajú z priestoru ohraničeného vnútornou mitochondriálnou membránou a cez ATP syntetázu sa dostávajú späť. V našom prípade sú protóny pumpované do vnútorného priestoru tylakoidu a odtiaľ odchádzajú cez ATP syntetázu. Vnútorný priestor tylakoidu však zodpovedá priestoru medzi dvoma membránami chloroplastu – sú to akoby oddelené záhyby (podobné mitochondriálnym krístam) vnútornej membrány;

5) medzitým dva elektróny prichádzajúce do kofaktora Q , sa prenášajú ďalej pozdĺž proteínového reťazca, ktorý je veľmi podobný reťazcu transportu elektrónov. Zahŕňa aj chinóny, cytochrómy – proteíny obsahujúce hém v komplexe s atómom železa, proteíny obsahujúce železo a síru, chlorofyl a plastocyanín – enzým obsahujúci meď. A prechod elektrónov cez ňu je sprevádzaný aj transportom protónov proti koncentračnému gradientu cez tylakoidnú membránu, ktorá opäť vyleje vodu na mlyn ATP syntetázy;

6) nakoniec elektróny idú z plastocyanínu do reakčného centra fotosystému 1 - molekuly P700.

Vo fotosystéme 1 sa deje nasledovné:

1) molekuly antény zachytávajú fotón a prenášajú energiu do rezonančného systému reakčného centra P700, ktorý sa excituje a dáva dva elektróny akceptorovému proteínu obsahujúcemu železo (P430). Ako v prípade fotosystém 2, P700 tým oxiduje a získava kladný náboj;

2) táto molekula sa obnoví a stratí svoj náboj po prijatí dvoch „upokojených“ (nie však do pôvodného stavu – ich energia ešte nie je úplne spotrebovaná!) elektrónov pôvodne prijatých z fotosystému 2. V tomto prípade nie je potrebná fotolýza a nedochádza k nej;

3) P430 daruje elektróny inému proteínu obsahujúcemu železo nazývanému ferodoxín;

4) po prijatí elektrónov tento proteín redukuje koenzým NADP+ na NADP-H. Tento koenzým je fosforylovaný NAD. Proces prebieha na vonkajšej membráne tylakoidu. Vyžaduje si to protón, ktorý sa odoberá z vnútorného priestoru chloroplastu mimo tylakoidu. Protónový gradient je teda len zvýšený.

Pripomína vám niečo posledný krok? Áno, pripomína to, ako sa NAD-H oxidoval na NAD + a daroval elektróny pozdĺž elektrónového transportného reťazca. Iba tu sa všetko deje v opačnom poradí. Tam NAD-H odovzdal energiu elektrónu, ktorý ju stratil, prechádzajúc reťazcom prenosu elektrónov. A tu, naopak, elektrón excitovaný energiou slnečného svetla akumulovanou dvoma postupne konjugovanými fotosystémami ho prenáša na NADP + a obnovuje ho na NADP-H.

Celá svetelná fáza fotosyntézy je totiž podobná oxidatívnej fosforylácii v mitochondriách v tom, že počas nej dochádza k prenosu elektrónov pozdĺž podobného reťazca proteínov, v dôsledku čoho sa v určitom membránou obmedzenom priestore vytvorí nadbytočná koncentrácia protónov - v tomto prípade vnútorný priestor tylakoidu a na membráne - potenciálny rozdiel. Výsledná potenciálna energia elektrostatických síl sa využíva na syntézu ATP v dôsledku pohybu protónov pozdĺž gradientu, ktorý uskutočňuje ATP syntetáza. Rozdiel oproti oxidatívnej fosforylácii je v tom, že ak sa na excitáciu elektrónov použila redukovaná molekula NAD-H, tak sa na to používa svetlo a NADP + sa naopak redukuje a využíva sa v temnom štádiu fotosyntézy (a môže byť ďalej používané v tých istých mitochondriách). Vo všeobecnosti sa ukazuje, že protóny vznikajú vo vnútornom priestore tylakoidu pri fotolýze vody, čerpajú sa tam pri prevádzke fotosystému 2 a naberajú sa z vonkajšieho priestoru tylakoidu za účelom redukcie NADP + na NADPH, cez ktorý sa vodík vstupuje do sacharidov syntetizovaných počas fotosyntézy.

Tu na diagrame sú zobrazené viac-menej všetky hlavné procesy svetelnej fázy fotosyntézy:

Fotosystém 1 však môže pracovať autonómne. V tomto prípade sa používa bypassová cesta prenosu elektrónov z excitovaného reakčného centra - konkrétne rovnaký reťazec prenosu elektrónov, ktorý vedie z fotosystému 2. Elektróny ním prechádzajú a spôsobujú konjugovaný transport protónov z vonkajšieho prostredia tylakoidu do vnútorný, ktorý zvyšuje protónový gradient a vracia sa späť do reakčného centra fotosystému 1 - P700. Zdá sa teda, že svetlo roztáča koleso protónovej pumpy bez oxidácie vody alebo redukcie NADP. To sa nazýva cyklická fotofosforylácia... Môže prebiehať súbežne s necyklickým. Okrem toho ho využívajú aj niektoré fotosyntetické baktérie, ktoré pri fotosyntéze neuvoľňujú kyslík.

Výsledok svetelnej fázy fotosyntézy počas necyklickej fotofosforylácie (a to je hlavný variant) možno zapísať vo forme nasledujúcej reakcie:

2NADP + 2ADP + 2F- + 2 H20 + 4 hv = 2NADP-H + 2ATP + 02.

Tu je hv symbol energie jedného fotónu, Ф je konvenčné označenie zvyšku kyseliny fosforečnej z roztoku. Je to približné, pretože, ako pri oxidatívnej fosforylácii, množstvo ATP syntetizovaného ATP syntetázou nie je striktne spojené s počtom elektrónov prechádzajúcich pozdĺž proteínového reťazca vo fotosystéme II.

Náš približný gescheft ako výsledok svetelnej fázy fotosyntézy, ktorej úplný diagram je znázornený na obr. 6,6, - jeden ATP a jeden redukovaný koenzým (ktorý, ako si pamätáme, pri dýchaní "stojí" 2,5 ATP) na dva fotóny, teda takmer dva ATP na jedno kvantum energie, požičané z jedného absorbovaného fotónu. Nie zlé!

Takže sme sa pozreli na to, odkiaľ pochádza energia (t. j. ATP) počas fotosyntézy. Zostáva zvážiť, ako sa organické látky vyrábajú pomocou tejto energie.

Rastliny využívajú na túto výrobu tri možnosti. Zvážte najbežnejší z nich, ktorý používajú aj modrozelené riasy a fotosyntetické a dokonca aj chemosyntetické baktérie - Calvinov cyklus. Ide o ďalší uzavretý cyklus vzájomnej premeny organických látok na seba pôsobením špeciálnych enzýmov, podobne ako Krebsov cyklus. A mimochodom ešte jeden nobelová cena, 1961 - Melvinovi Calvinovi, ktorý ho objavil.

Cyklus začína cukrom, ktorý má reťazec piatich atómov uhlíka a nesie dve fosfátové skupiny – ribulóza-1,5-bisfosfát (a ním končí). Proces začína, keď špeciálny enzým – ribulózabifosfátkarboxyláza – naň pripojí molekulu CO2. Krátkodobo vytvorená šesťuhlíková molekula sa okamžite rozloží na dve molekuly glycerát-3-fosfátu (alias 3-fosfoglycerátu, s touto látkou sme sa už stretli pri glykolýze). Každý z nich obsahuje tri atómy uhlíka (preto sa nazýva aj Calvinov cyklus C 3-cestná fixácia oxidu uhličitého).

V skutočnosti je to tento enzým, ribulózabifosfátkarboxyláza, ktorý fixuje oxid uhličitý v organickej hmote. Ide o prekvapivo pomalý enzým – karboxyluje len tri molekuly ribulóza-1,5-bisfosfátu za sekundu. To je na enzým veľmi málo! Preto je potrebné veľké množstvo tohto enzýmu samotného. Je fixovaný na povrchu tylakoidných membrán a tvorí asi 50 % všetkých proteínov chloroplastov. Je známe, že ide o najrozšírenejší proteín na svete (premýšľajte prečo).

Glycerát-3-fosfát so spotrebou jednej molekuly ATP sa fosforyluje na difosfoglycerát. To zase defosforylovaný na glyceraldehyd-3-fosfát a počas tejto reakcie sa jedna molekula redukovaného NADPH-H oxiduje na NADP+. Opäť plytvanie energiou!

Výsledná zlúčenina, glyceraldehyd-3-fosfát, je naším starým priateľom. Vzniká pri rozklade glukózy pri glykolýze, a to pri rozklade fruktóza-1,6-bisfosfátu. Z toho v priebehu enzymatických reakcií, ktoré prebiehajú bez spotreby energie, môžete získať glukózu. Niektoré z glykolýzových reakcií sú ireverzibilné (najmä tie, ktoré defosforylujú ATP), takže sú zahrnuté ďalšie reakcie a iné mediátory.

Zdalo by sa, že je to všetko fotosyntéza. Ale aby to pokračovalo, musíme nejako zregenerovať ribulóza-1,5-bisfosfát – hlavný substrát enzýmu fixujúceho oxid uhličitý. Preto na každých 12 molekúl vytvoreného glyceraldehyd-3-fosfátu pripadajú iba dve na syntézu glukózy a 10 na redukciu šiestich molekúl ribulóza-1,5-bisfosfátu. Tento proces zahŕňa 12 x 3 = 6 x 5 = 30 atómov uhlíka, ktoré sa preskupujú z 10 trojuhlíkových molekúl na 6 päťuhlíkových. Zároveň na vstupe máme 10 fosfátových skupín (jedna pre každú molekulu glyceraldehyd-3-fosfátu) a na výstupe by sme ich mali mať 12. Na celú túto časť sa však spotrebuje ďalších šesť molekúl ATP. proces.

Ak odpočítame látky regenerujúce sa počas cyklu (ktoré nie sú dodatočne syntetizované a nespotrebované), potom celková rovnica pre fixáciu oxidu uhličitého dostaneme takto:

6 CO2 + 12NADP-N +18 ATP = 1 glukóza + 12NADP + + 18ADP + 18P- + 6 H20

(tu je Ф voľná fosforová skupina).

Dostaneme cenu 12 redukovaných koenzýmov a 18 ATP na molekulu glukózy. Ak si spomenieme na „cenu“ redukovaného koenzýmu v spoločnosti Electron Transfer Chain Company 2,5 molekúl ATP, potom nás výroba jednej molekuly glukózy – jednej medzibunkovej meny – stojí v jednej bunkovej mene 48 ATP. Keď sme to rozdelili, dostali sme len asi 30 ATP. Zdá sa, že rozdiel v kurzoch nákupu a predaja sa nazýva „marža“. V tomto prípade je to dosť veľké! Asi 1/3 energie sa stráca v dôsledku účinnosti biochemických procesov. (V technológii by to bola úplne obrovská hodnota pre efektivitu.)

