2 Сонячна енергія є первинним джерелом всієї біологічної енергії. Фотосинтезують клітини використовують енергію сонячного світла для утворення глюкози та інших органічних продуктів. Ці органічні продукти служать гетеротрофним клітинам джерелом енергії та вуглецю.

3 Загальна характеристикафотосинтеза Фотосинтез – складна багатоступінчаста система фотофізичних, фотохімічних та темнових біохімічних процесів, у яких енергія сонячного світла трансформується фотосинтезуючими організмами (бактеріями та рослинами) у доступні їм форми енергії: хімічну (NADPH, ATP) або електрохімічну (H). Використовуючи цю енергію, клітина за допомогою фотосинтетичної системи синтезує з простих неорганічних речовин вуглекислого газу та води глюкозу та інші складні органічні речовини. Продуктом цих реакцій є молекулярний кисень, що виділяється з молекул води.

4 Фотосинтез – один із найважливіших механізмів життя на Землі, оскільки, за його рахунок утворюються як складні високоупорядковані органічні речовини, так і кисень, що споживаються іншими організмами (бактеріями, рослинами та тваринами) як джерела будівельного матеріалу та енергії. Основна сумарна реакція фотосинтезу: 6СО 2 +6Н 2 О+hν З 6 Н 12 О 6 +6О ккал/моль

5 Суть фотосинтезу полягає у отриманні високоенергетичних електронів за рахунок енергії квантів світла, що поглинаються хлорофілом. Для того, щоб попередити повернення електрона у вихідний стан та розтрату отриманої енергії на теплові процеси, збуджений електрон дуже швидко переноситься електронним ланцюгом на NADP+, який потім використовується в біосинтетичних реакціях. Вихідним джерелом електронів є вода, яка при цьому розщеплюється та виділяє кисень. Цим киснем, що є побічним продуктом фотосинтезу, дихають усі аеробні організми.

7 1) Світлозбиральні комплекси ССКI та ССКII, що належать фотосистемам I та II. Вони містять пігменти, що поглинають кванти світла з різною довжиною хвилі. Енергія, поглинена ними, мігрує від пігменту до пігменту, злегка дисипуючись на кожному кроці, доки не потрапляє до реакційного центру з мінімальним енергетичним рівнем. Там вона викликає збудження фотосинтетичних пігментів - молекул хлорофілу Р 700 або P 680 в одній із двох фотосистем - ФС I або ФС II відповідно.

8 2) Збуджена молекула хлорофілу Р 700, що входить до складу фотосистеми I (ФС I), здатна іонізуватися: P e електрон, що відірвався від неї, переноситься по ланцюгу електронного транспорту на NADP +, відновлюючи його: NADP + + e + H + NADPH. NADPH далі використовується у циклі Кальвіна для синтезу глюкози. Вакансія на, що утворилася після догляду електрона, заповнюється або власним електроном, що повертається по ЦЕТ в результаті циклічного перенесення, або електроном, що надходить з ФС II.

9 3) У фотосистемі II за рахунок енергії збудження від молекули хлорофілу P 680 відривається електрон: P e і переноситься по електрон-транспортному ланцюгу на хлорофіл Р 700, заповнюючи вакансію, що там утворилася.

10 4) Вакансія, що утворилася на хлорофілі, заповнюється електроном, який відщеплюється від молекули води за допомогою так званої водорозщеплювальної системи, що входить до складу фотосистеми II. Крім електрона, вона відщеплює протони від молекули води: 2H 2 O 4 H e + O 2 При цьому від води відщеплюються і іони водню Н +, що беруть участь у створенні протонного градієнта, а також виділяється молекулярний кисень, що є побічним продуктом цього процесу.

11 5) Перенесення електронів по ЕТЦ призводить до одночасного переносу протонів Н + через мембрани тилакоїдів хлоропластів в строму комплексом цитохромів b 6 f, подібним до мітохондріального комплексу bc 1. Процеси виділення протонів при розщепленні води і перенесення їх через мембрану джерелом енергії синтезу ATP.

14 Хлоропласти Фотосинтез здійснюється у хлоропластах – органелах рослинних клітин. Вони зазвичай мають двоопуклу форму на зразок складених разом блюдець діаметром 3-10 мкм і товщиною 1,5-3 мкм. У рослинній клітині буває від 1 до 1000 хлоропластів.

15 Поперечний зріз клітини листа гороху (Pisum sativum) пройшов через два хлоропласти. Від цитоплазми хлоропласт відмежований двома мембранами – зовнішньою та внутрішньою. Зовнішня мембрана – гладка, внутрішня утворює вирости – ламели. На ламеллах розташовуються стоси тилакоїди. На знімку добре видно стоси тилакоїдів – грани. У тилакоїдах гран між шарами білків та ліпідів зосереджені молекули хлорофілу. Він здатний вловлювати енергію сонячного світла, за допомогою якої відбувається утворення вуглеводів із води та вуглекислого газу. Скупчення вуглеводів видно на знімку як темні цятки. Трансмісійний мікроскоп, х

18 Хлоропласти рослин подібні до мітохондрій: вони також використовують електронтранспортний ланцюг і хеміосмотичний принцип для перетворення енергії. Вони також мають двомембранну оболонку, що включає високопроникну зовнішню мембрану і внутрішню низькопроникну мембрану з вбудованими білками-переносниками. Внутрішня область, аналогічна мітохондріальному матриксу, називається стромою. Але у хлоропластів немає христ, а є спеціальна система внутрішніх мембран – тілакоїдів – що утворюють третій внутрішній компартмент.

19 Тилакоїди – плоскі мембранні мішечки діаметром близько 0,5 мкм. Вони упаковані в стоси – грани. Усередині них – тилакоїдний простір. Окремі грани з'єднуються між собою ламеллами - протяжнішими шарами. Тилакоїдні мембрани містять крім ліпідів і білків фотосприймаючі пігменти - різні модифікації хлорофілу та ряд інших пігментів, що утворюють світлозбиральну антену. Вони вбудовані дві фотосистеми ФС I і ФС II, здійснюють фотосинтез і Н-ATP-синтетаза (F 0 F 1), синтезує ATP, як і мітохондріях.

20 Ультраструктура тілакоїдів. А. Грани тілакоїдів. Б. Поверхня тилакоїда, виявлена ​​методом заморожування-травлення. Видно області з великими гранулами (В), що представляють внутрішньотилакоїдну поверхню тилакоїдної мембрани, і області з дрібними гранулами (С), що представляють поверхню тилакоїдної мембрани, звернену до строми. Великі гранули імовірно є компонентами фотосистеми II, природа дрібних поки що не встановлена.

21 У стромі знаходяться власна ДНК хлоропластів, білок-синтезуючий апарат, ферменти циклу Кальвіна та інших метаболічних процесів, цукру, ліпіди, органічні кислоти та інші сполуки. Так само, як і в мітохондріях, ДНК хлоропластів кодує лише частину необхідних білків, тоді як інші білки або їх субодиниці кодуються у клітинному ядрі. Передбачається, що хлоропласти, як і мітохондрії, виникли на ранніх стадіях еволюції рослин внаслідок симбіозу рослинних клітин та якихось прокаріотичних клітин.

22 Фотосинтетичні пігменти Основний пігмент фотосинтезу - хлорофіл (Chl a). Він складається з порфіринової головки розміром приблизно 1,5х1,5 нм, що має гідрофільні властивості, і довгого гідрофобного хвоста - фітолу - довжиною близько 2,0 нм. У центрі порфіринового кільця хлорофілів знаходиться іон Mg 2+, пов'язаний з координаційними зв'язками з атомами азоту. Інші форми хлорофілу – b, c, d, а також бактеріохлорофіл – відрізняються бічними заступниками та розподілом подвійних зв'язків у порфіриновому кільці.

23

26 Спектри поглинання хлорофілів мають дві інтенсивні смуги: характерну для порфіринів смугу Соре в синій або ближній ультрафіолетовій частині спектру та «червону» смугу поглинання світла в області нм (у бактеріохлорофілів вона зміщена в ближню інфрачервону область нм). Поглинання світла в червоній області спектра забезпечується взаємодією іона магнію з сполученою p-електронною системою порфіринового кільця. (Для порівняння – гем, що містить у порфіриновому кільці не Mg 2+, а Fe 2+ поглинає світло над червоної, а зелено-жовтої частини спектра).

27 У клітині "червоні смуги" поглинання хлорофілів зсунуті у довжинохвильову область порівняно зі спектрами, отриманими в органічних розчинниках, що вказує на значну роль пігмент-пігментних, пігмент-білкових та пігмент-ліпідних взаємодій внаслідок щільного пакування хлорофільних молекул у фотосинтетичній мембрані.

28 Методами низькотемпературної та диференціальної спектрофотометрії виявлено до 10 модифікацій хлорофілу a, що розрізняються за спектрами поглинання та флуоресценції (тобто за розташуванням енергетичних рівнів), екстрагуванням з мембрани (тобто гідрофільністю/гідрофобністю) тощо. Вони називаються "нативними формами" хлорофілу. Так, виділено Р 670 (поглинає світло нм), Р 680, Р 700 і т.д. Основним чинником, що зумовлює властивості цих нативних форм, є пігмент-пігментні взаємодії, тобто. утворення димерів та більших агрегатів. У пігментних агрегатах за рахунок взаємодії p-електронних систем відбувається "розмазування" електронної хмари по двох або кількох порфіринових кільцях. Відповідно, знижується верхній енергетичний рівень і підвищується здатність поглинати більш довгохвильове червоне світло.

30 Крім хлорофілу в фотосинтезуючих клітинах зустрічаються й інші пігменти: феофітин, каротиноїди, фікоеритрини фікобіліни та ін. Всі вони містять довгі ланцюжки пов'язаних зв'язків, в яких π -електронна хмара «розмазується» по всій довжині дозволяє поглинати кванти видимого світла. У каротиноїдів довжина ланцюжків становить приблизно 40 вуглецевих атомів. Вони поглинають світло в області нм і мають жовтий або оранжевий колір. Фікобіліни поглинають світло в області нм. Усі вони доповнюють спектр поглинання хлорофілу, поглинаючи як червоне світло, а й світло інших ділянок спектру, дозволяючи рослинам ефективно вловлювати сонячну радіацію.

31 Світлозбиральні комплекси Для підвищення ефективності використання світла фотони вловлюються не лише молекулами хлорофілу в реакційних центрах, а й допоміжними пігментами, що передають енергію електронного збудження в реакційний центр. Дійсно, перетин поглинання молекули хлорофілу см 2 тому при інтенсивності денного сонячного світла квант/(см 2 сек) інтенсивність поглинання квантів однією молекулою не більше 1-10 квантів в секунду. Але тривалість циклу використання енергії фотона від його поглинання до виділення молекули 2 становить близько 0,01-0,02 сек. Отже, більшу частину часу між поглинанням окремих квантів хлорофіл повинен "випростувати". Тому поєднання десятків молекул пігментів, що забезпечують енергією один реакційний центр, підвищує ефективність фотосинтезу.

33 Крім заповнення часових інтервалів, ефективність світлозбору підвищується шляхом «спектрального заповнення», тобто. поглинання квантів у синьо-зелено-жовтій ділянці, в якій хлорофіли практично не поглинають світло. Цю роль виконують різноманітні пігменти – хлорофіли, каротиноїди, фікоеритрини, фікобіліни та ін, що мають смуги поглинання світла у цій спектральній ділянці. Десятки молекул пігментів-світлозбирачів оточують фотосистеми І та ІІ. Енергія поглинених фотонів перетворюється на енергію електронного збудження молекул пігментів. Вона з деякою диссипацією передається від молекули до молекули і після кількох випадкових блукань потрапляє на реакційні центри фотосистем I і II - Р 680 або Р 700, що є "енергетичними пастки", так як процес міграції енергії переривається. Енергія далі не передається, а використовується для генерації високоенергетичних електронів та власне фотосинтезу.