Ako vidíme, fotosyntéza je vo všeobecnosti trochu ako bunkové dýchanie obrátené naruby. Tam, v priebehu uzavretého cyklu vzájomnej premeny malých organických látok, sa časť z nich spotrebovala za uvoľnenia oxidu uhličitého a redukovali sa koenzýmy, ktoré sa následne oxidovali, čím sa elektróny odovzdali do elektrónového transportného reťazca, odkiaľ nakoniec odišli. na molekulárny kyslík za vzniku vody. Tu proces začína odobratím elektrónov z vody s tvorbou molekulárneho kyslíka, odtiaľ (po prijatí energie zo svetla) vstupujú do elektrónového transportného reťazca a nakoniec vedú k obnove koenzýmov. Redukované koenzýmy a oxid uhličitý vstupujú do cyklickej interkonverzie organických látok, pri ktorej dochádza k ich syntéze so spotrebou ATP. Dokonca aj oblasti vonkajšieho priestoru vo vzťahu k organele sa ukázali byť obrátené naruby a stali sa vnútorným priestorom tylakoidu.

Tento najobľúbenejší variant fotosyntézy má však úskalia. Ribulóza-bifosfátkarboxyláza je navrhnutá tak, že je schopná premeniť ribulóza-1,5-bifosfát nielen na dve pre nás (teda rastliny) žiadúce molekuly glycerát-3-fosfátu, ale aj naopak. vec - stačí ju okysličiť kyslíkom na jednu molekulu glycerát-3-fosfátu s elimináciou molekúl oxidu uhličitého.

Kyselina fosfoglykolová sa potom premení na kyselinu glykolovú a oxiduje kyslíkom na ďalšie dve molekuly oxidu uhličitého (k tomu dochádza v špeciálnych bunkových organelách - pyroxizómoch, ktoré na tento účel tesne susedia s plastidmi). Namiesto toho, aby sme oxid uhličitý fixovali v organickej molekule, my ho naopak vyrábame organická molekula... Tento proces, keďže pozostáva zo spotreby kyslíka s uvoľňovaním oxidu uhličitého, sa nazýva fotorespirácia, ale na rozdiel od skutočného dýchania sa v ňom neukladá žiadna užitočná energia. Žiaduci proces (fixácia oxidu uhličitého) je katalyzovaný ribulózabifosfátkarboxylázou pri vysokých koncentráciách oxidu uhličitého a nízkych koncentráciách kyslíka a nežiaduci proces (eliminácia oxidu uhličitého) naopak pri nízkych koncentráciách oxidu uhličitého a vysokých koncentrácie kyslíka, ale práve tieto podmienky panujú v atmosfére a bunkách mezofylu – rastlinnom tkanive, v ktorom prebieha fotosyntéza.

Výsledkom je, že až polovica novo fixovaného uhlíka sa stratí v dôsledku fotorespirácie. Aby sa táto prekážka obišla, mnohé nepríbuzné závody vyvinuli riešenie na fixáciu CO 2 . Nazýva sa to cesta C4. Oxid uhličitý sa pri ňom fixuje dvakrát – najprv na molekulu fosfoenolpyruvátu za vzniku kyseliny jablčnej, alebo malátu (u iných rastlín kyseliny asparágovej), ktorý má 4 atómy uhlíka.

Tento proces je katalyzovaný enzýmom fosfoenolpyruvátkarboxylázou, ktorý nie je fixovaný na membráne, ale je rozpustený v cytoplazme mezofilných buniek. Navyše nevyužíva molekulu CO 2 ako takú, ale jej hydratovanú formu - ión kyseliny uhličitej CO 3 -, ktorá je pri rozpustení vo vode v rovnováhe s CO 2 . Potom kyselina jablčná migruje do ďalších buniek (výstelka cievnych zväzkov), kde sa z nej opäť odštiepi molekula oxidu uhličitého a okamžite, akoby sa nič nestalo, vstupuje do Calvinovho cyklu. Vzniknutý pyruvát sa vracia do mezofilných buniek, kde sa spotrebou ATP fosforyluje a premieňa na fosfoenolpyruvát, ktorý sa tým regeneruje - a všetko sa v cykle opakuje. Trik je v tom, že v bunkách puzdra, kam neprenikne toľko kyslíka, sa vytvorí zvýšená koncentrácia oxidu uhličitého, takže ribulózabifosfátkarboxyláza katalyzuje požadovanú reakciu. Všimnite si, že použitím dráhy C4 sme nútení minúť ďalšiu molekulu ATP, aby sme fosforylovali pyruvát.

Dovoľte nám upozorniť len na to, že s pyruvátom a kyselinou jablčnou sme sa už stretli v Krebsovom cykle, teda že nejaká časť tohto starého dobrého cyklu sa podieľala na „záchrane“ temného štádia fotosyntézy pred fotorespiráciou. Typický príklad toho, ako sa veci majú v biochémii.

Obtok C 4 je účinný pri vysokých teplotách, ale neúčinný pri nízkych teplotách. Preto podiel rastlín, ktoré ho využívajú, stúpa smerom na juh.

Existuje aj takzvaná "cesta bastardov" - implementuje sa v rodine bastardov a kaktusov. Sú to naozaj veľmi husté rastliny, ktoré rastú tam, kde je horúco a málo vody. Šetria vodu, počas horúceho dňa si uzatvoria prieduchy (to sú otvory, cez ktoré sa plyny dostávajú do listov), ​​a preto nedokážu absorbovať CO2. CO 2 fixujú len v noci, počas ktorej sa vo veľkom ukladá kyselina jablčná. Počas dňa, keď sú prieduchy uzavreté, dochádza k ich dekarboxylácii a regenerovaný CO2 vstupuje do Calvinovho cyklu (aj keď patrí do temnej fázy fotosyntézy). Takže tieto rastliny tiež používajú C 4 bypass cestu, fixujúc oxid uhličitý dvakrát, ale ich primárna fixácia je oddelená od Calvinovho cyklu nie v priestore (v rôznych bunkách), ako v predchádzajúcej verzii, ale v čase.

Zámerne zvažujeme tieto jemnosti, ktoré možno v skutočnosti nepotrebujete, aby sme demonštrovali vzťah medzi biochémiou a ekológiou – vedou o tom, ako organizmy interagujú s prostredím a medzi sebou navzájom.

Temné štádium fotosyntézy, teda syntézy organickej hmoty, teda existuje v niekoľkých verziách. Svetelná fáza je organizovaná rovnako vo všetkých zelených rastlinách a v cyanobaktériách (modrozelené riasy). Avšak u iného druhu fotosyntetických baktérií, príp fototrofné baktérie ktoré nie sú sinice - Fialová a zelená baktérie sa realizujú iné typy svetelného štádia fotosyntézy. Tieto dva typy fototrofných baktérií sa líšia štruktúrou svojich chlorofylov a ich súborom. Navyše fialová (alebo hnedá, žltá) farba fialových baktérií je spôsobená, podobne ako vo vyšších rastlinách, karotenoidy. Najzaujímavejšie je, že chlorofyl fialových baktérií je schopný absorbovať fotóny a vykonávať fotosyntézu v neviditeľnej infračervenej časti spektra. To je veľmi dôležité v hĺbkach, kde nepreniká viditeľné svetlo. Vnútorný priestor buniek fototrofných baktérií je vyplnený fotosyntetickými membránovými štruktúrami, v niektorých prípadoch pripomínajúcimi tylakoidy.

Všeobecná rovnica fotosyntéza vo fototrofných baktériách zostáva takmer rovnaká ako v zelených rastlinách:

C02 + H2 X = (CH20) + 2X.

V tomto prípade je X nahradený iba kyslíkom H 2 X Nie je to voda, ale akákoľvek látka schopná oxidovať prenosom elektrónu do fotosystému a zároveň sa vzdať protónu. Takouto látkou môže byť sírovodík, tiosíran, molekulárny vodík (v tomto prípade X = 0) a organické zlúčeniny.

Zelené a fialové baktérie majú len jeden typ fotosystému. Môžu vykonávať cyklickú fotofosforyláciu, pri ktorej nie je potrebný exogénny donor elektrónu a vodíka, ako aj necyklickú, pri ktorej je takýto donor potrebný. Prečo rastliny a sinice potrebovali dva fotosystémy, aby spolupracovali? Faktom je, že na syntézu organických látok v Calvinovom cykle je potrebná nielen energia, ktorá môže prísť vo forme ATP, ale aj redukované koenzýmy NADP ako donor nielen energie, ale aj vodíka. Aby sa elektrón preniesol do stavu s takou vysokou energiou, ktorá bude dostatočná na redukciu molekuly NADP + na NADPH, je potrebné použiť dva fotosystémy za sebou. Energia dvoch fotónov sa tiež ukázala ako dostatočná na to, aby odobrala elektróny atómu kyslíka vo vode.

Je pozoruhodné, že v konjugovanom páre dvoch fotosystémov, ktorý ako prvý vynašli sinice (modrozelené riasy), fotosystém 1 pochádza z fotosystému zelených baktérií a fotosystém 2 z fotosystému fialových baktérií. Kombináciou týchto dvoch hotových mechanizmov boli sinice schopné oxidačnej fotolýzy vody a redukcie NADP+. Baktérie si ľahko vymieňajú genetický materiál a takáto kombinácia dvoch nesúvisiacich evolučných línií pre nich nie je ničím výnimočným. Rastliny zdedili párový fotosystém od modrozelených rias. Ako - to uvidíme v 8. prednáške.

Najčastejším variantom fotosyntézy u fototrofných baktérií je, keď sa namiesto vody použije kombinácia vodíka s prvkom z rovnakej kyslíkovej skupiny, sírou. Fototrofný sírne baktérie, v ktorej je táto možnosť implementovaná, absorbujú sírovodík a uvoľňujú síru.

Sírne baktérie sú súčasťou fialových a takmer všetkých zelených baktérií. Kde by mali takéto baktérie žiť? Zrejme v oblastiach aktívneho vulkanizmu. Sopky emitujú veľa síry, najmä v kombinácii s kyslíkom (oxid siričitý TAK 3 ) a vodík (sírovodík H 2 S ). Áno, v kráteri aktívnej sopky sa naozaj žiť nedá. Neďaleko, ako aj na úpätí vyhasnutých sopiek, sa však vždy nájdu miesta na odtok sopečných plynov – fumarol. Zvyčajne sa nachádzajú v puklinách vyvrelých hornín, ktoré zodpovedajú priehlbinám na povrchu, kde sa zodpovedajúcim spôsobom hromadí voda. Táto voda je nasýtená sírovodíkom, čo je priaznivé prostredie pre fotosyntetické sírne baktérie.

V akej forme sa síra uvoľňuje? Všetky sírne fototrofné baktérie oxidujú redukované zlúčeniny síry na minerálnu síru – pevnú látku. V niektorých baktériách sa síra hromadí vo vnútri buniek vo forme pevných častíc. Ako baktérie umierajú, idú von životné prostredie... Iné sú schopné uvoľňovať síru priamo do životného prostredia. Mnohé zelené a fialové sírne baktérie sú schopné oxidovať síru ďalej, až po sírany, ale ako substrát pre svetelnú fázu fotosyntézy sa používa sírovodík a niektoré ďalšie zlúčeniny redukovanej síry s vodíkom.

Fototrofné sírne baktérie sa však nenachádzajú len vo fumaroloch – môžu sa objaviť všade tam, kde sa nachádza sírovodík. A často vzniká pri anaeróbnom rozklade organickej hmoty inými baktériami. Najmä sa vyvíjajú, niekedy vo veľkých množstvách, v spodnej vrstve rybníkov, jazier a morí. Väčšina fototrofných baktérií sú prísne (povinné) anaeróby. Sú však medzi nimi aj fakultatívne aeróby, ktoré môžu existovať a rásť v prítomnosti kyslíka.

Vo vyššie uvedenej rovnici môže byť X nula. Tieto fotosyntetické baktérie spotrebúvajú čistý molekulárny vodík. Reakčné centrum fotosystému odoberie dva elektróny z atómu vodíka a premení ho na dva protóny. Baktérie využívajúce vodík ako redukčné činidlo sú menej bežné ako sírne baktérie.

Väčšina fototrofných baktérií je schopná fotooxidácie organických látok (tu X je organický radikál), ale to sa dá len ťažko nazvať fotosyntézou, pretože organická hmota sa tu viac spotrebuje ako tvorí.

Nesmieme zabudnúť na existenciu cyklickej fotofosforylácie - procesu, pri ktorom nie sú potrebné donorové molekuly ani protónov, ani elektrónov. Dá sa predpokladať, že išlo o historicky prvú operačnú schému svetelného štádia fotosyntézy, keďže je najjednoduchšia, obsahuje len jeden fotosystém a nevyžaduje ďalšie redukčné činidlá. V priebehu cyklickej fotofosforylácie sa netvorí príliš veľa ATP a v jej klasickom prípade sa NADP + vôbec neobnovuje (ale u niektorých fototrofných baktérií sa môže obnoviť). Cyklická fosforylácia po „vynájdení“ určite slúžila len ako určitá energetická pomôcka svojim nosičom. Ale keďže celý mechanizmus funguje na vytváraní rozdielu v koncentrácii protónov vo vnútri a mimo určitého membránového priestoru, ukázalo sa ako vhodné tento gradient zosilniť oxidáciou určitej látky obsahujúcej vodík – molekulárneho vodíka, vody alebo sírovodíka.

Nakoniec bol celkom nedávno objavený úplne iný systém fotosyntézy halobaktérie- mikroorganizmy, ktoré sa vyvíjajú v koncentrovaných roztokoch chloridu sodného a farbia ich do červena. V skutočnosti patria k archeobaktériám - špeciálnym mikroorganizmom, ktoré sú v mnohých ohľadoch rovnako vzdialené od baktérií ako od eukaryotov. Farbu má na svedomí pigment retinaldehyd, ktorý patrí do triedy karotenoidov. Tento pigment súvisí s pigmentom citlivým na svetlo, ktorý je zodpovedný za naše videnie. Je pripojený k proteínu bakteriopsínu ako koenzým. Tento proteín preniká bunkovou membránou so siedmimi alfa helixmi. Zelená fotónová energia oddeľuje retinaldehyd od bakteriopsínu. V tomto prípade bakteriopsín funguje ako protónová pumpa a tlačí protón cez membránu. Potom sa retinaldehyd môže znovu spojiť s bakteriopsínom. Opäť vidíme rovnaký princíp – vytváranie gradientu protónov a membránový potenciál na syntézu ATP. Navyše protónový gradient vytvára samotný fotosyntetizujúci proteín. V tomto prípade, ako v prípade cyklickej fosforylácie, sa neredukuje žiadna ďalšia látka. Zdá sa, že ide o najjednoduchšiu cestu fotosyntézy, ktorá v súčasnosti existuje.

Čo môžeme uzavrieť? Rôzne fotosyntetické systémy mohli byť vynájdené znova a znova a založené na rôznych kľúčových pigmentoch. Tandem dvoch fotosystémov na báze chlorofylu, ktorý sme uvažovali, je jednou z mnohých možností a zdá sa, že je najúčinnejšia. Oba fotosystémy vymysleli fototrofné baktérie, spojili ich sinice (modro-zelené riasy) a zdedili rastliny (ako presne uvidíme neskôr).

Je potrebné poznamenať, že nie všetky fototrofné baktérie sú autotrofné plný zmysel tohto slova, to znamená, že sú schopné vyvíjať sa na čisto minerálnom prostredí. Väčšina z nich ešte potrebuje nejaké hotové organické látky, takže fotofixácia oxidu uhličitého je pre nich len doplnkovým zdrojom uhlíka.

To je prípad halobaktérií. Navyše majú ešte jednu zarážajúcu vlastnosť – nie sú schopné absorbovať cukry a z exogénnej organickej hmoty sa vlastne „živia“ samotnými aminokyselinami. Možno je to jedna zo strán archaizmu týchto úžasných mikroorganizmov.

Chemosyntéza

Syntéza organickej hmoty môže nastať nielen vďaka slnečnému žiareniu, ale aj vďaka zdroju, ktorého vývoj si nevyžaduje takú pokročilú anténnu technológiu ako fotosystémy založené na pigmentoch komplexnej štruktúry - vďaka energii uloženej v chemikálii. väzby anorganických látok. Ide o tzv chemosyntéza.

Organizmy schopné chemosyntézy a nevyžadujúce vonkajší zdroj organických látok sa nazývajú chemoautotrofy... Chemoautotrofy sa nachádzajú iba medzi baktériami a v modernom svete rozmanitosť chemosyntetických baktérií je malá. Na konci boli otvorené XIX v. domáci mikrobiológ S. N. Vinogradskiy. Avšak, ako v prípade zelených a fialových baktérií, mnohé baktérie schopné chemosyntézy stále potrebujú určité organické látky a nemožno ich formálne pripísať autotrofom. Zároveň je zrejmé, že základom je samotná schopnosť chemosyntézy, ktorá môže slúžiť ako základ pre rozvoj chemoautotrofie.

Vzhľadom na možnosti bakteriálnej fotosyntézy sme sa dotkli vulkanizmu, ktorý s touto témou priamo súvisí. V skutočnosti tie isté látky, ktoré fototrofné baktérie používajú ako donory elektrónov na fotosyntézu, môžu chemoautotrofy použiť na získanie energie ich oxidáciou bez priťahovania svetelnej energie. Chemoautotrofné baktérie môžu byť použité ako zdroj energie, t.j. ako redukčné činidlá:

1) zlúčeniny síry;

2) vodík;

3) zlúčeniny dusíka;

4) zlúčeniny železa;

a pravdepodobne:

5) uhličitan mangánu MnCO3 na oxid mangánu Mn203;

6) oxid trojmocného antimónu Sb203 , oxiduje ho na päťmocný Sb205.

Takzvané bezfarebné sírne baktérie sa vyvíjajú v sírovodíkových prameňoch, vrátane horúcich (niektoré majú teplotné optimum okolo 50 °C), a dokonca aj v prameňoch, ktoré sú slabé (do jedného normálu, pH = 0). kyselina sírová alebo nasýtený roztok chloridu sodného. Niektoré z týchto baktérií sa nachádzajú v pôde, v ložiskách síry a v niektorých rozpadajúcich sa horninách (prispievajú k ich takzvanému síranovému zvetrávaniu). Prirodzene, rôzne druhy týchto baktérií sú prispôsobené rôznym podmienkam. Mnohé z nich sú nielen schopné oxidovať nejaký druh zlúčeniny síry, ale postupne zvyšovať jej oxidačný stav, t.j. oxidovať sírovodík (H2S ) na molekulárnu síru ( S ) a molekulárnej síry - na tiosíran ( S203 - ), tiosíran - na siričitan ( SO 3 - ), sulfit - na sulfát, t.j. kyselina sírová ( SO 4 - ). V tomto prípade sa oxidačný stav síry zvyšuje z -2 na +6. Nie je prekvapujúce, že pre chemosyntézu bol vybraný prvok, ako je síra, ktorej oxidačný stav sa môže meniť v tak širokom rozmedzí.

Niektoré sú schopné oxidovať síru aj z nerozpustných sulfidov ťažkých kovov. Takéto baktérie sa používajú na vývoj vyčerpaných ložísk týchto kovov. Voda s baktériami prechádza drvenou rudou, reprezentovanou sulfidmi, a zbieraná, obohatená o sírany príslušných kovov.

Ako vieme, všetko, čo potrebujeme z akéhokoľvek zdroja energie, je získať ATP. Výroba ATP založená na redukcii síry môže ísť dvoma spôsobmi.

Najmarkantnejšia cesta je takmer rovná. Realizuje sa minimálne pri oxidácii siričitanu. Sulfit reaguje s AMP za vzniku adenozínfosfosulfátu (APS). Práve pri tejto reakcii sa mení oxidačný stav síry z +4 na +6 a uvoľnené elektróny sa prenesú do elektrónového transportného reťazca na oxidačnú fosforyláciu. Molekula API zase nahrádza sulfátovú skupinu zvyškom voľnej kyseliny fosforečnej z roztoku za vzniku ADP, zatiaľ čo sulfát sa uvoľňuje do roztoku. (Pre každý prípad si pripomeňte, že každá takáto reakcia je katalyzovaná špeciálnym enzýmom.) ADP už obsahuje jednu vysokoenergetickú väzbu. Enzým adenylátkináza z dvoch molekúl ADP vytvára jednu ATP a jednu AMP. Vidíme tu najjednoduchšiu zo všetkých ciest syntézy ATP, o ktorých sme uvažovali - iba v troch fázach. Enzým katalyzuje kombináciu priameho zdroja energie - zlúčenín síry - s AMP a nasledujúceho enzýmu - nahradenie zvyškov jednej kyseliny inou s tvorbou ATP. Elektróny odobraté zo síry môžu byť smerované do prenosového reťazca bez fosforylácie AMP - v tomto prípade je síra oxidovaná priamo jedným z cytochrómov.

Ako vidíte, oba procesy zahŕňajú oxidačnú fosforyláciu, ktorá vyžaduje voľný kyslík. Preto sú chemosyntetické baktérie spravidla povinnými aeróbmi.

Tento príklad nám ukazuje, že: 1) spôsoby získania ATP počas chemosyntézy sú rôznorodé a 2) niektoré z nich sú veľmi jednoduché; možno boli evolučne úplne prvé.

Mimochodom, účinnosť chemosyntézy na báze síry nie je vysoká – využíva od 3 do 30 % energie, ktorá je obsiahnutá v redukovaných formách síry.

Na oxidáciu síry a extrakciu energie z nej samotnej bez zapojenia jej ďalších zdrojov potrebujú moderné chemosyntetické baktérie silné oxidačné činidlo, a to je kyslík. Je to buď molekulárny kyslík vo vzduchu alebo kyslík v dusičnanoch ( NIE 3 - ). Ako viete, dusičnany, teda ľadok, sú veľmi dobré oxidačné činidlo a používajú sa pri výrobe strelného prachu.

Baktérie, ktoré využívajú oxidáciu vodíka ako jediný zdroj energie, vodíkové baktérie, žijú v pôde a vo vodných útvaroch. K oxidácii vodíka dochádza prostredníctvom cytochrómov pomocou elektrónového transportného reťazca, t. j. pomocou molekulárneho kyslíka ako akceptora elektrónov. Pre život týchto baktérií je teda nevyhnutná prítomnosť nielen vodíka, ale aj kyslíka v prostredí – v skutočnosti žijú na výbušnej zmesi a využívajú energiu, ktorá by sa mohla uvoľniť pri spaľovaní vodíka. . Je to dosť veľa energie a využívajú ju pomerne efektívne – až na 30 %. Všeobecná rovnica chemosyntézy vodíka je taká, že na šesť molekúl oxidovaného vodíka pripadá jedna molekula CO2 fixovaná v syntetizovaných organických zlúčeninách.

Je zvláštne, že vodík používaný vodíkovými baktériami je uvoľňovaný ako vedľajší produkt života inými baktériami – obyčajnými heterotrofnými, ktoré ako zdroj energie využívajú hotovú organickú hmotu. Súčasná prítomnosť vodíka a kyslíka je opäť veľmi zriedkavá ekologická situácia. Možno preto všetky vodíkové baktérie dokážu asimilovať hotové biologické organické látky.