34 Раніше, коли не було встановлено певної просторової організації пігментних молекул, передбачалося їх невпорядковане розташування у фотосинтетичній мембрані, і використовувався непоганий термін «світлозбиральна антена». Але в останні десятиліття, коли стало відомо, що молекули пігментів пов'язані з білками, що організують їхнє розташування, стали вживати термін «світлозбиральні пігмент-білкові комплекси» (ССПБК або просто ССК). У міжнародній літературі для позначення використовується абревіатура LHC (Light Harvesting Complexes).

35 Зазвичай ССПБК оточують функціональне ядро ​​– центральний кор- комплекс, де знаходяться реакційні центри ФС I або ФС II. На периферії ФС I і ФС II розташовуються тримери з білків Lhcb1/Lhcb2, а центральну корову частину оточують мономерні антенні білки. У ФСІ – це білки Lhca1, Lhca2, Lhca3 та Lhca4, а у ФС II – білки Lhcb3, Lhcb4, Lhcb5 та Lhcb6 (або CP 25, CP29, CP26 та CP24).

36 Кожен мономер тримерів Lhc у фотосистемі ФС II – це білок із трьох α-спіралей довжиною 4,3; 5,1 та 3,2 нм. Ці білки пов'язують по 7 молекул хлорофілу а, 5 молекул хлорофілу b та 2 молекули лютеїну. Порфиринові кільця хлорофілів розташовані у два шари перпендикулярно до площини тилакоїдної мембрани поблизу її зовнішньої та внутрішньої площини.

37 Схема будови ФС I (a) та ФС II (б). На (а) показано розташування тривимірних (Lhcb1/Lhcb2) та мономерних світлозбиральних білкових комплексів (Lhca1, Lhca2, Lhca3 та Lhca4). Коркомплекс в центрі містить приблизно 90 молекул хлорофілу а. На (б) наведено зразкове положення тривимірних (Lhcb1/Lhcb2) і мономерних світлозбиральних білкових комплексів (Lhcb3, Lhcb4, Lhcb5 і Lhcb6). У центрі показаний димер з двох кор-комплексів, кожен з яких складається з білків реакційного центру D1/D2 та цитохрому b559, оточених антенними білками CP43 та CP47, що містять молекул хлорофілу а (S. Jansson, 1994).

38 Просторова структура одного з мономерів, що входить до складу тривимірного комплексу LHC. Його три α-спіралі містять 7 молекул хлорофілу а (в центрі, світліші), 5 – хлорофілу b (на периферії, темніші) та 2 – лютеїну (чорні) (по Nelson, Cox, 2005).

40 Механізми міграції енергії Найважливіший механізм міграції енергії електронного збудження у фотосинтетичній мембрані – індуктивно-резонансний механізм Ферстера. Він здійснюється за участю синглетних збуджених рівнів (S 1) за дотримання обов'язкових правил: 1) донор повинен флуоресціювати; 2) акцептор повинен мати смугу поглинання, яка відповідає смузі випромінювання донора; 3) відстань між ними має перевищувати 4-6 нм.

41 Перенесення енергії відбувається за рахунок того, що під час існування збудженого стану донора (с) осцилюючий збуджений електрон генерує змінне електромагнітне поле. Якщо його частота збігається з однією з резонансних частот збудженої молекули акцептора, відбувається безвипромінювальний резонансний перенесення енергії: в акцепторі збуджуються осциляції електрона, а молекула донора безвипромінно повертається у вихідний стан. Типові відстані індуктивно-резонансного перенесення енергії – 2-5 нм, а характерний час – сек. У такий спосіб може здійснюватися міграція енергії між різними пігмент-білковими комплексами.

43 В межах одного локального світлозбирального комплексу, що примикає з ФСІ або ФСІІ, де молекули пігментів щільно упаковані в квазікристалічну структуру, їх електронні рівні можуть усуспільнюватися в зони. І тут можливий екситонний механізм міграції енергії, у якому поглинання кванта світла призводить до появи экситона - колективного порушення, делокализованного у всій системі молекул. Порушення молекули донора поширюється по верхніх коливальних рівнях всю систему акцепторів під час сек, менше, ніж час релаксації коливальних станів. Це самий швидкий спосібміграції енергії. Наприкінці цього проміжку часу енергія ексітону може призвести до порушення певної молекули акцептора, віддаленої від донора на відстань до 1-1,5 нм.

44 Конкретні механізми перенесення енергії в ССПБК залежать від їхньої будови та щільності упаковки пігментів. Перенесення енергії збудження між сусідніми молекулами пігментів відбувається за 0,2-5 пс, а між різними пігмент-білковими комплексами, віддаленими на більшу відстань, він здійснюється повільніше. Так, методами лазерної спектроскопії виявлено характерні часи перенесення енергії порядку 0,15-0,3 пс, 2-6 пс та пс. Вони можуть відповідати міграції енергії між сусідніми молекулами хлорофілу на відстань близько 1 нм, між окремими кластерами пігментними і між мономерами в трімері. У перших двох випадках можливий екситонний механізм міграції енергії, а в третьому вірогідніший індуктивно-резонансний перенесення. Час між поглинанням фотона антеним пігментів та захопленням енергії реакційним центром фотосистеми I оцінюється як пс, а фотосистеми II – близько 300 пс.

45 Отже, у світлозбираючій антені енергія, що поглинається короткохвильовими формами пігментів, мігрує до більш довгохвильових. По дорозі деяка частина енергії дисипує, але основна частина в кінці "стікає" на пігменти Р 680 або Р 700 реакційних центрів, де її рахунок відбуваються поділ зарядів і подальші фотохімічні процеси.

46 Z-схема фотосинтезу У вищих рослин у фотосинтезі беруть участь дві фотосистеми I та II зі своїми реакційними центрами, до яких входять одна молекула Р 700 або дві молекули Р ​​680, відповідно, і відповідні ланцюги електронного транспорту. Реакційні центри фотосинтезу є великі пігмент- білкові комплекси, вбудовані у фотосинтетичні мембрани, з особливою упаковкою пігментів та переносників електронів.

47 Фотосистема I Фотосистема I переносить електрони на невеликий гідрофільний білок ферредоксин, що містить (Fe-S)-центр. Це рухливий переносник, здатний мігрувати поверхнею мембрани, на кшталт цитохрому, і переносити електрони: а) на NADP + -оксидоредуктазу – вбудований у мембрану білковий комплекс, що відновлює NADP: NADP + + 2e + H + NADPH. Отриманий NADPH використовується у циклі Кальвіна для синтезу глюкози.

48 б) на пластохінони, а потім через комплекс цитохромів b 6 f - назад на Р 700. При цьому комплекс цитохромів b 6 f створює градієнт протонів, що використовується Н + - ATP-синтазою, вбудованою в ту саму мембрану, для синтезу ATP. Це циклічне фотофосфорилування здійснюється тому, що для фіксації вуглецю та синтезу глюкози необхідно набагато більше молекул ATP, ніж NADP+.

49 Оскільки частина електронів P 700 використовується в біосинтетичних процесах, то електрони, що відсутні, поставляються фотосистемою II. Потік електронів від фотосистеми II через свій ланцюг електронного транспорту також потрапляє на комплекс цитохромів b 6 f, вносячи при цьому внесок у генерацію протонного градієнта на тилакоїдній мембрані, і далі через пластоціанін потрапляє на Р 700. За свою Z-подібну форму ця схема названа Z -схемою фотосинтезу.

50 Оскільки для утворення однієї молекули О 2 необхідне перенесення чотирьох електронів від двох молекул H 2 O на два NADP +, а для перенесення одного електрона від води на NADP + необхідно поглинання двох фотонів (двома фотосистемами), то сумарне рівняння процесів перенесення електронів у фотосистемах I і II можна записати як: 2H 2 O+2NADP + +8фотонівO 2 +2NADPH+2H +

52 До комплексу фотосистеми I входять великі білки RsaA і RsaB з молекулярною масою порядку 83 кДа, які несуть реакційні центри ФС I, а також біля молекул хлорофілу а і молекул каротиноїдів. Первинний донор електронів у фотосистемі I поки виділено у чистому вигляді, але добре охарактеризований з допомогою спектральних методів. Його спектр поглинання світла містить дві основні смуги при 700 і 430 нм. У хлоропластах рослин співвідношення P 700 та інших хлорофілів приблизно дорівнює 1:400. Вважається, що реакційний центр Р 700 утворений димер хлорофілу а. Поблизу P 700 в реакційному центрі знаходяться первинний та вторинний акцептори електронів А 0 і А 1. У ролі А 0 виступає молекула хлорофілу а зі смугою поглинання в області нм, а вторинним акцептором електронів А 1 є філлохінон (вітамін К 1). Нагадаємо, що хінони – внутрішньомембранні гідрофобні молекули.

54 Фотосистема II Фотосистема II влаштована складніше фотосистеми I, оскільки до її складу входить водоокислююча система, що постачає електрони в реакційний центр. Кор-комплекс ФС II являє собою димер з двох субодиниць, які включають по два майже однакові білки D 1 і D 2, що є структурною основою для організації реакційних центрів, цитохром b 559, а також антенні білки CP43 і CP47. До складу реакційного центру фотосистеми II крім 6 молекул хлорофілу а входять дві молекули феофітину, дві молекули β-каротину і одна молекула цитохрому b 559. Вони утримуються і розміщуються у фотосинтетичній мембрані парою майже однакових інтегральних білків D 1 і D 2 і декількома.

55 У фотосистемі II первинним донором електронів служить хлорофілу - P 680. Передбачається, що роль реакційного центру P 680 у ФСII грає димер хлорофілу. Але спектральні властивості вказують на те, що до складу P680 можуть входити ще шість молекул хлорофілу, розташованих на деякій відстані. Вивчення P 680 утруднено тим, що він є дуже сильним окислювачем і може окислювати сусідні молекули. Адже для окислення молекули води його редокс-потенціал повинен перевищувати +810 мВ.

56 Поділ зарядів та перенесення електронів у реакційному центрі фотосистеми II відбуваються приблизно так само, як і у фотосистемі I. Методами лазерної спектроскопії показано, що після поглинання кванта світла електрон за 3 пс з ефективністю % переноситься від збудженого хлорофілу Р 680* на первинний акцептор оф (ФФ) - пігмент порфіринового ряду, що не містить координованого атома металу, - з утворенням радикальної пари (РФФ). За наступні 150 пс електрон переноситься на міцно пов'язаний з білками пластохінон PQA (або просто QA), а від нього – на слабо пов'язаний пластохінон PQВ (або QВ), що знаходиться за межами реакційного центру. Останній, отримавши два електрони і приєднавши два протони з води, перетворюється на повністю відновлену форму PQ B H 2, яка після дифузії всередині мембрани переносить електрони на комплекс цитохромів b 6 f.

58 А. Просторова організація реакційного центру фотосистеми II (за даними рентгеноструктурного аналізу з роздільною здатністю 3.8) Стрілки показують шлях електронів від донора – іонів Mn у кластері Mn 4 водоокислювальної системи на вторинний хінон QB. Б. Схема первинного поділу зарядів у фотосистемі II, що показує, що початковим донором електронів для феофітину (Phe) служить хлорофіл, пов'язаний з D1, а утворюється на «дірка» мігрує на P680 (Barber, 2003)

59 Комплекс цитохромів b6f Комплекс цитохромів b 6 f схожий на мітохондріальний комплекс цитохромів bc 1. Він бере участь у переносі електрона від фотосистеми I (від ферредоксину) або від фотосистеми II (від пластохінону PQ BH 2) через пластоціанін на фотосистему I. димер із двох однакових мономерів. Він містить два цитохроми b 6 з високо- і низькопотенційними гемами (позначаються як b H і b L, відповідно), цитохром f з гемом f, ще один гем х з невідомою функцією та β-каротин, функції якого також невідомі. До його складу також входить залізо-сірчаний білок Риске з центром (Fe2-S2).