Uskutočňuje sa chemosyntéza na báze dusíka nitrifikačné baktérie... Ako viete, dusík, podobne ako síra, patrí k prvkom, ktoré ľahko menia oxidačný stav. Existujú dve skupiny nitrifikačných baktérií. Jeden obnovuje amónium ( NH 4+) na dusitany (NO 2- ), pričom oxidačný stav dusíka sa mení z –3 na +3. Druhá skupina oxiduje dusitany na dusičnany ( NIE 3 - ), zvýšenie oxidačného stavu dusíka na +5. Všetky nitrifikačné baktérie sú povinné aeróby. Elektróny z dusíka sa prenášajú do elektrónového transportného reťazca cez flavoproteín (obsahujúci flavín) alebo cez cytochrómy.

Existujú aj baktérie, ktoré dokážu oxidovať železité železo na železité železo. Z nich schopnosť autotrofnej existencie bola preukázaná len u niekoľkých druhov, ktoré sú súčasne sírnymi baktériami a sú schopné oxidovať molekulárnu síru a jej rôzne zlúčeniny kyslíkom a ťažkými kovmi. Všeobecná rovnica chemosyntézy v tomto prípade vyzerá takto:

4Fe2+ S04 + H2S04 + O2 = 2Fe3+2 (S04)3 + 2H20.

Takéto baktérie žijúce v močiaroch tvoria ložiská močiarneho železa.

Všetky uvažované chemoautotrofy získavajú energiu oxidáciou anorganických látok a ukladajú ju vo forme molekúl ATP. Energiu uloženú v ATP využívajú na fixáciu oxidu uhličitého a stavbu biologických organických molekúl. Všetci na to používajú Calvinov cyklus, ktorý sme už uvažovali. Nezabúdajme však, že v tomto cykle je okrem ATP potrebný aj NADP-N. Energetický zisk z oxidácie všetkých látok použitých na chemosyntézu je zároveň nedostatočný na redukciu NADPH z NADP+. Preto k jeho obnove dochádza ako samostatný proces s výdajom časti ATP získanej v priebehu chemosyntézy.

Chemosyntéza teda predstavuje lákavú príležitosť využiť energiu anorganických zlúčenín prvkov, ktoré ľahko menia svoj oxidačný stav, na získanie ATP a syntetizáciu organických látok fixáciou oxidu uhličitého. Všimli sme si však štyri okolnosti.

1. Väčšina známych prípadov chemoautotrofie vyžaduje ako oxidačné činidlo voľný kyslík, v ojedinelých prípadoch je nahradený kyslíkom z dusičnanov. Ako si pamätáte, kyslík v atmosfére je produktom fotosyntézy. To všetko znamená, že z pohľadu geochemickej cirkulácie látok je dnes chemosyntéza na Zemi sekundárna po fotosyntéze.

2. Látky ako čpavok, sírovodík a vodík často vznikajú samy osebe v dôsledku životne dôležitej činnosti baktérií, aj keď úplne odlišných, ktoré využívajú taký účinný zdroj, akým je hotová organická hmota na získavanie energie a stavbu látky ich telo. V mnohých prípadoch teda v dôsledku chemoautotrofov celkové množstvo organickej hmoty nerastie. Sú to jednoducho prvky všeobecného reťazca jeho rozdelenia, ktorý zahŕňa súbor mikroorganizmy - práve v tomto štádiu sa pridáva lokálna resyntéza organickej hmoty z СО 2 v dôsledku energie niektorých medziproduktov vznikajúcich v procese jej globálneho rozkladu.

3. Druhom chemosyntézy prevládajúcim v súčasnosti na planéte je oxidácia sírovodíka vulkanického pôvodu.

4. Kyslík vo vzduchu ľahko oxiduje sírovodík „nezávisle“, bez pomoci mikroorganizmov. Preto sa tieto dva plyny takmer nikdy nevyskytujú spolu. Napríklad hlboké vrstvy pôdy sa vyznačujú redukčným prostredím, je tam metán a sírovodík, ale žiadny kyslík. Redukčné prostredie je nahradené oxidačným, kde je prítomný kyslík, ale nie je tam sírovodík - vo veľmi úzkej vrstve sú tu oba plyny - doslova niekoľko milimetrov. Len tam sa môžu vyvinúť pôdne chemosyntetické sírne baktérie. (Ešte exotickejšia je súčasná prítomnosť kyslíka a vodíka.)

Na planéte sú však miesta, kde sú oba plyny – sírovodík aj kyslík – prítomné v dostatočnej koncentrácii súčasne. A aj v súčasnosti tam vzniká veľké množstvo organickej hmoty v dôsledku chemosyntézy na báze zlúčenín síry, samozrejme, vulkanického pôvodu. Poďme zistiť, odkiaľ vulkanizmus pochádza. Počuli ste už o kontinentálnom drifte? Ak ste ešte nepočuli, spomeňte si na mapu sveta a všimnite si, že ak sa Afrika presunie na západ, jej obrysy veľmi dobre zapadnú do brehov oboch Amerík. Áno, kontinenty sa pomaly unášajú! Afrika a Amerika sa rozdelili a oddelili. Ázia a Severná Amerika sa plavia proti sebe. India sa relatívne nedávno odtrhla od Afriky, ponáhľala sa na severovýchod a narazila do Ázie. Výsledkom bolo, že Himaláje a Tibet vyrástli na mieste zrážky a nedávne zemetrasenie v Altaji sa stalo, pretože sa stále nemôže zastaviť. Kôra pod oceánmi je oveľa tenšia ako pod kontinentmi. Kontinenty na nej plávajú ako ľadové kryhy. Keď kontinenty útočia na oceán, ako napríklad Eurázia a Amerika v Tichomorí, dochádza k subdukcii - kontinenty rozdrvia zemskú kôru, tá sa ponorí do plášťa a roztopí sa. Práve v subdukčných zónach – napríklad po celej periférii Tichého oceánu – prebieha vulkanizmus, ktorý je celkom ľahko pozorovateľný v podobe sopiek a horúcich prameňov bohatých na síru, v ktorých nájdeme chemosyntetické baktérie. Tam, kde sa kontinenty rozchádzajú a otvára sa oceán, ako napríklad Atlantik, sťahujú kontinenty za sebou oceánsku kôru. V dôsledku toho je uprostred oceánu trhlina - trhlinová zóna, pozdĺž ktorej roztavená magma vystupuje z plášťa, tuhne a tvorí nov oceánska kôra... Ide o oblasť skrytú našim očiam, no oveľa silnejší vulkanizmus. Po stranách trhliny vyrastajú podmorské sopečné hory a samotná trhlina stále vyzerá ako priehlbina medzi dvoma horskými pásmami. Toto sa nazýva stredooceánsky hrebeň. Existuje mnoho výronov sopečných plynov bohatých na zlúčeniny síry a oxid uhličitý. Dostali meno čiernych fajčiarov... Prečo fajčiari a prečo černosi? Zlúčeniny síry s kovmi – sulfidy – bývajú sfarbené na čierno. (Mimochodom, ktovie, prečo Čierne more? Pretože v určitej hĺbke je jeho voda nasýtená sírovodíkom a všetky kovové predmety tam sčernejú.) Zdroje riftovej zóny emitujú veľa sulfidov rozpustených a suspendovaných v horúcej vode - takéto prúdy nejasne pripomínajú oblaky čierneho dymu a vyzrážané sulfidy vytvárajú okolo prameňov bizarné štruktúry vysoké niekoľko desiatok metrov.

V Čiernom mori nedochádza k aktívnej chemosyntéze, pretože v tejto hĺbke nie je prakticky žiadny kyslík - to všetko preto, že jeho konfigurácia prispieva k stagnácii vody. A v riftových zónach oceánov je voda mobilná a je tam kyslík. Je dôležité, aby čierny fajčiar zohrial vodu a tým ju uviedol do pohybu, čo podporuje výmenu plynov. Okolo čiernych fajčiarov preto prebieha intenzívna chemosyntéza, pri ktorej sa fixuje veľké množstvo oxidu uhličitého a mení sa na biologické organické molekuly.

Tento zdroj nezostáva bez povšimnutia morského života, a preto sa okolo čiernych fajčiarov vytvárajú prosperujúce komunity morských organizmov. Sú založené na chemosyntetických baktériách, ktoré pokrývajú práve tieto sulfidické štruktúry čiernych fajčiarov rovnomernou vrstvou.

V riftovej zóne Tichého oceánu, na periférii čiernych fajčiarov, sa nachádzajú kolónie úplne úžasných zvierat – vestimentifera. Boli objavené len asi pred 20 rokmi, teraz sú známe dve desiatky druhov. Sú to niečo ako červy dlhé 15-30 cm až 2,5 m, žijúce v rúrach, cez otvorený koniec ktorých vyčnieva koruna šarlátových chápadiel. Patria do špeciálnej čeľade polychaetálnych prstencovitých – sibaglidov, hoci sa od ostatných prstencovitých veľmi líšia stavbou tela; táto čeľaď bola dokonca predtým považovaná za samostatný typ – pogonofóry.

Majú dobre vyvinutý obehový systém, ale nemajú ústa ani črevá. Pozdĺž tela majú takzvaný trofozóm (v gréčtine trophos - potrava, sumec - telo) - šnúra pozostávajúca zo špeciálnych buniek a krvných ciev. Vo vnútri buniek sa nachádzajú chemosyntetické sírové baktérie – len jeden druh (z asi dvesto vo vonkajšom prostredí fajčiarov). Oxidujú sírovodík na kyselinu sírovú (ktorá je neutralizovaná uhličitanmi). Vestimentifera samy trávia časť svojich buniek a tým sa živia.

Tu je vonkajší a vnútorná štruktúra Vestimentiferes:

(a dokonca aj vývojový cyklus)

Otázkou je, ako sa sírovodík dostane do trofozómu? Je tam transportovaný krvným hemoglobínom spolu s kyslíkom. Kyslík sa viaže na hem, sírovodík - na bielkovinovú časť hemoglobínu. Červené (z hemoglobínu) chápadlá slúžia ako žiabre - absorbujú kyslík a sírovodík. Vestimentifera teda existujú vďaka symbióze - obojstranne výhodnému spolunažívaniu s organizmami iného typu. A stavajú svoje telo z organickej hmoty získanej ako výsledok chemosyntézy (ale s použitím chemosyntetického kyslíka). V kolóniách vestimentifera žijú kraby, krevety, mreny, lastúrniky, chobotnice, ryby atď. na úkor chemosyntetickej organickej hmoty (hlavne jednoducho sa živia vestimentifera).

A pozor, žiadne rastliny! Iba baktérie a zvieratá. Pripomeňme, že v týchto hĺbkach slnečné svetlo úplne chýba.

To všetko susedí s prakticky neživými oceánskymi hlbinami, kam sa fotosyntetická organická hmota pochádzajúca z hladiny oceánu takmer nedostane, keďže takmer všetku ju počas cesty zužitkujú mikroorganizmy. Tam je spodná biomasa len 0,1–0,2 g/m2 (nestretol som sa s odhadom hustoty biomasy u fajčiarov, ale je o niekoľko rádov vyšší).

Takáto vzbura života je možná, pretože v dôsledku konvekčného miešania u čiernych fajčiarov existuje pomerne široká zóna vôd, v ktorých je súčasne prítomný sírovodík aj kyslík. (Pričom zóna súčasnej prítomnosti týchto plynov v pôde je len niekoľko milimetrov.) Mimochodom, pri nedostatku molekulárneho kyslíka ho tie isté baktérie dokážu využiť z dusičnanov a redukovať ich na dusitany.