60 Пластохінон PQ B, ймовірно, здійснює транспорт протонів через фотосинтетичну мембрану за механізмом, схожим на Q-цикл у мітохондріальному комплексі цитохромів bc 1. У всякому разі, передбачається, що в області контакту кожного мономеру з іншим мономером є центр зв'язування пластохінону, так що між ними може поміщатися пара пластохинонов PQ і PQH 2 які можуть здійснювати Q-цикл. Але на відміну від мітохондрій, де іони водню переноситься з матриксу в міжмембранний простір, у хлоропластах протони переносяться всередину тилакоїдів. Це призводить до створення електрохімічного градієнта протонів, використовуваного Н + -ATP-синтазою (F0F1) для виробництва ATP.

61 Сумісна працякомплексу цитохромів b 6 f, NADP + -оксидоредуктази та водоокислюючої системи створює 1000-кратний градієнт концентрації протонів. В результаті внутрішньотилакоїдний об'єм набуває рН 5, тоді як рН строми порядку 8. Це створює на тилакоїдній мембрані протонруху силу близько 200 мВ (одна одиниця рН приблизно дорівнює 60 мВ), майже цілком обумовлену різницею концентрацій Н +, а не мембранним потенціалом проникна для іонів Mg 2+ і Cl - і вони нівелюють різницю потенціалів). Ця протон-рушійна сила використовується Н + - ATP-синтетазою, такою самою, як і в мітохондріях, для синтезу ATP.

63 Перенесення протонів комплексом цитохромів b 6 f у тилакоїдах здійснюється за механізмом Q-циклу, як у мітохондріальному комплексі цитохромів bc 1. Один з електронів PQH 2 передається на низькопотенційний гем b L, а інший – на Fe 2 -S 2 центр білка Ризику та далі через цитохром f на пластоціаніну. При цьому зі строми поглинаються протони, що приєднуються до пластохінону (Q + 2H + QH 2), які потім виділяються всередину тилакоїду.

64 Водоокислювальна система Вихідним джерелом електронів для електронно-транспортних систем фотосинтезу є вода. Вона також постачає іони водню для створення протонного градієнта. Але для їх отримання необхідно розщепити молекулу води: 2H 2 O 4 H e + O 2

65 Для розщеплення двох молекул води необхідно щонайменше чотири фотони. Але фотосинтетичний механізм може одночасно маніпулювати лише одним електроном. Для вирішення цієї проблеми у фотосинтезуючих клітинах є спеціальна водоокислююча (або водорозщеплююча) система, тісно, ​​структурно та функціонально, пов'язана з фотосистемою II. Вона передає відібраний у води електрон Р 680 для компенсації втрати електрона в процесі поділу зарядів. Тобто, вона є безпосереднім донором електронів для Р680. Молекулярна природа цього донора електронів (його позначали як Z) довго залишалася невідомою, але потім було виявлено, що її роль грає один з тирозинів поліпептиду D1 (YZ). Але оскільки Р 680 може приймати тільки по одному е, а при розщепленні води їх має виділитися чотири, то повинен існувати каталітичний центр, здатний зв'язувати дві молекули води, накопичувати електрони, що відщеплюються, і направляти їх по одному на Р 680.

66 Висловлено припущення, що водоокислювальна система працює як 4-тактний циклічний механізм. І справді, у дослідах з освітленням ФСII короткими спалахами відносний вихід кисню був максимальний після 1-го та 5-го спалахів. Передбачається, що комплекс, що виробляє 2, існує в п'яти проміжних станахокиснення: S 0, S 1, S 2, S 3 і S 4, перехід між якими відбувається при освітленні послідовними спалахами світла. Ця послідовність називається S-циклом.

68 Але яка речовина може накопичувати 4 електрони, змінюючи свою валентність на 4 одиниці? Ним виявилися іони марганцю. Марганець давно був виявлений у складі ФСII і було відомо, що якщо його менше, ніж 4 атоми на одну молекулу Р 680, то виділення 2 не відбувається. Марганець може бути в декількох стабільних станах від Mn +2 до Mn +7. Для пов'язаного з іонним білком це позначається як Mn(II), Mn(III) і т.д. Показано, що з переходу S 0 S 1 S 2 змінюється ступінь окислення марганцю: Mn(II) Mn(III) Mn(IV).

69 За допомогою рентгенівської спектроскопії у фотосинтетичній мембрані виявлено чотиримарганцеві кластери і була вивчена їх структура. Вони складаються з двох димерів, у яких атоми марганцю з'єднані кисневими містками. Передбачається, що після видалення чотирьох електронів окислений марганцевий кластер у стані S 4 виявляється здатним окислити дві молекули води. Це відбувається на заключному етапі циклу S4S0.

75 У першій стадії циклу Кальвіна здійснюється фіксація (засвоєння) вуглецю з вуглекислого газу, тобто. приєднання молекули 2 до п'ятивуглецевої молекули рибулозо-1,5-бісфосфату з розщепленням його на дві тривуглецеві молекули 3-фосфогліцерату. Потім за участю NADPH та ATP відбувається відновлення його до гліцеральдегід-3-фосфату, який використовується для синтезу цукрів та крохмалю, а також для виробництва АТР у гліколітичному процесі. І нарешті, за участю АТР може відбуватися регенерація акцептора вуглецю – рибулозо-1,5-бісфосфату, замикаючи таким чином цикл.

Лекція 6. ЕНЕРГЕТИКА ЖИТТЯ. 2. ОРГАНІКА
З ВУГЛІКЛИСОГО ГАЗУ: ФОТОСИНТЕЗ І ХЕМОСИНТЕЗ

Фотосинтез

На прикладі глюкози ми розглянули, як у живих організмах органічні молекули розщеплюються до вуглекислого газу та води для одержання енергії. Тепер розглянемо зворотний процес – як ці органічні речовини (та сама глюкоза) утворюються з вуглекислого газу та води, тобто. фотосинтез. Насправді є інші, менш поширені варіанти біосинтезу органіки, які ми розглянемо далі. Проте головний – саме фотосинтез, у результаті якого Землі щорічно утворюється 150 млрд т цукрів.

Сумарну реакцію фотосинтезу ми вже згадували:

СО2 + Н2О = (СН2О) + О2.

При диханні ми розщеплювали глюкозу, щоб зробити певну кількість (близько 30 штук) молекул АТФ. Логічно припустити, що для синтезу глюкози потрібно витратити скільки молекул АТФ. Причому, якщо врахувати далеко не стовідсотковий ККД біохімічних реакцій, швидше за все для синтезу однієї молекули глюкози доведеться витратити трохи більше молекул АТФ. Природно буде припустити, що, подібно до дихання, процес синтезу органіки складатиметься з двох частин – та, що має справу з АТФ, та, що має справу з глюкозою, тобто. кажучи, спочатку десь має відбутися синтез АТФ як універсального енергетичного ресурсу, а вже потім синтез глюкози за рахунок енергії цієї АТФ. Обидва ці процеси справді мають місце.

Оскільки йдеться про те, щоб збільшити, а не зменшити кількість органіки, енергію для отримання АТФ ми візьмемо не із розщеплення органіки, а з іншого джерела. У найпоширенішому випадку джерелом буде сонячне світло.

Ще на початку досліджень фотосинтезу було показано, що має місце група реакцій, що залежать від освітленості і не залежать від температури, тобто група реакцій, яка, навпаки, не залежить від освітленості і залежить від температури. Перша отримала назву світлової стадії фотосинтезу, друга – темновій стадії фотосинтезу. Не слід розуміти це в тому сенсі, що одна йде вдень, а інша вночі. Обидва набори реакцій протікають одночасно, просто для однієї світло потрібне, а для іншої – ні. Досить природно для реалізованих завдань те, що світлова фаза фотосинтезу нагадує окисне фосфорилювання, а темнова фаза є циклом, у чомусь схожим на цикл Кребса.

Для ознайомлення зі світловою фазою фотосинтезу необхідно розглянути таке хімічне явище, як пігменти. Що таке пігменти? Це забарвлені речовини. А чому деякі речовини пофарбовані, тоді як більшість речовин безбарвні? Що означає наше бачення якогось кольору? Це означає, що від речовини нам надходить світло, в якому співвідношення фотонів з різною довжиною хвилі відрізняється від денного білого світла. Як ви знаєте, біле світло є сумішшю фотонів у буквальному сенсі всіх кольорів веселки. Забарвлення світла означає переважання певних довжин хвиль з інших. Ми розглядаємо речовини за денного світла. Відповідно, якщо ми бачимо речовину забарвленою, значить вона вибірково поглинає фотони з певними довжинами хвиль. Не маючи маси спокою, поглинені фотони перестають існувати. Куди ж дівається їхня енергія? Вона йде на збудження молекули, на переведення її в новий, більш енергетично насичений стан.

Щоб мати здатність поглинати світло і переходити в енергетично насичений стан, молекула повинна бути системою, в якій такий стан можливий. Більшість органічних пігментів є речовини з регулярним чергуванням подвійних і одинарних зв'язків між вуглецями, тобто з пов'язанимиподвійними зв'язками. Ці зв'язки утворюють резонансні системи, в яких електрони, що беруть участь у освіті подвійних зв'язків (утворених орбіталями, не задіяними в sp 2 -гібридизації), можуть переміщатися по всій системі та перебувати у кількох енергетичних станах. Число таких станів та енергія, необхідна для переходу електрона з одного до іншого, суворо фіксовані для кожної молекули. Це випливає з квантової фізики – науки, найважчої розуміння непідготовленої людини, якими ми з вами є. Тому приймемо це на віру, довірившись критичним властивостям наукової спільноти, яка свого часу прийняла квантову теорію не без опору, але її величезні успіхи розвіяли всі сумніви.

Енергія, що розрізняє стани електрона в резонансних системах, така, що близько відповідає енергії фотонів тієї чи іншої довжини хвилі в межах видимої частини спектра. Тому резонансні системи поглинатимуть ті фотони, енергія яких дорівнює або трохи більше переведення їх електронів в один із більш енергетично насичених станів. (Оскільки енергія фотона вкрай рідко точно дорівнює енергії збудження електрона, залишок енергії фотона після того, як основна її частина віддана електрону, переходить в тепло). Саме тому речовини з резонансними системами мають забарвлення, тобто є пігментами.

Погляньмо на молекули деяких важливих для нашого випадку пігментів. Спочатку на найважливіший пігмент – хлорофіл.

Як і у випадку гему, який приєднаний до молекул гемоглобіну та цитохромів, ми бачимо ажурну та майже симетричну органічну конструкцію, що включає кілька подвійних зв'язків – порфіринове кільце. У її центрі також знаходиться атом металу, але не заліза, як у разі гему, а магнію. Він пов'язаний з чотирма атомами азоту (магній та порфіринове кільце утворюють комплекс). Ми можемо очікувати, що така молекула буде пофарбована, і не помилимося. Ця молекула поглинає фотони у фіолетовій та синій, а потім у червоній частині спектру, і не взаємодіє з фотонами у зеленій та жовтій частині спектру. Тому хлорофіл і рослини виглядають зеленими - вони просто ніяк не можуть скористатися зеленими променями і залишають їх гуляти по білому світлу (роблячи його тим зеленіше).

До порфіринового кільця у молекулі хлорофілу прироблено довгий вуглеводневий хвіст. На рис. 6.1 він трохи схожий на якірний ланцюг. Він і є такий. Не маючи електронегативних атомів, ця частина молекули неполярна і, отже, гідрофобна. За допомогою неї хлорофіл заякорюється у гідрофобній середній частині фосфоліпідної мембрани.