Geológovia už dávno našli záhadné rúry v ložiskách strieborných, medených a zinkových rúd, ktoré vznikli pred 350 miliónmi rokov. Ložiská vznikli zo sulfidov riftovej zóny. Vestimentifera tam už boli. Pre porovnanie, dinosaury vyhynuli pred 65 miliónmi rokov.

Urobme jednu odbočku. O niečo skôr vestimentifera objavili ich príbuzní - pogonofóry - hlavne hlbokomorské morské organizmy podobnej štruktúry. Namiesto trofozómu majú takzvaný stredný kanál - niečo ako črevo uzavreté na oboch koncoch. Žijú v ňom aj symbiotické baktérie, nie však chemosyntetické, ale metanotrofné. „Živia“ sa metánom ( CH 4 ). Čo vieme o metáne? Je jednou z hlavných zložiek zemného plynu. Pogonofóry zrejme žijú v oblastiach, kde sa nachádzajú podvodné ložiská ropy a plynu a môžu na ne ukazovať.

Je pozoruhodné, že v riftovej zóne Atlantického oceánu nie sú žiadni vestimentiferi. S najväčšou pravdepodobnosťou sa tam počas existencie tohto oceánu jednoducho nemali čas dostať. Ale tam, ako v Tichom oceáne, sú:

1) krevety, v ktorých žijú symbiotické baktérie sírovodíka na povrchu ústnej dutiny;

2) lastúrniky, v ktorých žijú v žiabrach;

3) jasnočervené polychaetálne červy, v ktorých žijú na povrchu tela (navyše, červ ich môže nejakým spôsobom asimilovať cez povrch).

Ako už bolo uvedené, všetky organizmy v komunite čiernych fajčiarov sú vyrobené z organických látok získaných zo sopečného oxidu uhličitého prostredníctvom energie sopečných zlúčenín síry. Keďže však všetky (vrátane baktérií) využívali ako oxidačné činidlo voľný kyslík, stále nemožno povedať, že by existovali nezávisle od fotosyntézy. Chemosyntéza a fotosyntéza boli de facto investované do života týchto ekosystémov na báze parity. Útroby Zeme dodali do týchto ekosystémov redukčné činidlo a Slnko (prostredníctvom fotosyntetických rastlín) - oxidačné činidlo. Je potrebné poznamenať, že zdroj oxidačného činidla je mladší ako zdroj redukčného činidla. Energia slnka sa berie z termonukleárna fúzia hélium z vodíka. Energia chemických zlúčenín zemského vnútra sa v nich skladovala, zhruba povedané, pri vzniku Zeme a vznikla z kozmického plynu a prachu súčasne so Slnkom, ako súčasť Slnečnej sústavy ako celku. Slnko je teda hviezda druhej generácie slnečná sústava, vrátane zeme, vznikol v dôsledku kondenzácie hmoty vyvrhnutej z výbuchov supernov prvej generácie.

História vývoja biologických procesov metabolizmu a energie na Zemi

My, ako zvieratá, obklopení prevažne zvieratami a rastlinami, by sme nemali zabúdať na rôznorodosť možných možností organizácie výmeny hmoty a energie v živých bytostiach. Všetky (a dokonca zrejme aj tie, o ktorých nevieme) boli implementované v prokaryotoch, kým eukaryoty zdedili len dve z nich – „živočíšne“ a „rastlinné“. Vo všeobecnosti má „ekonomická“ stránka života, podobne ako marxizmus (hoci tento vtip už nie je takmer aktuálny), tri zdroje: energiu, uhlík a elektróny (teda látku používanú ako redukčné činidlo; z prvkov vodík je najčastejšie donorom elektrónov) ...

Podľa zdroja energie sa všetko živé delí na fototrofy – využívajúce energiu svetla a chemotrofy – využívajúce energiu. chemické väzby.

Podľa zdroja uhlíka sa delia na autotrofné – využívajúce oxid uhličitý a heterotrofné – využívajúce organické látky.

Podľa zdroja elektrónov sa delia na organotrofy - organické využívajúce vodík a litotrofy - využívajúce anorganické látky - deriváty litosféry. Môžu to byť molekulárny vodík, amoniak, sírovodík, síra, oxid uhoľnatý, zlúčeniny železa atď.

Povedz mi, kto sme podľa tejto trojitej klasifikácie s tebou? Nepoužívame energiu svetla Priamo využívame energiu živín. Sme teda chemotrofi. Odkiaľ berieme uhlík na stavbu molekúl v našom tele? Aj z potravy, čo znamená, že sme heterotrofi. Odkiaľ získame elektróny? Akú látku oxidujeme? Pravdepodobne najnetriviálnejšia otázka. Poďme hádať. Už viac ako raz bolo povedané, že kyslík je silné oxidačné činidlo. Môžete hádať, že oxidácia prebieha tam, kde sa používa kyslík. Kde sa používa? Vo všetkých variantoch: ako v každodennom živote, tak aj v biochemickom, sa tento proces nazýva dýchanie. Spomeňme si na zovšeobecnenú rovnicu dýchania:

(CH20) + 02 = C02 + H20.

Vidíme, že kyslík odobral sacharidu vodík, pričom ho oxidoval. A tu organická hmota potravy slúži ako počiatočný zdroj elektrónov.

Preto sme my zvieratá chemoorganoheterotrofy.

A rastliny? Sú to fototrofy, to je pochopiteľné. Sú to autotrofy, to sme sa tiež naučili. Čo v konečnom dôsledku oxidujú? Pripomeňme si teraz opäť rovnicu fotosyntézy. V skutočnosti si nemusíte nič pamätať, stačí zmeniť usporiadanie pravej a ľavej strany predchádzajúcej rovnice:

C02 + H20 = (CH20) + 02.

Oxiduje sa tu samotné veľké oxidačné činidlo, kyslík. V molekulárnom kyslíku je jeho oxidačný stav 0, vo všetkých látkach vľavo -2. A uhlík sa redukuje (ktorý sa oxiduje v reverznej reakcii). Nachádza sa v anorganickej látke nazývanej oxid uhličitý. Pripomeňme si však, že fotosyntéza prebieha v dvoch fázach a kyslík vzniká pri fotolýze vody, kedy sa z molekuly vody oddeľujú elektróny. Voda je tiež anorganická zlúčenina, takže rastliny sú fotoautolithotrofy.

Naša prednáška je venovaná výrobe energie a fixácii uhlíka z oxidu uhličitého do organickej hmoty. V biologických organických látkach sú však aj iné. dôležité prvky... Mnohé z nich, napríklad fosfor, síra, sú dostupné v látkach rozpustných vo vode. Dusík je iná vec. Je dostupný aj v látkach rozpustných vo vode, ako sú amónne soli, dusitany a dusičnany. Avšak takmer všetky v modernom svete (s výnimkou produktov vulkanizmu) sú samy o sebe biogénneho pôvodu a abiogénny dusík existuje iba v molekulárnej forme. Preto je fixácia atmosférického dusíka sama osebe dôležitým problémom. Vyriešiť to vedia len baktérie, vrátane siníc. Nebudeme vás zaťažovať biochemickými schémami fixácie dusíka. (Všimnite si, že vo všetkých takýchto schémach sú všetky najdôležitejšie postavy- enzýmy - kvôli svojej mimoriadnej komplexnosti vždy zostávajú v zákulisí: v schémach sú zakreslené iba vzájomné premeny substrátov a produkty enzymatických reakcií.)

Urobme si krátky mentálny exkurz do problému vzniku života. Kto si myslíte, že sa objavil skôr - autotrofy alebo heterotrofy? Možno vám napadne jednoduchá myšlienka, že keďže autotrofy vytvárajú organické látky a heterotrofy ich iba jedia, potom život musel začať s autotrofmi, pretože heterotrofy, ak by sa objavili ako prvé, by jednoducho nemali čo „žrať“. Táto myšlienka je úplne nesprávna. Je dohnaná až do absurdity princíp aktualizmu- rekonštrukcia situácií minulosti na základe toho, čo je teraz. Heterotrofy sa mali objaviť skôr ako autotrofy, pretože môžu byť elementárne oveľa jednoduchšie usporiadané - je predsa jednoduchšie získať energiu ničením zložitých molekúl, ako tieto zložité molekuly zostavovať z jednoduchých, pričom energiu prijímame z nejakého iného zdroja. Princíp "rozbiť - nestavať" je absolútne univerzálny, pretože je pomerne presným odrazom druhého zákona termodynamiky.

Nemáme dôvod predpokladať, že život pôvodne vznikol ako niečo veľmi zložité naraz, preto musíme vznik a vývoj života považovať za cestu od jednoduchého k zložitému. Kde sa vzal život? Vo všeobecnosti, ak zahodíme báječné možnosti, jediné, čo nám aj serióznym vedcom napadne, je, že úplne prvé živé systémy sa samoorganizovali z nejakého druhu „neživej“ organickej hmoty, z ktorej by mali byť bolo na to dosť veľa. Podľa moderných vedeckých údajov to bolo takto: na povrchu Zeme vtedy bolo veľa pomerne zložitých organických zlúčenín, ktoré sa javili ako extrabiologické. Tu je „potrava“ pre prvých heterotrofov! Malo to však skončiť dostatočne rýchlo. Heterotrofy by sa mohli nejaký čas navzájom požierať, no pri všetkých takýchto procesoch nevyhnutne dochádza k strate hmoty a energie. Ich zásoby v biosfére bolo treba nejako doplniť. Tu situáciu zachránil výskyt autotrofov.

Určite to neboli fotoautotrofy. Fotosyntéza je príliš zložitá na organizáciu. Všetci vedci sú jednotní v názore, že prvé autotrofy boli chemoautotrofy. Už sme videli, že chemické spôsoby získavania energie z anorganických látok sú rôznorodé aj teraz. Je celkom zrejmé, že na úsvite vzniku života bola táto rôznorodosť ešte väčšia, keďže existovala aj väčšia rozmanitosť chemických situácií. V tom čase bol oveľa aktívnejší vulkanizmus a bombardovanie kozmickými telesami, v atmosfére sa nenachádzal voľný kyslík vo výrazných koncentráciách, čo umožnilo existenciu rôznych anorganických redukčných činidiel (amoniak, vodík a pod.) na zemskom povrchu. , nakoniec bola prítomná organická hmota abiogénneho pôvodu. Atmosféra bola v tom čase redukčného charakteru a skôr bol nedostatok oxidačného činidla. To všetko malo vyprovokovať organizmy, ktoré pôvodne vznikli z abiogénnej organickej hmoty práve ako konzumenti práve tejto organickej hmoty, aby prešli na širokú škálu anorganických zdrojov energie.

Ale chemoautotrofy sa líšia aj vo veľmi komplexnej biochémii. Akákoľvek nám známa autotrofia vyžaduje systémy spojené s vytváraním a využívaním rozdielu v koncentrácii protónov na stranách membrány, predovšetkým elektrónového transportného reťazca a ATP syntetázy. Ako to celé vzniklo? V tejto súvislosti existuje veľmi pravdepodobná, aj keď dosť neočakávaná teória o tom, akými fázami prechádzal vývoj pôvodného života na našej planéte.