Хлорофіл рослин представлений двома формами –aі b. У зелених рослинах приблизно чверть хлорофілу представлена ​​другою формою b. Він відрізняється тим, що одна мітильна група по краю порфіринового кільця. CH 3 заміщена на групу - CH 2 OH . Цього виявляється достатньо, щоб усунути спектр поглинання молекули. Ці спектри показані на малюнку:

У ході світлової фази фотосинтезу енергія поглинених фотонів сонячного світла перетворюється на збуджений стан електронів молекули хлорофілу і надалі використовується для синтезу АТФ – ми вже бачили, як живі системи вміють приручати збуджені електрони, вправно і з вигодою для себе з ними поводитися. На наведеному малюнку показаний графік ефективності фотосинтезу залежно від довжини хвилі світла, яким опромінюється рослина.

Дещо іншу структуру мають каротиноїди – червоні та жовті пігменти. (Саме каротиноїди фарбують морквину і горобину, вони ж є вітаміном А.) Але й у них є система сполучених подвійних зв'язків, дещо більш проста.

Каротиноїди теж беруть участь у фотосинтезі, але як допоміжні молекули.

Нам знову потрібно зробити просторове застереження. Подібно до того, як клітинне дихання йде в мітохондріях, фотосинтез йде в хлоропластах. Хлоропласти – це органели, схожі на мітохондрії, але вони більші і мають більш розвинену внутрішню структуру; наповнені плоскими пухирцями – тілакоїдами, які зібрані в стопки – грани.

Пігменти фотосинтезу розміщуються на внутрішній стороні мембрани тилакоїдів. Вони організовані в фотосистеми– цілі антенні поля з уловлювання світла – кожна система містить 250–400 молекул різних пігментів. Але серед них важливе значення має одна молекула хлорофілу а- вона називається реакційним центромфотосистеми. Всі інші молекули пігментів називаються антенними молекулами. Усі пігменти у фотосистемі здатні передавати один одному енергію збудженого стану. Енергія фотона, поглинена тією чи іншою молекулою пігменту, переноситься на сусідню молекулу, доки досягне реакційного центру. Коли резонансна система реакційного центру переходить у збуджений стан, вона передає два збуджені електрони молекулі-акцептору і цим окислюється і набуває позитивного заряду.

У рослин існує дві фотосистеми – 1 і 2. Молекули їхніх реакційних центрів дещо різняться – перша має максимум поглинання світла на довжині хвилі 700 нм, друга – 680 нм (застереження зроблено для того, щоб пояснити зображення на схемах), позначаються вони Р700 та Р680 . (Відмінності в оптимумах поглинання обумовлені невеликими відмінностями в структурі пігментів.) Зазвичай ці дві системи працюють пов'язано, як конвеєр, що складається з двох частин і називається нециклічним фотофосфорилуванням.

Ще одна схема:

Виробничий цикл починається з фотосистеми 2. З нею відбувається таке:

1) антенні молекули вловлюють фотон і передають збудження молекули активного центру Р680;

2) збуджена молекула Р680 віддає два електрони кофактору Q (дуже схожий на той, який бере участь у ланцюзі переносу електронів у мітохондріях), при цьому вона окислюється і набуває позитивний заряд;

3) під дією певних ферментів, що містять марганець, окислена молекула Р680 відновлюється, забираючи два електрони від молекули води. При цьому вода дисоціює на протони та молекулярний кисень. Для створення однієї молекули кисню потрібно відновити дві молекули Р680, що втратили в сумі чотири електрони, при цьому утворюються чотири протони.

Звернемо увагу - саме тут у ході фотосинтезу утворюється кисень. Оскільки він утворюється шляхом розщеплення молекул води під дією світла, цей процес називається фотолізом води;

4) ці протони утворюються у внутрішньому просторі тилакоїда, де створюється надмірна концентрація протонів у порівнянні з навколишнім простором (тобто кисліше середовище). Таким чином, формуються наші старі знайомі – протонний градієнт та мембранний потенціал. Ми вже знаємо, як усе це буде використано: АТФ-синтетаза парами випускатиме протони назовні і синтезуватиме АТФ з АДФ. Звернімо увагу на одну відмінну від мітохондрій – при окисному фосфорилюванні в мітохондріях протони викачуються з простору, обмеженого внутрішньою мітохондріальною мембраною, і входять назад через АТФ-синтетазу. У нашому випадку протони закачуються у внутрішній простір тилакоїда та виходять звідти через АТФ-синтетазу. Однак внутрішнє просторово тилакоїда відповідає простору між двома мембранами хлоропласту – це ніби відшнуровані складки (подібні до кристалів мітохондрій) внутрішньої мембрани;

5) тим часом два електрони, що надійшли до кофактора Q , Передаються далі по ланцюжку білків, яка дуже схожа на ланцюг переносу електронів. У ній також беруть участь хінони, цитохроми – білки, що містять гем у комплексі з атомом заліза, білки, що містять залізо і сірку, хлорофіл і пластоціанін – фермент, що містить мідь. І проходження електронів нею також супроводжується транспортом протонів проти градієнта концентрації крізь мембрану тилакоїдів, що знову-таки ллє воду на млин АТФ-синтетази;

6) зрештою, електрони надходять від пластоціаніну до реакційного центру фотосистеми 1 – молекули Р700.

У фотосистемі 1 відбувається таке:

1) антенні молекули ловлять фотон і передають енергію в резонансну систему реакційного центру Р700, який збуджується і віддає два електрони акцепторному залізовмісному білку (Р430). Як і у випадку фотосистеми 2, Р700 тим самим окислюється і набуває позитивного заряду;

2) ця молекула відновлюється і втрачає заряд, отримавши два «заспокоєних» (але не до вихідного стану – їх енергія ще не до кінця витрачена!) електрона, що спочатку надійшли від фотосистеми 2. У цьому випадку необхідності у фотолізі немає і його не відбувається;

3) Р430 віддає електрони іншому залізовмісному білку, який називається ферродоксин;

4) отримавши електрони, цей білок відновлює кофермент НАДФ до НАДФ-Н. Цей кофермент є фосфорильованим НАД. Процес відбувається на зовнішній мембрані тілакоїда. Для нього необхідний протон, який береться із внутрішнього простору хлоропласту, зовнішнього по відношенню до тилакоїду. Тим самим протонний градієнт лише посилюється.

Останній етап вам нічого не нагадує? Так, він нагадує, як НАД-Н окислявся до НАД+ і віддавав електрони по ланцюгу переносу електронів. Тільки тут все відбувається у зворотному порядку. Там НАД-Н передавав енергію електрону, який її втрачав, проходячи ланцюгом перенесення електронів. А тут, навпаки, електрон, збуджений енергією сонячного світла, накопиченою двома послідовно пов'язаними фотосистемами, передає її НАДФ+, відновлюючи його до НАДФ-Н.

Дійсно, вся світлова фаза фотосинтезу схожа на окисне фосфорилювання в мітохондріях тим, що в ході його по подібному ланцюгу білків передаються електрони, в результаті чого в певному обмеженому мембраною просторі - в даному випадку внутрішньому просторі тилакоїда - створюється надмірна концентрація протонів, а різницю потенціалів. Потенційна енергія електростатичних сил, що виникає, використовується для синтезу АТФ за рахунок руху протонів по градієнту, здійснюваного АТФ-синтетазою. На відміну від окисного фосфорилювання полягає в тому, що якщо там для збудження електронів використовувалася відновлена ​​молекула НАД-Н, то для цього використовується світло, а НАДФ+, навпаки, відновлюється і використовується в темновій стадії фотосинтезу (а може бути далі використаний і в тих ж мітохондріях). В цілому виходить, що протони утворюються у внутрішньому просторі тилакоїда при фотолізі води, закачуються туди ж в ході роботи фотосистеми 2 і черпаються із зовнішнього простору тилакоїда для відновлення НАДФ+ до НАДФ-Н, за допомогою якого водень надходить синтезовані в ході фотосинтезу вугілля.

Ось на схемі більш-менш показані всі основні процеси світлової стадії фотосинтезу:

Однак фотосистема 1 може працювати автономно. При цьому використовується обхідний шлях перенесення електронів від збудженого реакційного центру – а саме той же ланцюг перенесення електронів, який веде з фотосистеми 2. Електрони проходять по ній, викликаючи пов'язаний транспорт протонів із зовнішнього середовища тилакоїда у внутрішнє, чим посилюється протонний градієнт, і повертаються назад до реакційного центру фотосистеми 1 – Р700 Таким чином, тут світло немовби крутить колесо протонного насоса, не окислюючи води і не відновлюючи НАДФ. Це називається циклічним фотофосфорилуванням. Воно може йти паралельно із нециклічним. Крім того, воно використовується деякими фотосинтетичними бактеріями, які у процесі фотосинтезу не виділяють кисню.

Результат світлової фази фотосинтезу при нециклічному фотофосфорилуванні (а це основний варіант) можна записати у вигляді такої реакції:

2НАДФ + 2АДФ + 2Ф- + 2 H 2 O + 4 hv = 2НАДФ-Н + 2АТФ + O2.

Тут hv - умовне позначенняенергії одного фотона, Ф - умовне позначення залишку фосфорної кислоти із розчину. Приблизний він тому, що, як і при окисному фосфорилюванні, кількість АТФ, синтезована АТФ-синтетазою, не пов'язана жорсткою залежністю від кількості електронів, пропущених ланцюжком білків у фотосистемі II.

Наш приблизний гешефт у результаті світлової фази фотосинтезу, повна схема якої наведено на рис. 6.6 – одна АТФ і один відновлений кофермент (який, як ми пам'ятаємо, при диханні «коштує» 2,5 АТФ) на два фотони, тобто майже дві АТФ на один квант енергії, запозичений у одного поглиненого фотона. Не погано!

Отже, ми розглянули, звідки під час фотосинтезу береться енергія (тобто АТФ). Залишилося розглянути, як із використанням цієї енергії робиться органіка.

Рослини використовують три варіанти такого виробництва. Розглянемо найпоширеніший з них, який до того ж використовується синьо-зеленими водоростями та фотосинтетичними і навіть хемосинтетичними бактеріями – цикл Кальвіна. Це ще один замкнутий цикл взаємоперетворення органічних речовин одна в іншу під дією спеціальних ферментів, подібний до циклу Кребса. І до речі, ще одна Нобелівська премія, 1961 року - Мелвіну Кальвіну, що його відкрив.

Цикл починається з цукру, що має ланцюжок з п'яти атомів вуглецю і несе дві фосфатні групи - рибулозо-1,5-біфосфат (і ним же закінчується). Процес починається, коли спеціальний фермент – рибулозобіфосфаткарбоксилаза – приєднує до нього молекулу СО2. Шістьвуглецева молекула, що утворюється на короткий час, негайно розпадається на дві молекули гліцерат-3-фосфату (він же 3-фосфогліцерат, з цією речовиною ми вже зустрічалися в гліколізі). Кожна з них містить три атоми вуглецю (тому цикл Кальвіна називається також C 3-шлях фіксації вуглекислого газу).

Фактично фіксацію углекислого газу в органіці здійснює саме цей фермент - рибулозобіфосфаткарбоксилаза. Це напрочуд повільний фермент - він карбоксилює всього три молекули рибулозо-1,5-біфосфату в секунду. Для ферменту це замало! Тому самого даного ферменту потрібно багато. Він фіксований на поверхні тилакоїдних мембран та становить близько 50 % від усіх білків хлоропласту. Про нього відомо, що це найпоширеніший білок у світі (подумайте, чому).

Гліцерат-3-фосфат із витратою однієї молекули АТФ фосфорилюється до дифосфогліцерату. Той, у свою чергу, дефосфорилюється до гліцеральдегід-3-фосфату, причому під час цієї реакції одна молекула відновленого НАДФ-Н окислюється до НАДФ+. Знову витрати енергії!

З'єднання, що вийшло, - гліцеральдегід-3-фосфат - наш старий знайомий. Воно утворюється в ході розщеплення глюкози у процесі гліколізу, а саме при розщепленні фруктозо-1,6-біфосфату. З нього в ході ферментативних реакцій, що йдуть без витрати енергії, можна отримати глюкозу. Деякі з реакцій гліколізу незворотні (а саме ті, в ході яких дефосфорилюється АТФ), тому використовуються інші реакції та інші посередники.

Здавалося б, і весь фотосинтез. Але для того, щоб він продовжувався, нам потрібно якимось чином регенерувати рибулозо-1,5-біфосфат - основний субстрат ферменту, що фіксує вуглекислий газ. Тому на кожні 12 молекул гліцеральдегід-3-фосфату, що утворився, тільки дві йдуть на синтез глюкози, а 10 спрямовуються на відновлення шести молекул рибулозо-1,5-біфосфату. У цьому процесі бере участь 12 х 3 = 6 х 5 = 30 атомів вуглецю, які перегрупуються з 10 тривуглецевих молекул до 6 п'ятивуглецевих. При цьому на вході ми маємо 10 фосфатних груп (по одній на кожну молекулу гліцеральдегід-3-фосфату), а на виході повинні їх мати 12. Однак на всю цю частину процесу додатково витрачається шість молекул АТФ.

Якщо відняти речовини, що регенерують в ході циклу (які додатково не синтезуються і не витрачаються), то сумарне рівняння фіксації вуглекислоти виходить таким:

6 CO 2 + 12НАДФ-Н +18 АТФ = 1 глюкоза + 12НАДФ+ + 18АДФ + 18Ф-+ 6 H 2 O

(Тут Ф - це вільна фосфорна група).

Ми отримуємо витрати 12 відновлених коферментів та 18 АТФ на одну молекулу глюкози. Якщо ми згадаємо «ціну» відновленого коферменту у фірмі «Ланцюг переносу електронів» у 2,5 молекули АТФ, то отримання однієї молекули глюкози – єдиної міжклітинної валюти – нам обходиться, у єдиній клітинній валюті, у 48 АТФ. При її розщепленні ми отримували лише близько 30 АТФ. Здається, різниця в курсі купівлі та продажу називається «маржа». У цьому випадку вона дуже велика! Близько 1/3 енергії втрачається з допомогою ККД біохімічних процесів. (У техніці це було б таки велике значення ККД.)

Як ми могли помітити, фотосинтез взагалі трохи нагадує клітинне дихання, вивернуте навиворіт. Там у ході замкнутого в цикл взаємоперетворення невеликих органічних речовин деякі з них витрачалися з виділенням вуглекислого газу та відновлювалися коферменти, які потім окислялися, віддаючи електрони в ланцюг переносу електронів, звідки вони зрештою надходили до молекулярного кисню з утворенням води. Тут процес починається з відібрання електронів у води з утворенням молекулярного кисню, звідти вони (отримавши енергію від світла) вступають у ланцюг переносу електронів і зрештою йдуть на відновлення коферментів. Відновлені коферменти і вуглекислий газ вступають у циклічне взаємоперетворення органічних речовин, в якій вони синтезуються з витратою АТФ. Навіть ділянки зовнішнього по відношенню до органели простору виявилися вивернуті навиворіт і стали внутрішнім простором тилакоїда.

Однак цей самий ходовий варіант фотосинтезу має підводний камінь. Рибулозобіфосфаткарбоксилаза влаштована так, що здатна перетворювати рибулозо-1,5-біфосфат не лише в бажані нам (тобто рослинам) дві молекули гліцерат-3-фосфату, а й здійснювати прямо протилежну річ – просто окислювати її за допомогою кисню до однієї молекули. гліцерат-3-фосфату з відщепленням молекули вуглекислого газу

Фосфогліколева кислота потім перетворюється на гліколеву кислоту і окислюється за допомогою кисню ще до двох молекул вуглекислого газу (це відбувається в спеціальних органелах клітини - піроксисомах, які для цієї мети тісно прилягають до пластид). Замість фіксації вуглекислоти в органічній молекулі ми, навпаки, робимо її з органічної молекули. Цей процес, оскільки він полягає у споживанні кисню з вивільненням вуглекислого газу, називається фотодиханнямале на відміну від справжнього дихання при цьому не запасається ніякої корисної енергії. Бажаний процес (фіксація вуглекислого газу) каталізується рибулозобифосфаткарбоксилазой при високих концентраціях вуглекислого газу і низьких - кисню, а небажаний (відщеплення вуглекислого газу) - навпаки, при низьких концентраціях вуглекислого газу і високих - кисню. - рослинної тканини, у якій відбувається фотосинтез.

В результаті за рахунок фотодихання втрачається до половини щойно фіксованого вуглецю. Щоб обійти цю перешкоду, багатьма неспорідненими рослинами був вироблений обхідний шлях фіксації СО 2 . Він називається С4-шлях. При ньому вуглекислий газ фіксується двічі – спочатку на молекулі фосфоенолпірувату з утворенням яблучної кислоти, або малату (у інших рослин – аспарагінової кислоти), яка має 4 атоми вуглецю.

Цей процес каталізується ферментом фосфоенолпіруваткарбоксилазою, який не фіксований на мембрані, а розчинений у цитоплазмі клітин мезофіла. Крім того, він використовує не молекулу 2 як таку, а її гідратовану форму - іон вугільної кислоти 3 -, що знаходиться в рівновазі з 2 при його розчиненні воді. Потім яблучна кислота мігрує в інші клітини (обкладки судинних пучків), де від неї молекула вуглекислого газу знову відщеплюється, і відразу, як ні в чому не бувало, вступає в цикл Кальвіна. Піруват, що утворюється при цьому, повертається в клітини мезофіла, де фосфорилюється з витратою АТФ і перетворюється на фосфоенолпіруват, який тим самим регенерує - і все повторюється по циклу. Весь фокус у тому, що в клітинах обкладки, куди не проникає так багато кисню, зіздеться підвищена концентрація вуглекислого газу, щоб рибулозобіфосфаткарбоксилаза каталізувала потрібну реакцію. Зауважимо, що, задіявши С4-шлях, ми змушені витрачати додаткову молекулу АТФ для того, щоб фосфорилювати піруват.

Звернемо вашу увагу лише на те, що піруват та яблучна кислота вже зустрічалися нам у циклі Кребса, тобто для «порятунку» темнової стадії фотосинтезу від фотодихання була задіяна якась частина цього старого доброго циклу. Типовий приклад того, як справи в біохімії.

Обхідний 4 -шлях ефективний при високих температурах, але неефективний при низьких. Тому частка рослин, які ним користуються, підвищується на південь.

Є ще й так званий «шлях товстянкових» – він реалізований у сімействі толстянкових та кактусових. Це дійсно дуже товсті рослини, які ростуть там, де спекотно та мало води. Економлячи воду, протягом спекотного дня вони закривають свої продихи (це отвори, по якому в листя проникають гази) і тому не можуть поглинати СО 2 . Фіксація СО 2 у них відбувається лише вночі, у ході якої у великій кількості запасається яблучна кислота. Вдень, при закритих продихах, вона декарбоксилюється, і СО 2, що регенерував, вступає в цикл Кальвіна (хоча він і відноситься до темнової фази фотосинтезу). Так що ці рослини теж використовують обхідний С 4 -шлях, фіксуючи вуглекислий газ двічі, але у них його первинна фіксація поділена з циклом Кальвіна не в просторі (у різних клітинах), як у попередньому варіанті, а в часі.

Ми навмисно розглядаємо ці тонкощі, які, можливо, не дуже вам і потрібні, щоб продемонструвати взаємозв'язок біохімії з екологією-наукою про взаємодії організмів із зовнішнім середовищем та один з одним.

Отже, темнова стадія фотосинтезу, т. е. саме синтез органіки, існує у кількох варіантах. Світлова фаза організована однаково у всіх зелених рослин і у ціанобактерій (синьо-зелені водорості). Однак у іншого типу фотосинтезуючих бактерій, або фототрофних бактерій, які не є ціанобактеріями, – пурпурнихі зеленихбактерій, реалізовані та інші типи світлової стадії фотосинтезу. Ці два типи фототрофних бактерій розрізняються структурою своїх хлорофілів та їх набором. Причому пурпуровий (або коричневий, жовтий) колір пурпурових бактерій обумовлений, як і у вищих рослин, каротиноїдами. Найцікавіше, що хлорофіл пурпурних бактерій здатний поглинати фотони та здійснювати фотосинтез у невидимій інфрачервоній частині спектру. Це дуже важливо на глибинах, у які видиме світло не проникає. Внутрішній простір клітин фототрофних бактерій заповнено фотосинтезуючими мембранними структурами, які в деяких випадках нагадують тилакоїди.

Загальне рівнянняфотосинтезу у фототрофних бактерій залишається майже тим самим, що й у зелених рослин:

СО 2 + Н 2 Х = (СН 2) + 2Х.

Тільки кисень замінений на Х, у разі H 2 X – це не вода, а будь-яка речовина, здатна окислюватися з передачею електрона у фотосистему та одразу віддавати протон. Такою речовиною може бути сірководень, тіосульфат, молекулярний водень (у цьому випадку Х = 0) та органічні сполуки.

У зелених та пурпурових бактерій існують фотосистеми лише одного типу. Вони можуть здійснювати як циклічне фотофосфорилування, у якому не потрібен екзогенний донор електронів і водню, і нециклічне, у якому такий донор необхідний. Навіщо ж рослинам і ціанобактеріям знадобилася пов'язана робота двох фотосистем? Справа в тому, що для синтезу органіки в циклі Кальвіна потрібна не тільки енергія, яка може надходити у вигляді АТФ, а й відновлені коферменти НАДФ як донора не тільки енергії, а й водню. Для того, щоб перевести електрон у стан з настільки високою енергією, якого буде достатньо відновлення молекули НАДФ+ до НАДФ-Н, необхідно послідовне використання двох фотосистем. Енергії двох фотонів також виявилося достатньо для того, щоб забрати електрони від атома кисню у складі води.

Примітно, що в парі двох фотосистем, яку вперше винайшли ціанобактерії (синьо-зелені водорості), фотосистема 1 походить від фотосистеми зелених бактерій, а фотосистема 2 - від фотосистеми пурпурних бактерій. Об'єднавши два ці готові механізми, ціанобактерії виявилися здатними до окисного фотолізу води та відновлення НАДФ+. Бактерії легко обмінюються генетичним матеріалом, і подібне поєднання двох неспоріднених еволюційних ліній для них не є винятковим. Рослини успадкували спарену фотосистему від синьо-зелених водоростей. Як – ми побачимо це у лекції 8.

Найпоширеніший у фототрофних бактерій варіант фотосинтезу – коли замість води використовується з'єднання водню з елементом тієї ж групи кисню – сірка. Фототрофні сірчані бактерії, У яких реалізований такий варіант, поглинають сірководень, а виділяють сірку.

Сірчаними бактеріями є частина пурпурових та майже всі зелені бактерії. Де такі бактерії мають жити? Мабуть, у сферах активного вулканізму. Вулкани виділяють багато сірки, переважно у її поєднанні з киснем (сірчистий газ SO 3 ) та воднем (сірководень H 2 S ). Так, у кратері активного вулкана особливо не поживеш. Однак поблизу нього, а також біля підніжжя згаслих вулканів завжди є місця закінчення вулканічних газів - фумароли. Зазвичай вони розташовуються у тріщинах вивержених порід, яким відповідають поглиблення поверхні, де відповідно накопичується вода. Ця вода насичена сірководнем, що є сприятливим середовищем для фотосинтетичних сірчаних бактерій.

У якій формі виділяється сірка? Усі сірчані фототрофні бактерії окислюють відновлені сполуки сірки до мінеральної сірки – твердої речовини. В одних бактерій сірка накопичується всередині клітини у вигляді твердих частинок. У міру загибелі бактерій вони виходять у навколишнє середовище. Інші здатні виділяти сірку відразу у навколишнє середовище. Багато зелених і пурпурових сірчаних бактерій здатні окислювати сірку далі, аж до сульфатів, але як субстрат для світлової стадії фотосинтезу використовується саме сірководень і деякі інші сполуки відновленої сірки з воднем.