1. Vynález glykolýzy... Jediným univerzálnym a zároveň veľmi neúčinným mechanizmom získavania energie zo živých bytostí je glykolýza. Prvé živé bytosti zrejme existovali vďaka tomu, že určité množstvo ATP prijali procesmi oxidácie podobnými modernej glykolýze abiogénnej organickej hmoty prítomnej v médiu bohatom na vodík (z ktorého sa sami organizovali), v iných slov, kvôli kvaseniu. Počas týchto procesov sa elektróny a vodík prenášajú z jednej organickej molekuly na druhú prostredníctvom NAD-H alebo NADP-H. Redukované molekuly spravidla idú na stavbu živej hmoty a zoxidované sa vyhadzujú do prostredia vo forme „výrobného odpadu“. Takéto molekuly sú zvyčajne organické kyseliny (mliečna, octová, mravčia, propiónová, maslová, jantárová - všetky tieto varianty sa nachádzajú v moderných baktériách).

2. Vynález protónovej pumpy... V dôsledku tejto primárnej chemickej aktivity života sa prostredie neustále okysľovalo. Dá sa predpokladať, že v určitom štádiu vývoja života organické vody Zeme – aspoň nimi nasýtené pôdy, či dokonca celý svetový oceán – doslova kysli. Acidifikácia vodného prostredia si vyžiadala vývoj systémov na aktívne čerpanie protónov z buniek, aby sa zachovalo ich vnútorné prostredie. Takéto čerpanie sa uskutočnilo na náklady ATP špeciálne proteínové pumpy, ktoré prenikajú cez bunkovú membránu.

Živé organizmy v tomto štádiu boli naďalej heterotrofy.

3. Vynález elektrónového transportného reťazca... Abiogénna organická hmota bola neobnoviteľným zdrojom. Zostávalo ho stále menej, bolo čoraz ťažšie získať ATP glykolýzou. A odolávať postupnému okysľovaniu prostredníctvom protónových púmp si vyžadovalo stále viac ATP. Na vyriešenie problému acidifikácie iným spôsobom boli vynájdené systémy membránovo viazaných proteínov, ktoré vykonávali transmembránový transport protónov proti koncentračnému gradientu v dôsledku energie redoxných reakcií spojených s prenosom elektrónov z niektorých látok v médiu. nad rámec iných, ale bez sprostredkovania NAD -N alebo NADP-N. Takýmito látkami boli organické kyseliny a anorganické látky nahromadené v prostredí. Príslušné systémy na transmembránový export protónov boli prototypom elektrónového transportného reťazca. Kyslé baktérie stále využívajú elektrónový transportný reťazec na udržanie menej kyslého prostredia. Vďaka vzniku elektrónového transportného reťazca bol ATP zachránený, takže nositelia tohto reťazca získali nepochybnú výhodu oproti organizmom, ktoré ho nemali.

4. Vynález ATP syntetázy... Systémy na export protónov cez membránu pomocou redoxných reakcií sa postupne zlepšovali a nakoniec prekonali účinnosť membránových púmp závislých od ATP. To umožnilo zvrátiť prácu toho druhého. Teraz, naopak, spustený protóny vo vnútri bunky, pričom syntetizuje ATP z ADP. Takto sa objavila ATP syntetáza, ktorá využíva rozdiel v koncentrácii protónov na syntézu ATP. Ako bolo uvedené vyššie, pôsobenie ATP syntetázy je reverzibilné – pri vysokých koncentráciách ATP a malom potenciálnom rozdiele na oboch stranách mambrány naopak vytvára gradient koncentrácie protónov. ATP syntetáza (a tento proteínový komplex je prítomný vo všetkých moderných živých tvoroch bez výnimky) funguje v anaeróbnych baktériách ako protónová pumpa.

Veľkým prelomom bol vývoj ATP syntetázy. Organizmy v tomto štádiu riešili ako problém udržania vnútorného prostredia, tak problém získavania energie, pričom sa z heterotrofov prvýkrát stali autotrofy, konkrétne chemoautotrofy. Podobne ako moderné chemoautotrofy dostávali energiu prostredníctvom redoxných reakcií pomocou elektrónového transportného reťazca. Okrem energie je však pre život nevyhnutná aj syntéza redukovanej organickej hmoty. Jeho abiogénne zásoby boli v tom čase prakticky vyčerpané. Na syntézu takýchto organických látokde novosú potrebné silné donory vodíka, ako je redukovaný koenzým NADPH. Redukcia tohto koenzýmu môže prebiehať, podobne ako syntéza ATP, v dôsledku rozdielu v koncentrácii protónov obrátením elektrónového transportného reťazca a práce enzýmu podobného modernej NAD-H-dehydrogenáze, ktorá potom fungovala opačne. smer - znížil NAD-H z NAD +.

Upozorňujeme, že tieto organizmy boli anaeróbne chemotrofy, ktoré sú v modernom svete mimoriadne zriedkavé. Pri absencii takého silného oxidačného činidla, akým je kyslík, boli prvé schémy chemosyntézy s najväčšou pravdepodobnosťou založené na redoxných reakciách s nevýznamným energetickým ziskom. Myšlienka použitia protónového gradientu spočívala v tom, že v ňom bol zhrnutý malý zisk v mnohých takýchto reakciách a mohol byť použitý v takých reakciách, ktoré si vyžadujú značné výdavky na energiu, ako je zníženie NADPH.

5. Vynález fotosyntézy a fotosystému 1... Ako môžete vidieť, v tom čase už existovalo veľa predpokladov pre fotosyntézu - bola vynájdená ATP syntetáza, elektrónový transportný reťazec a biochemické cesty na syntézu organických látok pomocou NAD-H. Pred fotosyntézou zostával už len jeden krok – objavenie sa pigmentov schopných zachytiť energiu fotónov a preniesť ju do systému redoxných reakcií spojených s elektrónovým transportným reťazcom. Anténne systémy modernej fotosyntetiky sú veľmi zložité, zatiaľ čo v prvej museli byť celkom jednoduché. Už sme diskutovali o jednoduchom mechanizme využitia svetelnej energie halobaktériami. Existuje názor, že úplne prvé antény schopné zachytiť energiu fotónov boli naši starí priatelia - dusíkaté bázy. nukleových kyselín... Ako si pamätáte, existuje aj rezonančný systém striedajúcich sa dvojitých a jednoduchých väzieb, aj keď nie v takom pôsobivom rozsahu ako chlorofyly.

Pravdepodobne z fotosystémov, ktoré prežili dodnes, sa ako prvý objavil fotosystém 1, čo viedlo k objaveniu sa zelených sírnych baktérií. Je opäť možné, že historicky prvá vznikla cyklická fotofosforylácia, ktorá nevyžaduje vonkajšie oxidačné a redukčné činidlá. Najdôležitejšia však bola schopnosť tohto fotosystému priamo redukovať NADP + na NADP-H vďaka energii slnečného žiarenia, odoberať elektrón napríklad sírovodíku a oxidovať ho na atómovú síru, ako v modernej zelenej sírne baktérie. Venujme pozornosť tomu, že síra hrá dôležitá úloha ako súčasť bielkovín fotosystému 1.

Mimochodom, stalo sa to pred 3-4 miliardami rokov, teda len miliardu rokov po vzniku Zeme. Čas chemoautotrofov uplynul, čas fotoafototrofov sa začal.

6. Vynález fotolýzy vody. Vzhľad voľného kyslíka. Problémom ranej fotosyntézy bol nedostatok dobrých anorganických redukčných činidiel. Voda je „veľmi zlé“ redukčné činidlo, ale je k dispozícii v neobmedzenom množstve. Spojenie dvoch fotosystémov zdedených zo zelených (fotosystém 1) a fialových (fotosystém 2) sírnych baktérií do jedného konjugovaného systému, ktorý sa vyskytoval u modrozelených rias (siníc), umožnilo spojením energie dvoch postupne zachytených fotónov, oxidovať vodu, odoberať elektróny atómom kyslíka. Išlo o dôležitý prielom v energetike prvých organizmov, ktorý mal skutočne obludné následky. Zjednotením dvoch fotosystémov sa predkovia siníc, čiže modrozelených rias, vyvinuli organizmy s minimálnymi nárokmi na chemikálieživotné prostredie. To viedlo k vzniku veľkého množstva biogénnych regenerovaných organických látok - život začal prekvitať. Avšak na zemského povrchu sa začal objavovať taký strašný jed ako voľný kyslík.

Najskôr sa všetok kyslík uvoľnený pri fotosyntéze minul na oxidáciu iónov železnatého železa, ktoré boli hojne obsiahnuté vo Svetovom oceáne, na trojmocné, ktoré sa začali zrážať vo forme oxidov železa. Tento proces začal pred 2,7 miliardami rokov a skončil asi pred 2 miliardami rokov. Celých týchto 700 miliónov rokov (pripomeňme, že dinosaury vyhynuli len pred 65 miliónmi rokov) na Zemi existovala fotosyntéza moderného typu, sprevádzaná fotolýzou vody, vznikal voľný kyslík, ktorý však v atmosfére chýbal. To znamená, že dýchanie na Zemi ešte nebolo vynájdené. A to opäť znamená, že na planéte neboli žiadne predpoklady pre existenciu účinných heterotrofov. Nielen o „zvieratách“, ale aj o aeróbnych baktériách, ktoré v modernom svete zohrávajú takú dôležitú úlohu pri rozklade biogénnej organickej hmoty, nemohla byť reč. Dá sa povedať, že celý ten čas na Zemi bol akýsi zlatý vek, pozemský raj, v ktorom nikto nikoho nejedol (a nejedol ani mŕtvoly). Žili v ňom tie najdokonalejšie a skutočne bezhriešne živé tvory, „živené“ slnečným žiarením, vodou, oxidom uhličitým a vzdušným dusíkom. Išlo o sinice, čiže modrozelené riasy (práve tie, ktoré perfektne existujú dodnes). Ako najautonómnejšie živé bytosti sú dokonalejšie ako rastliny, pretože ako mnohé baktérie sú schopné viazať dusík v atmosférickom vzduchu. (Rastliny to nedokážu a sú nútené používať oxidovaný dusičnanový dusík alebo redukovaný amónny dusík, ktorý je dnes biogénneho pôvodu.) Modrozelené riasy žili a prosperovali ako kolónie v plytkých vodách. Tieto kolónie boli viac-menej guľovité a rástli z povrchu. Usadili sa na nich drobné čiastočky pôdy obohatené o trojmocné železo, ktoré nakoniec pochovali odumreté bunky vo vnútri kolónie. Pri absencii „zvierat“ môže byť vek jednotlivých kolónií veľmi vysoký. Takéto kolónie prežili, ako sa nazývajú fosílie stromatolity(v preklade z gréčtiny „vrstvené kamene“), kamene so štruktúrou sústredných vrstiev, často obohatené železom.

7. Vynález dýchania. Bola však zjavná „bezhriešnosť“ siníc. Vyžarovaním pri fotolýze vody tak silné oxidačné činidlo, akým je kyslík, postupne otrávili oceány a pripravili kolaps svojej pokojnej rajskej vlády, ktorú rýchlo vystriedalo nám známe peklo hladných démonov, kde sa živé tvory neustále navzájom požierajú. . (Toto všetko je, samozrejme, metafora. Ale nedávno vyšla učebnica biológie, ktorú vydala pravoslávna cirkev, v ktorej sa píše, že pred pádom Adama sa samice komárov možno kŕmili nektárom kvetov, ktorý vraj mohol obsahovať hemoglobín. Teraz to už nie je sranda, toto je pokus vrátiť nás v čase najdivokejších povier vychovávaním detí príťažlivosťou klamstiev a bláznivých fantázií.) Asi pred 2 miliardami rokov sa minulo železo v oceáne a kyslík sa začal dostávať do atmosféry. Svoj súčasný obsah v atmosfére dosiahol pred 1,5 až 0,5 miliardami rokov. Objavenie sa kyslíka si vyžiadalo reštrukturalizáciu celej biochémie prakticky všetkých tvorov, ktoré vtedy žili, pretože doslova otrávil mnohé enzýmy (alebo skôr koenzýmy). Zároveň sa v médiu objavilo silné okysličovadlo, ktoré bolo prispôsobené ako akceptor elektrónov v elektrónových transportných reťazcoch, čo výrazne zvýšilo ich účinnosť. Takto vzniklo bunkové dýchanie. Mnoho moderných fialových baktérií je schopných preskupiť sa z fotosyntézy na dýchanie pomocou rovnakých elektrónových transportných reťazcov.