Однак фототрофні серобактерії зустрічаються не тільки в фумаролах - вони можуть з'являтися скрізь, де тільки не зустрічається сірководень. А він часто утворюється при анаеробному розкладанні органіки іншими бактеріями. Зокрема, вони розвиваються, іноді у великих кількостях, у придонному шарі ставків, озер та морів. Більшість фототрофних бактерій – суворі (облігатні) анаероби. Однак є серед них і факультативні аероби, здатні існувати та зростати у присутності кисню.

У наведеному рівнянні Х може і дорівнювати нулю. Такі фотосинтетичні бактерії споживають чистий молекулярний водень. Реакційний центр фотосистеми забирає два електрони у атома водню і перетворює його на два протони. Бактерії, що використовують як відновник водень, менш поширені, ніж сірчані бактерії.

Більшість фототрофних бактерій здатні до фотоокислення органічних речовин (тут Х – це органічний радикал), але це навряд можна назвати фотосинтезом, оскільки органічні речовини тут більше витрачаються, ніж утворюються.

Не слід забувати про існування циклічного фотофосфорилування - процесу, при якому не потрібні молекули-донори ні протонів, ні електронів. Можна припустити, що це була історично перша діюча схема світлової стадії фотосинтезу, тому що вона найпростіша, що включає лише одну фотосистему і не потребує додаткових відновників. У ході циклічного фотофосфорилування утворюється небагато АТФ, а класичному його випадку НАДФ+ не відновлюється зовсім (але в деяких фототрофних бактерій може й відновлюватися). Напевно, будучи «винайдено», циклічне фосфорилювання служило лише деякою енергетичною підмогою своїм носіям. Але оскільки весь механізм працює на створенні різниці концентрації протонів усередині і поза якимсь мембранним простором, то виявилося зручно посилити цей градієнт шляхом окислення якоїсь водневмісної речовини - молекулярного водню, води або сірководню.

Нарешті, досить недавно відкрита зовсім інша система фотосинтезу у галобактерій- мікроорганізмів, що розвиваються в концентрованих розчинах кухонної солі та фарбують їх у червоний колір. Насправді вони відносяться до археобактерій - особливих мікроорганізмів, які за багатьма ознаками настільки ж віддалені від бактерій, як і від еукаріотів. Забарвлення обумовлене пігментом ретинальдегідом, що відноситься до класу каротиноїдів. Цей пігмент споріднений з світлочутливим пігментом, відповідальним за наш зір. Він приєднаний до білка бактеріопсин на правах коферменту. Цей білок пронизує мембрану клітини сімома альфа-спіралями. Енергія фотона зеленого кольору від'єднує ретинальдегід від бактеріопсину. При цьому бактеріопсин спрацьовує як протонна помпа та проштовхує протон крізь мембрану. Після цього ретинальдегід може реасоціювати із бактеріопсином. Ми знову бачимо той самий принцип – створення градієнта протонів та мембранного потенціалудля синтезу АТФ. Причому градієнт протонів створюється самим фотосинтезуючим білком. При цьому, як і при циклічному фосфорилювання, жодної додаткової речовини не відновлюється. Схоже, це найпростіший з існуючих в даний час шляхів фотосинтезу.

Який ми можемо зробити висновок? Різні фотосинтетичні системи могли винаходитись неодноразово та ґрунтуватися на різних ключових пігментах. Розглянутий нами тандем із двох фотосистем, заснованих на хлорофілі, – один із багатьох варіантів і, мабуть, найефективніший. Обидві фотосистеми були винайдені фототрофними бактеріями, об'єднані ціанобактеріями (синьо-зеленими водоростями) та успадковані рослинами (як саме – побачимо далі).

Слід зазначити, що не всі фототрофні бактерії є автотрофами. повному розумінніцього слова, тобто здатні розвиватися на суто мінеральних середовищах. Більшість з них все ж таки потребує тих чи інших готових органічних речовин, так що фотофіксація вуглекислоти є для них лише додатковим джерелом вуглецю.

Саме так у галобактерій. Причому в них є ще одна разюча особливість - вони не здатні поглинати цукру і з екзогенної органіки фактично "живляться" одними амінокислотами. Можливо, це одна із сторін архаїчності цих дивовижних мікроорганізмів.

Хемосинтез

Синтез органіки може відбуватися не тільки за рахунок сонячного світла, а й за рахунок ресурсу, освоєння якого не потребує такої просунутої антеної техніки, як фотосистеми на основі пігментів складної будови, – за рахунок енергії, що запасається в хімічних зв'язках неорганічних речовин. Це так званий хемосинтез.

Організми, здатні до хемосинтезу і не потребують зовнішнього джерела органічних речовин, називаються хемоавтотрофи. Хемоавтотрофи зустрічаються тільки серед бактерій, причому в сучасному світірізноманітність хемосинтетичних бактерій невелика. Вони були відкриті наприкінці XIX в. вітчизняним мікробіологом С. Н. Виноградським. Проте, як і у випадку із зеленими та пурпурними бактеріями, багато бактерій, здатних до хемосинтезу, все ж таки потребують певних органічних речовин і до автотрофів формально віднесені бути не можуть. У той самий час відомо, що важлива сама здатність до хемосинтезу, яка може бути основою становлення хемоавтотрофії.

Розглядаючи варіанти бактеріального фотосинтезу, ми з вами торкнулися вулканізму, що має пряме відношення до цієї теми. І дійсно, ті ж речовини, які фототрофні бактерії використовували як донори електронів для фотосинтезу, можуть бути використані хемоавтотрофами для отримання енергії шляхом їх окислення без залучення енергії світла. Хемоавтотрофні бактерії можуть використовувати як джерело енергії, тобто як відновники:

1) з'єднання сірки;

2) водень;

3) з'єднання азоту;

4) з'єднання заліза;

і ймовірно:

5) карбонат марганцю MnCO 3 до оксиду марганцю Mn 2 O 3;

6) оксид тривалентної сурми Sb 2 O 3 , окислюючи його до пятивалентной Sb 2 O 5 .

Так звані безбарвні сірчані бактерії розвиваються в сірководневих джерелах, у тому числі і гарячих (деякі мають температурний оптимум близько 50 про С), і навіть у джерелах, що є слабкою (аж до однонормальної, рН = 0)сірчану кислоту або насичений розчин кухонної солі. Деякі з цих бактерій зустрічаються в грунті, в родовищах сірки і в деяких гірських породах, що руйнуються (сприяючи їх так званому сірчанокислому вивітрюванню). Звичайно, до різних умов пристосовані різні види цих мікробів. Чимало їх ми лише здатні окислювати одне якесь з'єднання сірки, а послідовно підвищувати її ступінь окислення, т. е. окислювати сірководень (H 2 S ) до молекулярної сірки ( S ), а молекулярну сірку – до тіосульфату ( S 2 O 3 - ), тіосульфат – до сульфіту ( SO 3 - ), сульфіт – до сульфату, тобто сірчаної кислоти ( SO 4 - ). У цьому ступінь окислення сірки збільшується від –2 до +6. Не дивно, що для хемосинтезу обраний такий елемент, як сірка, ступінь окислення якого здатна варіювати в таких широких межах.

Деякі здатні окислювати сірку навіть із нерозчинних сульфідів важких металів. Такі бактерії застосовуються розробки збіднених родовищ цих металів. Воду з бактеріями пропускають через подрібнену руду, представлену сульфідами, і збирають її, збагачену сульфатами відповідних металів.

Як ми знаємо, все, що нам потрібно від будь-яких джерел енергії, це отримати АТФ. Одержання АТФ з урахуванням відновлення сірки може йти двома шляхами.

Найдивовижніший шлях – майже прямий. Він реалізується як мінімум при окисненні сульфіту. Сульфіт взаємодіє з АМФ із утворенням аденозинфосфосульфату (АФС). Саме в цій реакції ступінь окислення сірки змінюється з +4 до +6, причому електрони, що вивільнилися, передаються в ланцюг переносу електронів для окисного фосфорилювання. Молекула АФС, своєю чергою, замінює сульфатну групу на залишок вільної фосфорної кислоти з розчину з утворенням АДФ, тоді як сульфат вивільняється розчин. (Про всяк випадок нагадаємо, що кожна така реакція каталізується спеціальним ферментом.) АДФ вже містить один макроергічний зв'язок. Фермент аденілаткиназу із двох молекул АДФ робить одну молекулу АТФ та одну АМФ. Ми бачимо тут найпростіший із усіх розглянутих нами шляхів синтезу АТФ – лише у три етапи. Фермент каталізує сполуку безпосереднього джерела енергії – сполуки сірки – з АМФ, а наступний фермент – заміщення залишків однієї кислоти на іншу з утворенням АТФ. Відібрані у сірки електрони можуть прямувати в ланцюг переносу і без фосфорилювання АМФ - у цьому випадку окислення сірки проводиться безпосередньо одним з цитохромів.

Як бачимо, в обох процесах задіяно окисне фосфорилювання, що вимагає вільного кисню. Тому бактерії-хемосинтетики – це, як правило, облігатні аероби.

Даний приклад показує, що: 1) шляхи отримання АТФ при хемосинтезі відрізняються різноманітністю і 2) серед них є і дуже прості; можливо, вони еволюційно виникли найпершими.

До речі, ККД хемосинтезу на основі сірки невисокий – при ньому використовується від 3 до 30 % енергії, що полягає у відновлених формах сірки.

Щоб окислювати сірку і вилучати з одного цього енергію без залучення її додаткових джерел, сучасні хемосинтетичні бактерії потребують сильного окислювача, і ним є кисень. Це або молекулярний кисень повітря, або кисень нітратів. NO 3 - ). Як ви знаєте, нітрати, тобто селітра, дуже хороший окисник і використовується при виготовленні пороху.

Бактерії, що використовують як єдине джерело енергії окислення водню, – водневі бактерії, живуть у грунті та водоймах. Окислення водню відбувається через цитохроми з допомогою ланцюга перенесення електронів, т. е. з допомогою молекулярного кисню як акцептора електронів. Таким чином, для життя цих бактерій потрібна присутність у середовищі не тільки водню, а й кисню – фактично вони живуть на гримучій суміші та використовують енергію, яка могла б виділитися внаслідок згоряння водню. Це досить велика енергія, і вони використовують її досить ефективно – до 30 %. Загальне рівняння водневого хемосинтезу таке, що на шість молекул окисленого водню припадає одна фіксована в органічних сполуках, що синтезуються, молекула СО 2 .

Цікаво, що водень, що використовується водневими бактеріями, виділяється як побічний продукт життєдіяльності іншими бактеріями – звичайними гетеротрофними, які використовують як джерело енергії готову органіку. Одночасна присутність водню та кисню – знов-таки дуже рідкісна екологічна ситуація. Можливо, саме тому всі водневі бактерії можуть засвоювати готові біологічні органічні речовини.

Хемосинтез на основі азоту здійснюють нітрифікуючі бактерії. Як ви знаєте, азот, як і сірка, відноситься до елементів, що легко змінюють ступінь окиснення. Є дві групи нітрифікуючих бактерій. Одна відновлює амоній ( NH 4+ ) до нітритів (NO 2- ), у своїй ступінь окислення азоту змінюється з –3 до +3. Друга група окислює нітрити до нітратів ( NO 3 - ), підвищуючи рівень окислення азоту до +5. Всі бактерії, що нітрифікують, - облігатні аероби. Електрони від азоту передаються в ланцюг переносу електронів за допомогою флавопротеїну (що містить флавін) або через цитохроми.

Є також бактерії, здатні окислювати двовалентне залізо до тривалентного. З них здатність до автотрофного існування доведена лише для кількох видів, що є одночасно сірчаними бактеріями та здатних окислювати молекулярну сірку та різні її сполуки з киснем та важкими металами. Загальне рівняння хемосинтезу у разі виглядає так:

4Fe 2+ SO 4 + H 2 SO 4 +O 2 = 2Fe 3+ 2 (SO 4) 3 + 2H 2 O.