Až v tomto štádiu bolo možné objaviť heterotrofy, pričom sa použili procesy účinnejšie ako glykolýza a oveľa efektívnejšie (pamätajte - 18-krát!). Začala sa renesancia heterotrofov. Viete, čo momentálne existuje veľké množstvo aeróbne baktérie. Všetky pochádzajú z fotosyntetických baktérií, ktoré stratili schopnosť fotosyntézy, ale zachovali si reťazec transportu elektrónov. Dokonca aj naša E. coli pochádza z fialových baktérií! Vznikli predpoklady pre vznik organizmov, ktoré žijú vďaka efektívnej oxidácii organickej hmoty produkovanej autotrofmi. Nerozdelená vláda autotrofov sa tak skončila. Je dôležité, že spolu so zastavením usadenín trojmocného železa v tomto čase sa akumulácia oleja drasticky znížila. Ak sa skoršia biogénna organická hmota vytvorila natoľko, že jej prebytok sa po dlhých chemických premenách usadil v útrobách vo forme ropy, ktorá slúžila ako bonus pre tak vzdialených potomkov vtedajších organizmov, ako ste vy a ja, potom s s nástupom dýchania nastal bujný dopyt po tejto organickej hmote, ktorú nový agresívny spotrebiteľ začal odoberať priamo od výrobcu.

8. Vznik mitochondrií a plastidov... Asi pred 1,5 miliardou rokov začali niektoré aeróbne baktérie žiť v bunkách primitívnych (a spočiatku anaeróbnych!) eukaryotov a nakoniec sa z nich vyvinuli mitochondrie. Od tohto momentu bol možný výskyt zvierat, pôvodne jednobunkových. Všetky moderné eukaryoty majú mitochondrie a všetky tieto mitochondrie sú navzájom príbuzné a jednoznačne boli „domestikované“ iba raz. Primárne anaeróbne eukaryoty zbavené mitochondrií dodnes neprežili. Neskôr sa niektoré sinice, ktoré tiež prešli k životu vo vnútri eukaryotických buniek, zmenili na plastidy rias, a to sa stalo v rôznych riasach najmenej trikrát. Rastliny sa neskôr vyvinuli zo zelených rias. Vo všetkých prípadoch boli plastidy získané bunkami, ktoré už mali mitochondrie. Tieto bunky „vedeli, ako dýchať“, ale nevedeli, ako syntetizovať organickú hmotu, to znamená, že to boli živočíšne bunky. Rastliny, teda eukaryoty schopné fotosyntézy, majúce plastidy a mitochondrie, teda pochádzajú zo živočíchov (samozrejme, stalo sa to na jednobunkovej úrovni).

Vidíme, že vývoj, príp evolúciaživot na Zemi (o význame slova „evolúcia“ si povieme viac v 15. prednáške), bol veľmi nerovnomerný. Obdobia dlhé stovky miliónov rokov, keď sa nič zásadne nové nedialo, vystriedali rýchle konštruktívne prelomy, v dôsledku ktorých sa radikálne zmenila tvár Zeme. Každý z týchto objavov bol sprevádzaný vynálezom spôsobu, ako prekonať nejaký nedostatok - najprv to bol nedostatok redukčných činidiel a potom nedostatok oxidantov. Každý z týchto „vynálezov“ musel čakať stovky miliónov či miliardy rokov, čo znamená len to, že k nim došlo náhodou – akákoľvek „účelová“ inžinierska činnosť by bola oveľa efektívnejšia. Vďaka tomu sa život na Zemi naučil vystačiť si s najvzácnejšími zdrojmi – vodou, oxidom uhličitým, vzdušným dusíkom a hlavným zdrojom energie – neobnoviteľným (!), ale prakticky nevyčerpateľným, začalo byť slnečné svetlo. Možno sa tvár Zeme ešte musí zmeniť a nie je vylúčené, že je to teraz vďaka „inteligentnej“ ľudskej činnosti. Nakoľko to však bude účelné a či človek a život v nami známych podobách povedie k smrti, je stále otázkou.

Šiesta prednáška končí. Prvý bol venovaný definícii života a ďalších päť - všetky druhy chémie. A je to správne! Pripomeňme si tú definíciu života, pri ktorej sme sa potom zastavili: súbor autonómnych otvorených systémov, ktoré existujú vo forme špeciálnych štruktúr vďaka neustálemu toku hmoty a prílevu energie a sú schopné viac či menej presnej sebareprodukcie.

Väčšina z toho, čo sa tu hovorí, je implementovaná na chemickej úrovni, o ktorej sme uvažovali. Nukleové kyseliny schopné biosyntézy templátu sú zodpovedné za viac či menej presnú vlastnú reprodukciu. Tok hmoty a prílev energie sa realizuje prostredníctvom enzymatických reakcií za účasti pomerne jednoduchých organických kyselín, špeciálnych nukleotidov, mediátorových koenzýmov a zložitejších proteínovo-pigmentových systémov, ako sú fotosystémy a reťazec transportu elektrónov. Možno len výhrada „vo forme špeciálnych štruktúr“ presahuje rámec chémie, o ktorej sme uvažovali. V dvoch podobných prípadoch sme už potrebovali špeciálne štruktúry - priestor ohraničený membránou rôzne stranyčím vzniká rozdiel v koncentrácii protónov - vnútorný priestor mitochondrií v procese oxidačnej fosforylácie a vnútorný priestor tylakoidu v prípade svetelného štádia fotosyntézy. V zákulisí našej úvahy sa totiž celý čas nachádzala aspoň vonkajšia membrána bunky, ktorá ohraničovala náš chemický reaktor s jemne vyladenou koncentráciou rôznych látok z vesmíru.

Zvážili sme teda takmer celú podstatu života, ktorú potrebujeme doplniť o jeho štrukturálnu organizáciu. K tomu prejdeme v ďalšej prednáške, pretože v skutočnosti je celá biológia nad rámec biochémie vedou o biologických štruktúrach. Začneme štruktúrami na takzvanej bunkovej úrovni.

Mechanizmus fotosyntézy.

Fotosyntéza je komplexný redoxný proces pozostávajúci z mnohých enzymatických reakcií, v dôsledku ktorých dochádza k redukcii oxidu uhličitého a oxidácii vody. To znamená, že oxid uhličitý je akceptor elektrónov a voda je ich donorom. Fotosyntéza sa uskutočňuje striedaním dvoch fáz:

1.Svetelná fáza prúdiaci vo svetle bez účasti oxidu uhličitého, nezávisle od teploty.

2. Fáza tmy prebiehajúca v tme za účasti oxidu uhličitého v závislosti od teploty.

Pozostáva z nasledujúcich po sebe nasledujúcich etáp:

1. Proces absorpcie energie zo slnečného žiarenia plastidovými pigmentmi a vznik excitovaných molekúl chlorofylu A.

2. Oxidácia (fotolýza) vody a uvoľňovanie kyslíka v dôsledku energie excitovaných molekúl chlorofylu.

3. Syntéza ATP v procese fotosyntetickej fosforylácie a tvorby redukovaného NADxH2.

Keď molekula chlorofylu absorbuje svetlo, excitovaný elektrón odovzdá svoju energiu chlorofylu A, ktorý ju v procese fotosyntézy premení na energiu chemických väzieb organickej hmoty. V chloroplastoch sú chlorofyl a iné pigmenty ponorené do tylakoidných membrán a tam sú zostavené do funkčných jednotiek nazývaných fotosystémy, z ktorých každý obsahuje 250-400 molekúl pigmentu. Všetky pigmenty vo fotosystéme môžu absorbovať fotóny, ale iba jedna molekula chlorofylu v danom fotosystéme môže absorbovanú energiu využiť pri fotochemických reakciách. Je zvykom nazývať ho reakčným centrom fotosystému a všetky ostatné sa nazývajú antény, pretože sú schopné zbierať svetlo ako antény. Existujú dva typy fotosystémov – fotosystém 1 (F1) s optimom absorpcie 700 nm (P700) a fotosystém 2 (F2) s optimom absorpcie 680 nm (P680). Οʜᴎ pracuje synchrónne, ale F1 môže pracovať nezávisle.

Z-schéma fotosyntézy (model svetelných reakcií).

1. Energia svetla vstupuje do F2, kde je absorbovaná reakčným centrom P680, ktoré je následne excitované. A jeho excitované energizované elektróny sa prenesú do akceptorovej molekuly Q. Molekula P680, ktorá stratila svoje elektróny, ich môže nahradiť elektrónmi vody, ktorá sa disociuje na protóny a kyslík. Tento na svetle závislý oxidačný rozklad vody pôsobením svetla a tylakoidných enzýmov sa bežne nazýva fotolýza voda.

2. Potom elektróny klesajú pozdĺž elektrónového transportného reťazca (ETC) do F1. ETC obsahuje cytochrómy, proteíny obsahujúce železo a síru, chinóny, proteín plastocyanín obsahujúci meď. Výsledkom tejto reakcie je premena molekuly ADP na ATP v dôsledku pridania fosfátu a vytvorenia vysokoenergetickej väzby. - fosforylačná reakcia.

3.V F1 svetelná energia prenáša elektróny z P700 do elektronického akceptora P430, čo je proteín obsahujúci gél. Ďalší elektronický nosič, ferredoxín (želatínový proteín), prenáša svoje elektróny na koenzým NAD, ktorý sa redukuje na NADxH2, zatiaľ čo molekula P700 je oxidovaná. Tento jednosmerný tok elektrónov z vody do NAD sa zvyčajne nazýva necyklický tok elektrónov a tvorba ATP sa nazýva acyklická fosforylácia.

Z-diagram svetelného štádia fotosyntézy

Celkový energetický výťažok necyklického toku elektrónov je 12ATP, 12NADxH2, uvoľní sa 1 molekula O2. Celková rovnica svetelnej fázy fotosyntézy:

12H2O + 12NAD + 12ADF + 12H3PO4 --- 12NADxH2 + 12ATF + 02

Cyklická fosforylácia.

F1 môže fungovať nezávisle od F2. Tento proces sa zvyčajne nazýva cyklický tok elektrónov resp cyklická fosforylácia... V tomto prípade sa elektróny prenesú z P700 na P430, keď svieti F1. Potom elektróny nejdú do NAD, ale po vedľajšej dráhe spojenej s F1 k akceptoru Q a vracajú sa do reakčného centra F1. V tomto prípade sa molekula ATP tvorí z ADP. Pretože dochádza k cyklickému toku elektrónov, tento proces sa zvyčajne nazýva cyklická fosforylácia. V tomto prípade nedochádza k rozkladu vody, vývinu kyslíka, tvorbe NADxH2. Ide o primitívnejší spôsob, typický pre fotosyntetické baktérie a niektoré eukaryoty.