Такі бактерії, що у болотах, утворюють болотні родовища заліза.

Всі розглянуті хемоавтотрофи одержують енергію шляхом окислення неорганічних речовин і запасають її як молекул АТФ. Енергія, запасена в АТФ, використовується ними для фіксації вуглекислоти та побудови біологічних органічних молекул. І тому вони використовують вже розглянутий нами цикл Кальвіна. Згадаймо, проте, що у цьому циклі, крім АТФ, необхідний і НАДФ-Н. У той самий час енергетичного виграшу від окислення всіх використовуваних хемосинтезу речовин недостатньо відновлення НАДФ-Н з НАДФ+. Тому його відновлення йде у вигляді окремого процесу із витратою частини АТФ, отриманої під час хемосинтезу.

Отже, хемосинтез представляє привабливу можливість використання енергії неорганічних сполук елементів, які легко змінюють рівень свого окислення, для отримання АТФ і синтезу органічних речовин шляхом фіксації вуглекислого газу. Зазначимо, однак, чотири обставини.

1. Більшість відомих випадків хемоавтотрофії вимагають вільного кисню як окислювач, в окремих випадках він заміщується киснем нітратів. А як ви пам'ятаєте, кисень у атмосфері є продуктом фотосинтезу. Усе це означає, що з погляду геохімічного круговороту речовин хемосинтез Землі нині вторинний стосовно фотосинтезу.

2. Такі речовини, як аміак, сірководень і водень, часто самі утворюються в результаті життєдіяльності бактерій, щоправда, інших, які використовують для отримання енергії та побудови речовини свого тіла такий ефективний ресурс, як вже готова органіка. Таким чином, у багатьох випадках за рахунок хемоавтотрофів загальна кількість органіки не зростає. Вони просто є елементами загального ланцюга її розщеплення, що включає безліч мікроорганізмів – просто цьому етапі додається локальний ресинтез органіки з СО 2 з допомогою енергії якихось проміжних сполук, утворених у її глобального розкладання.

3. Переважаючий у час на планеті тип хемосинтезу - окислення сірководню вулканічного походження.

4. Кисень повітря легко окислює сірководень самостійно, без допомоги мікроорганізмів. Тому ці два гази майже не зустрічаються разом. Наприклад, глибинні шари грунту характеризуються відновлювальним середовищем, є метан і сірководень, але немає кисню. Відновне середовище змінюється окисним, де присутній кисень, але немає сірководню – у дуже вузькому шарі, тут є обидва гази – буквально кілька міліметрів. Саме і тільки там можуть розвиватися грунтові хемосинтетичні серобактерії. (Ще більш екзотично одночасна присутність кисню та водню.)

Однак на планеті є місця, де обидва гази – сірководень та кисень – присутні у достатніх концентраціях одночасно. І навіть зараз велика кількість органіки утворюється там в результаті хемосинтезу на основі сполук сірки, звичайно ж, вулканічного походження. Давайте з'ясуємо, звідки взагалі береться вулканізм. Ви чули про дрейф континентів? Хто не чув, згадайте карту світу і зверніть увагу на те, що якщо Африку зрушити на захід, її контури дуже добре впишуться в береги обох Америк. Так, континенти повільно пливуть! Африка та Америки розкололися і пливуть один від одного. Азія та Північна Америка пливуть назустріч один одному. Індія відносно недавно відкололася від Африки, рвонулася на північний схід і врізалася в Азію. В результаті в місці зіткнення виросли Гімалаї та Тибет, а нещодавній землетрус на Алтаї стався через те, що вона все ще не може зупинитися. Земна кора під океанами набагато тонша, ніж під континентами. Континенти плавають нею як крижини. Коли континенти наступають на океан, як, наприклад, Євразія та Америка на Тихий, відбувається субдукція – континенти підминають під себе земну кору, вона занурюється у мантію та розплавляється. Саме в зонах субдукції - наприклад по всій периферії Тихого океану - має місце вулканізм, який досить легко спостерігати у вигляді вулканів та гарячих джерел, багатих на сірку, в яких ми знаходимо хемосинтезуючі бактерії. Там, де континенти розходяться, а океан розкривається, як, наприклад, Атлантичний, континенти розтягують океанську земну кору у себе. В результаті посередині океану є тріщина. рифтова зона, за якою з мантії піднімається розплавлена ​​магма, застигає та утворює нову океанічну кору. Це область прихованого від наших очей, але більш потужного вулканізму. По сторонах тріщини виростають підводні вулканічні гори, а сама тріщина все ж таки виглядає як западина між двома гірськими ланцюгами. Це називається – серединний океанічний хребет. Тут є безліч витікань вулканічних газів, багатих сполуками сірки та вуглекислим газом. Вони отримали назву чорних курців. Чому курців та чому чорних? Сполуки сірки з металами – сульфіди – зазвичай пофарбовані в чорний колір. (До речі, хто знає, чому море Чорне? Тому що на певній глибині його вода насичена сірководнем і всі металеві предмети там чорніють). а сульфіди, що випали в осад, утворюють навколо джерел химерні споруди висотою в кілька десятків метрів.

У Чорному морі не йде активний хемосинтез, тому що на тій глибині практично немає кисню – все це тому, що його конфігурація сприяє застою води. А в рифтових зонах океанів вода рухлива і кисень є. Важливо, що чорний курець підігріває воду і тим самим приводить її в рух, що сприяє газообміну. Тому навколо чорних курців йде найінтенсивніший хемосинтез, під час якого великі кількості вуглекислого газу фіксуються та переходять у біологічні органічні молекули.

Цей ресурс не проходить непоміченим для морських мешканців, тому навколо чорних курців формуються процвітаючі угруповання морських організмів. Їх основу складають хемосинтетичні бактерії, які покривають ці самі сульфідові будівлі чорних курців рівним шаром.

У рифтовій зоні Тихого океану, на периферії чорних курців розташовуються колонії вражаючих тварин - вестиментифер. Їх відкрили лише близько 20 років тому, зараз відомо десятки два види. Вони являють собою щось подібне до хробаків довжиною від 15-30 см до 2,5 м, що живуть у трубках, через відкритий кінець яких висовується вінець червоних щупалець. Вони належать до особливого сімейства многощетинкових кільчастих черв'яків - сибаглидам, хоча й отичаются від інших кільчастих черв'яків за будовою тіла; це сімейство раніше навіть вважалося окремим типом – погонофорами.

Вони добре розвинена кровоносна система, але немає ні рота, ні кишечника. Вздовж тіла у них проходить так звана трофосома (грецькою трофос - харчування, сома - тіло) - тяж, що складається з особливих клітин та кровоносних судин. Усередині клітин знаходяться хемосинтезуючі сірчані бактерії – лише одного виду (з близько двохсот у зовнішньому середовищі курців). Вони окислюють сірководень до сірчаної кислоти (яка нейтралізується карбонатами). Вестиментифери самоперетравлюють частину своїх клітин і таким чином харчуються.

Ось тут показано зовнішнє та внутрішня будовавестиментифери:

(і навіть цикл розвитку)

Постає питання, а як сірководень потрапляє в трофосому? Він транспортується туди гемоглобіном крові разом із киснем. Кисень зв'язується з гемом, сірководень – з білковою частиною гемоглобіну. Червоні (від гемоглобіну) щупальця служать зябрами – вони поглинають кисень та сірководень. Таким чином, вестиментифери існують за рахунок симбіозу – взаємовигідного співжиття з організмами іншого типу. І будують своє тіло з органіки, одержаної в результаті хемосинтезу (але з використанням хемосинтетичного кисню). У колоніях вестиментифер за рахунок хемосинтетичної органіки (переважно просто харчуючись вестиментиферами) живуть краби, креветки, усоногі ракоподібні, двостулкові молюски, восьминоги, риби тощо.

І зауважте, жодних рослин! Тільки бактерії та тварини. Нагадаємо, що на цих глибинах сонячне світло повністю відсутнє.

Все це є сусідами з практично безжиттєвими океанськими глибинами, куди майже не досягає фотосинтетична органіка, що надходить з океанської поверхні, оскільки майже вся вона утилізується мікроорганізмами по дорозі. Там донна біомаса становить лише 0,1–0,2 г/м 2 (оцінка густини біомаси біля курців мені не зустрічалася, але вона на кілька порядків більша).

Таке буяння життя можливе тому, що за рахунок конвекційного перемішування в чорних курцях є досить широка зона вод, в яких є одночасно і сірководень, і кисень. (Тоді як зона одночасної присутності цих газів у грунті становить лише кілька міліметрів.) До речі, при нестачі молекулярного кисню ті самі бактерії можуть використовувати його з нітратів, відновлюючи їх до нітритів.

Геологи давно знаходили загадкові трубки у родовищах срібних, мідних та цинкових руд, що утворилися 350 млн років тому. Родовища формувалися із сульфідів рифтової зони. Вестиментифери тоді вже були. Для порівняння: динозаври вимерли 65 млн. років тому.

Зробимо один відступ. Дещо раніше вестиментифер було відкрито їхні родичі – погонофори – переважно глибоководні морські організми подібного будови. Замість трофосоми вони мають так званий серединний канал – щось на зразок закритого з обох кінців кишечника. У ньому також живуть симбіотичні бактерії, але не хемосинтетичні, а метанотрофні. Вони «живляться» метаном ( CH 4 ). А що ми знаємо про метан? Це один із основних компонентів природного газу. Зважаючи на все, погонофори живуть у районах розташування підводних утворень нафти і газу і можуть на них вказувати.

Що характерно, у рифтовій зоні Атлантичного океану вестиментиферу немає. Швидше за все, вони просто не встигли туди потрапити за час існування цього океану. Зате там, як і в Тихому океані, є:

1) креветки, у яких сірководневі симбіонтні бактерії живуть на поверхні ротових кінцівок;

2) двостулкові молюски, у яких вони живуть у зябрах;

3) яскраво-червоні багатощетинкові черв'яки, у яких вони живуть на поверхні тіла (причому черв'як може їх якимось чином засвоювати через поверхню).

Як сказано раніше, всі організми спільноти чорних курців виготовлені з органіки, отриманої з вуглекислого газу вулканічного походження за допомогою енергії сполук сірки вулканічного походження. Однак, оскільки всі вони (включаючи бактерії) використовували як окислювач вільний кисень, все ж таки не можна сказати, що вони існують незалежно від фотосинтезу. Де-факто життя цих екосистем на паритетних засадах вклалися хемосинтез і фотосинтез. Надра Землі доставили у ці екосистеми відновник, а Сонце (через фотосинтезуючі рослини) – окисник. Слід зазначити, що джерело окислювача – молодше, ніж джерело відновника. Енергія Сонця береться з термоядерного синтезугелію із водню. Енергія ж хімічних сполук надр Землі була запасена в них, грубо кажучи, при формуванні Землі, а вона формувалася з космічного газу та пилу одночасно з Сонцем, у складі Сонячної системи загалом. Сонце – зірка другого покоління, отже, сонячна система, включаючи землю, сформувалася внаслідок конденсації речовини, викинутої під час вибухів наднових зірок першого покоління.

Історія еволюції біологічних процесів обміну речовини та енергії на Землі

Ми з вами, як тварини, оточені в основному тваринами та рослинами, не повинні забувати про різноманітність можливих варіантів організації обміну речовини та енергії у живих істот. Всі вони (і навіть напевно такі, про які ми не здогадуємося) були реалізовані у прокаріотів, тоді як еукаріоти успадкували лише два з них - "тварини" і "рослинні". Взагалі ж «економічна» сторона життя має, подібно до марксизму (хоча цей жарт навряд чи зараз актуальний), має три джерела: енергії, вуглецю та електронів (тобто речовина, яка використовується як відновник; з елементів донором електронів найчастіше є водень) .

За джерелом енергії всі живі істоти діляться на фототрофів, що використовують енергію світла, і хемотрофів, що використовують енергію. хімічних зв'язків.