Cyklická fosforylácia

Analýza výberu vlastných alebo prenajatých priestorov cestovnou kanceláriou, vlastnej alebo prenajatej dopravy na zájazdy

Analýza súčasného stavu a problémov rozvoja dopravy v Ruskej federácii

Blok vedeckej podpory podprogramov zameraných na uvedenie do prevádzky hlavných mechanizmov implementácie Dopravnej stratégie

O 19 hod. 19. júna kolóny obrnených transportérov, delostrelectva, MTLB, tankov T-55 vstúpili do Bendery pozdĺž ciest Kišiňov a Causeni.

Poradie usporiadania redoxných činidiel v ETC chloroplastov v súlade s ich redoxným potenciálom a údajmi o ich lokalizácii v komplexoch odráža Z-diagram fotosyntézy(pozri obr. 3.32). Podľa schémy Z dochádza k postupnému prenosu elektrónov z PSII do PS1 a dva fotosystémy sú spojené do jedného reťazca prenosu elektrónov z vody do NADP+. Koncept existencie dvoch fotosystémov v chloroplastoch a ich spoločnej postupnej činnosti sa prvýkrát objavil v 40. rokoch 20. storočia. na základe pokusov laboratória R. Emersona, ktorý objavil efekt červeného pádu kvantového výťažku fotosyntézy keď sú chloroplasty osvetlené monochromatickým ďaleko červeným svetlom

(λ > 680 nm), vzrušujúce iba PS1 a účinok zvýšenia kvantového výťažku fotosyntézy pri pripočítaní k osvetleniu vzdialeného červeného svetla s vlnovou dĺžkou asi 650 nm (excitujúce PSII). Neskôr sa ukázalo, že transport elektrónov v chloroplastoch je možný nielen z vody do NADP+ za účasti dvoch fotosystémov, ale aj iných. alternatívne cesty zahŕňajúci iba jeden z dvoch fotosystémov. Okrem toho môže molekulárny kyslík pôsobiť ako konečný akceptor elektrónov v ETC fotosyntézy namiesto NADP +. V súčasnosti rozlišovať acyklický, cyklický a pseudocyklický transport elektrónov v chloroplastoch.

Necyklický transport elektrónov- ide o prenos elektrónov z vody do NADP +, uskutočňovaný za účasti dvoch fotosystémov, cytochrómu b 6 f-komplexné a stredné nízkomolekulárne nosiče - pool plastochinónov (PQ), plastocyanínu (PC), ferredoxínu (PD) a ferredoxín-NADP-oxidoreduktázy (FNR). Je sprevádzané uvoľňovaním kyslíka a znížením NADP +. Je konjugovaný so syntézou ATP (necyklická fotofosforylácia).

Cyklický tok elektrónov PS1 alebo PSII sa vykonávajú samostatne.

Cyklistická doprava za účasti FS1(pozri obr. 3.33) zahrňuje prenos elektrónov z redukovaného ferredoxínu (PD VOCST) späť na oxidovaný P. V tomto prípade ide o pool plastochinónov, cytochróm b 6 f-komplex a pravdepodobne aj špeciálny enzým PD-chinónoxidoreduktáza (FQR). Cyklický tok elektrónov za účasti PS1 je spojený so syntézou ATP (cyklická fotofosforylácia) a môže poskytnúť dodatočnú syntézu ATP potrebnú pre procesy asimilácie uhlíka. Môže ísť o alternatívny spôsob využitia energie svetla pri jeho vysokých intenzitách.

Ryža. 3.34. Štrukturálna a funkčná organizácia komplexu FSI (podľa Wei-Zhong He,

1996 v znení neskorších predpisov):

(Mn)4 - klaster obsahujúci Mn; Tyr z - tyrozín-161 proteínu D1 - primárny donor elektrónov pre II; Tyr D - tyrozín-161 proteínu D2; cit. b 559 cytochróm - b 559; Chl Z, Chl D - sprievodné chlorofyly a; Auto - β-karotén; Q A, Q B - plastochinóny; I - proteín; α, β - podjednotky. Bodkovaná čiara označuje možný cyklický tok elektrónov

Cyklický tok elektrónov v PSII je spojený s reverzným prenosom elektrónov z redukovaných primárnych chinónov Q A a (alebo) Q B na oxidovaný pigment reakčného centra P - podieľa sa na tom cytochróm b 559,β-karotén a sprievodné molekuly chlorofylu a(Chl Z alebo Chl D) reakčného centra PSII (obr. 3.34).

Cyklický tok elektrónov v PSII je alternatívnym spôsobom využitia energie svetla. Aktivuje sa v podmienkach, keď intenzita svetla prekročí schopnosť ETC využiť svoju energiu, alebo keď je narušený vodný oxidačný systém chloroplastov.

Pseudocyklický tok elektrónov- prenos elektrónov z vody do kyslíka - prvýkrát ho skúmal A. Mehler (1951) a pomenoval po ňom - Mehlerova reakcia.

Zníženie kyslíka môže nastať ako v PS1 , a vo FSII. V tomto prípade môže absorpcia kyslíka kompenzovať jeho uvoľňovanie počas oxidácie H 2 O. Výsledkom je, že jediným produktom tohto procesu, ako v prípade cyklického toku elektrónov, bude ATP syntetizovaný počas pseudocyklickej fotofosforylácie.

K vzniku vedie pseudocyklický tok elektrónov aktívne formy kyslík (superoxidový radikál O , peroxid vodíka Н 2 О 2), preto môže aktivácia procesu spôsobiť poruchy vo fotosyntetickom aparáte. Tento alternatívny transport elektrónov sa aktivuje pri vysokej intenzite svetla v podmienkach nedostatku oxidovaného NADP+ v chloroplastoch.

Svetelná fáza fotosyntézy závisí od príjmu svetelného žiarenia (fotónov) do bunky. V prírode je fotosyntéza stimulovaná slnečným žiarením.

Chlorofyly a iné pigmenty obsiahnuté v chloroplastoch rastlinných buniek zachytávajú žiarenie určitých vlnových dĺžok. Energia fotónov prenáša elektróny pigmentov na vyššiu energetickú hladinu. Namiesto opätovného návratu na predchádzajúcu energetickú hladinu s reverznou emisiou energie sú elektróny zachytené akceptormi a transportované pozdĺž elektrónového transportného reťazca zabudovaného do chloroplastovej tylakoidnej membrány.

Počas dráhy elektrónov sa ich energia čiastočne stráca a čiastočne spotrebúva na syntézu ATP a redukciu NADP... Touto cestou slnečná energia sa premieňa na energiu chemických väzieb, ktorá sa potom v tmavej fáze využíva na syntézu organických látok... V tomto zmysle možno svetelnú fázu fotosyntézy nazvať prípravnou.

Elektrónový transportný reťazec sa skladá z pigmentov, enzýmov a koenzýmov. Niektoré sú lokalizované v membráne takmer nehybne, iné sa pohybujú a fungujú ako nosiče elektrónov a protónov.

Svetelné reakcie fotosyntézy však prebiehajú nielen na membráne tylakoidu. Tiež fotóny zo svetelného štartu fotolýza vody... V dôsledku fotolýzy sa voda rozkladá na protóny vodíka (H +), elektróny (e -) a atómy kyslíka (O). Posledne menované sa spájajú v pároch a uvoľňujú sa z bunky vo forme molekulárneho kyslíka (02).

Dôvod potreby fotolýzy sa objasní pri podrobnejšom skúmaní reakcií svetelnej fázy prebiehajúcej na membráne tylakoidu.

Fungujú tu dva fotosystémy. Ide o tzv fotosystém I a fotosystém II... Každý z nich zachytáva svetelnú energiu a z každého sa oddeľujú excitované elektróny, ktoré sú akceptované ich akceptormi. Vo fotosystémoch, elektrónové diery, teda nedostatok elektrónov. Chlorofyly reakčných centier fotosystémov sa stávajú kladne nabité. Aby systém opäť fungoval, je potrebné tieto diery eliminovať v dôsledku prílevu elektrónov zvonku.

V rastlinách je svetelná fáza fotosyntézy organizovaná tak, že fotosystém I vypĺňa diery elektrónmi transportovanými z fotosystému II. A prijíma elektróny, ktoré vznikajú pri fotolýze vody.

Elektróny uvoľnené z prvého fotosystému, ktoré prešli elektrónovým transportným reťazcom, dosiahnu NADP. Tento koenzým je obnovený a negatívne nabitý. Potom priťahuje vodíkové protóny a mení sa na NADP · H 2. Na získanie protónov a elektrónov je teda potrebná fotolýza vody.

Pozdĺž cesty elektrónov z druhého fotosystému k prvému sa ATP syntetizuje v dôsledku akumulácie elektrochemický gradient- rozdiel v nábojoch na rôznych stranách membrány.

Uvažujme podrobnejšie zjednodušený diagram svetelnej fázy fotosyntézy:

Na fotolýzu vody je okrem svetelnej energie potrebný aj enzým, ktorý je na diagrame označený ako „ komplex oxidujúci vodu". Je zabudovaný do fotosystému. Výsledné protóny zostávajú v lúmene, zatiaľ čo elektróny idú do fotosystému II (PSII). Tok elektrónov je znázornený modrou prerušovanou šípkou.

Nápisy P680 a P700 vo fotosystémoch označujú vlnové dĺžky svetla, ktoré sú prevažne absorbované PS reakčnými centrami. Samotné fotosystémy majú zložitú štruktúru. Okrem vyžarovania elektrónov reakčné centrum, zahŕňajú aj ľahký zberový komplex.

Z PSII sú elektróny prenesené do koenzýmu plastochinón... Keď sa nabíja negatívne, pripojí protóny zo strómy. Protónový tok je znázornený červenou prerušovanou šípkou. Plastochinón transportuje elektróny a protóny na enzymatické komplexný cytochróm b 6 f... Ten oxiduje plastochinón.

Cytochróm-b 6f pumpuje protóny do lúmenu a elektróny sa prenášajú na ďalší nosný koenzým - plastocyanín.

V tomto čase sa v lúmene nahromadí dostatočný kladný náboj v dôsledku protónov prenesených zo strómy a vytvorených v dôsledku fotolýzy vody, aby enzým „pracoval“ ATP syntáza... Prostredníctvom jeho kanálov sa protóny ponáhľajú na vonkajšiu stranu tylakoidnej membrány. Túto energiu využíva ATP syntáza na syntézu ATP z ADP a kyseliny fosforečnej.

Plastocyanín transportuje elektróny do PSI a obnovuje ho. Odtiaľto sa v dôsledku pôsobenia svetla prenášajú elektróny do ferredoxín... Pôsobením enzýmu ferredoxín-NADP reduktáza obnovuje NADP. Toto tiež používa protóny v stróme chloroplastu. Vstúpili sem, a to aj cez kanály ATP syntázy.

Uvažované reakcie svetelnej fázy sú necyklický transport elektrónov ... ale tejto fáze môže prebiehať aj fotosyntéza cyklická cesta... V tomto prípade ferodoxín neobnovuje NADP, ale plastochinón. PSI tak dostane svoje elektróny späť. V prípade cyklického transportu elektrónov nedochádza k syntéze NADPH2, svetelná fáza dáva len ATP.

Necyklický (konvenčný) transport elektrónov sa nazýva aj schéma transportu Z-elektrónov. Ak znázorníte tok elektrónov, berúc do úvahy postupný pokles ich energie, dostanete diagram podobný písmenu Z otočený o 90 °.