За джерелом вуглецю вони поділяються на автотрофів – які використовують вуглекислий газ, і гетеротрофів – які використовують органічні речовини.

За джерелом електронів вони поділяються на органотрофів – органіки, що використовують водень, і літотрофів – що використовують неорганічні речовини – похідні літосфери. Це може бути молекулярний водень, аміак, сірководень, сірка, чадний газ, сполуки заліза та інших.

Скажіть, хто за цією потрійною класифікацією ми з вами? Не використовуємо енергію світла Безпосередньо, ми використовуємо енергію поживних речовин. Виходить, ми хемотрофи. Звідки беремо вуглець для побудови молекул свого тіла? Теж із їжі, отже, ми гетеротрофи. А звідки беремо електрони? Яку речовину ми окислюємо? Напевно, найнетривіальніше питання. Давайте здогадаємось. Вище неодноразово було сказано, що кисень є сильним окислювачем. Можна здогадатися, що окиснення відбувається там, де використовується кисень. Де він використається? У всіх випадках: і в побутовому, і в біохімічному цей процес називається диханням. Згадаймо узагальнене рівняння дихання:

(CH 2 O) + O 2 = CO 2 + H 2 O.

Ми бачимо, що кисень відібрав водень від вуглеводу, при цьому його окислює. І тут вихідним джерелом електронів є органіка їжі.

Отже, ми, тварини – хемоорганогетеротрофи.

А рослини? Вони є фототрофи, це зрозуміло. Вони автотрофи, це ми також засвоїли. А що вони зрештою окислюють? Давайте тепер знову згадаймо рівняння фотосинтезу. Власне, згадувати нічого і не треба, просто переставимо праву та ліву частини попереднього рівняння:

CO2 + H2O = (CH2O) + O2.

Окислюється тут сам великий окислювач – кисень. У молекулярному кисні ступінь окислення в нього 0, у всіх речовинах ліворуч -2. А відновлюється вуглець (який окислюється у зворотній реакції). Він знаходиться у неорганічній речовині – вуглекислому газі. Згадаймо, однак, що фотосинтез йде у дві стадії і кисень утворюється у процесі фотолізу води, коли електрони відриваються від молекули води. Вода теж неорганічна сполука, таким чином, рослини – фотоавтолітотрофи.

Наша лекція присвячена отриманню енергії та фіксації вуглецю з вуглекислого газу в органіку. Але в біологічній органіці є інші важливі елементи. Багато хто з них, такі як фосфор, сірка, доступні у водорозчинних речовинах. Інша річ азот. Він також доступний у водорозчинних речовинах, таких як солі амонію, нітрити та нітрати. Однак майже всі вони у сучасному світі (за винятком продуктів вулканізму) самі біогенного походження, а абіогенний азот існує лише у молекулярній формі. Тому фіксація атмосферного азоту – як така важлива проблема. Її вміють вирішувати лише бактерії, зокрема й ціанобактерії. Не обтяжуватимемо вас біохімічними схемами фіксації азоту. (Зауважимо, що у всіх таких схемах всі найважливіші діючі лиця– ферменти – завжди залишаються за кадром через свою незвичайну складність: у схемах малюють лише взаємоперетворення субстратів та продуктів ферментативних реакцій.)

Зробимо невеликий уявний екскурс у проблему виникнення життя. Як ви вважаєте, хто з'явився раніше – автотрофи чи гетеротрофи? На думку може спасти проста думка, що оскільки автотрофи створюють органічні речовини, а гетеротрофи їх тільки їдять, то життя мало починатися з автотрофів, так як гетеротрофам, якби вони з'явилися першими, просто нічого було б «є». Ця думка зовсім неправильна. Вона є доведенням до абсурду принципу актуалізму- реконструкції ситуацій минулого на основі того, що є зараз. Гетеротрофи мали з'явитися раніше автотрофів, оскільки вони елементарно може бути набагато простіше влаштовані – адже отримувати енергію шляхом руйнації складних молекул простіше, ніж будувати ці складні молекули з простих, одержуючи у своїй енергію з іншого джерела. Принцип «ламати – не будувати» абсолютно універсальний, оскільки є досить точним відображенням другого початку термодинаміки.

У нас немає жодних підстав припускати, що життя спочатку виникло як щось одразу дуже складне, тому ми повинні розглядати виникнення та еволюцію життя як шлях від простого до складного. Звідки взагалі виникло життя? Загалом, якщо відкинути казкові варіанти, то єдине, що спадає на думку і нам, і серйозним ученим – це те, що найперші живі системи самоорганізувалися з якоїсь «неживої» органіки, якою для цього мало бути досить багато. Згідно з сучасними даними науки, так воно і було: на поверхні Землі тоді існувало дуже багато досить складних органічних сполук, що з'явилися позабіологічним шляхом. Ось і "їжа" для перших гетеротрофів! Але вона мала б досить швидко скінчитися. Гетеротрофи деякий час могли б їсти один одного, але за всіх подібних процесів йдуть неминучі втрати речовини та енергії. Їхні запаси в біосфері мали якимось чином поповнюватися. Отут уже ситуацію врятувала поява автотрофів.

Напевно, це не були фотоавтотрофи. Фотосинтез дуже складно організований. Усі вчені одностайні у думці, що першими автотрофами були хемоавтотрофи. Ми вже переконалися, що хімічні шляхи отримання енергії з неорганічних речовин навіть зараз відрізняються різноманітністю. Цілком очевидно, що на зорі становлення життя ця різноманітність була ще більшою, як було більше і різноманітність хімічних ситуацій. Тоді був набагато активнішим вулканізм і бомбардування космічними тілами, в атмосфері був відсутній у значних концентраціях вільний кисень, що дозволяло існувати на земній поверхні різноманітним неорганічним відновникам (аміак, водень та ін.), врешті-решт була присутня органіка абіогенного походження. Атмосфера тоді мала відновлювальний характер і дефіцит був швидше окислювач. Все це мало провокувати організми, що виникли з абіогенної органіки саме як споживачі цієї самої органіки, переходити на найрізноманітніші неорганічні джерела енергії.

Але й хемоавтотрофи відрізняються дуже складною біохімією. Будь-яка відома нам автотрофність вимагає систем, пов'язаних із створенням та використанням різниці концентрації протонів по сторонах мембрани, насамперед ланцюга перенесення електронів та АТФ-синтетази. Як же це все виникло? Із цього приводу є дуже правдоподібна, хоч і досить несподівана, теорія про те, які стадії відбувався розвиток первісного життя на нашій планеті.

1. Винахід гліколізу. Єдиний універсальний і при цьому малоефективний механізм отримання енергії у живих істот - це гліколіз. Очевидно, перші живі істоти існували за рахунок того, що отримували деяку кількість АТФ за допомогою подібних до сучасного гліколізу процесів окислення наявної в середовищі багатої воднем абіогенної органіки (з якої вони самі і самоорганізувалися), іншими словами, за рахунок бродіння. У ході цих процесів електрони і водень через посередництво НАД-Н або НАДФ-Н переноситься з одних органічних молекул на інші. Як правило, відновлені молекули йдуть на побудову живої речовини, а окислені викидаються у навколишнє середовище у вигляді відходів виробництва. Такі молекули зазвичай є органічні кислоти (молочна, оцтова, мурашина, пропіонова, масляна, бурштинова – всі ці варіанти зустрічаються у сучасних бактерій).

2. Винахід протонного насоса. Як наслідок цієї первинної хімічної активності життя навколишнє середовище неухильно закислялося. Можна припустити, що на якійсь стадії розвитку життя багаті на органіку води Землі – як мінімум насичені ними ґрунти або навіть увесь Світовий океан – у буквальному сенсі прокис. Закисление водного середовища вимагало розвиток систем активної відкачування протонів з клітин з метою підтримки їхнього внутрішнього середовища. Таке відкачування велося з витратою АТФ спеціальними білковими насосами, що пронизували клітинну мембрану.

Живі організми у цій стадії продовжували залишатися гетеротрофами.

3. Винахід ланцюга перенесення електронів. Абіогенна органіка була невідновним ресурсом. Її залишалося дедалі менше, видобувати АТФ шляхом гліколізу ставало дедалі важче. А опір прогресувало закислення за допомогою протонних насосів вимагало все більше АТФ. Для вирішення проблеми закислення іншим способом були винайдені системи пов'язаних з мембранами білків, які здійснювали трансмембранний транспорт протонів проти градієнта концентрації за рахунок енергії окислювально-відновних реакцій, пов'язаних з перенесенням електронів з одних речовин, що були в середовищі в надлишку, на інші, але вже без НАД -Н чи НАДФ-Н. Такими речовинами були накопичені серед органічних кислоти і неорганічні речовини. Системи трансмембранного експорту протонів, про які йшлося, та були прообразом ланцюга перенесення електронів. Бактерії, що живуть у кислому середовищі, досі використовують ланцюг переносу електронів для підтримки менш кислого внутрішнього середовища. За рахунок виникнення ланцюга переносу електронів була досягнута економія АТФ, тому носії цього ланцюга отримували безперечну перевагу перед тими організмами, які її не мали.

4. Винахід АТФ-синтетази. Системи експорту протонів через мембрану, що використовують окислювально-відновлювальні реакції, поступово вдосконалювалися і врешті-решт перевершили ефективність АТФ-залежні мембранні насоси. Це дало змогу звернути роботу останніх. Тепер вони, навпаки, запускалипротони всередину клітини, синтезуючи у своїй АТФ з АДФ. Так виникла АТФ-синтетаза, що використовує для синтезу АТФ різницю у концентрації протонів. Як сказано вище, дія АТФ-синтетази оборотна – при високих концентраціях АТФ та невеликій різниці потенціалів з обох боків мамбрани, вона, навпаки, створює градієнт концентрації протонів. Саме як протонний насос АТФ-синтетазу (а цей білковий комплекс є у всіх без винятку сучасних живих істот) працює у анаеробних бактерій.

Створення АТФ-синтетази було найважливішим проривом. На цій стадії організми вирішили і проблему підтримання внутрішнього середовища, і проблему одержання енергії, вперше ставши з гетеротрофів автотрофами, зокрема хемоавтотрофами. Подібно до сучасних хемоавтотрофів, вони отримували енергію за рахунок окисно-відновних реакцій з використанням ланцюга переносу електронів. Однак, крім енергії для життя, необхідний синтез відновленої органіки. Її абіогенні запаси на той час практично вичерпані. Для синтезу такої органікиde novoнеобхідні сильні донори водню, такі як відновлений кофермент НАДФ-Н. Відновлення цього коферменту може йти, як і синтез АТФ, за рахунок різниці концентрації протонів шляхом звернення ланцюга перенесення електронів та роботи ферменту, аналогічного сучасної НАД-Н-дегідрогенази, який тоді працював у зворотному напрямку – відновлював НАД-Н із НАД+.

Звертаємо вашу увагу, що ці організми були анаеробними хемотрофами, які в сучасному світі зустрічаються виключно рідко. Без такого сильного окислювача, як кисень, швидше за все перші схеми хемосинтезу були засновані на окисно-відновних реакціях з незначним енергетичним виграшем. Ідея використання протонного градієнта полягала в тому, що невеликий виграш багатьох таких реакцій сумувався в ньому і міг бути використаний у таких реакціях, що потребують значних витрат енергії, як відновлення НАДФ-Н.

5. Винахід фотосинтезу та фотосистеми 1. Як бачимо, багато причин для фотосинтезу до цього часу вже існували – були винайдені АТФ-синтетаза, ланцюг перенесення електронів та біохімічні шляхи синтезу органіки з використанням НАД-Н. До фотосинтезу залишався один крок – поява пігментів, здатних вловлювати енергію фотонів і передавати її в систему окиснювально-відновних реакцій, пов'язаних із ланцюгом перенесення електронів. Антенні системи сучасних фотосинтетиків відрізняються великою складністю, у перших вони напевно повинні були бути досить прості. Ми розглянули простий механізм використання енергії світла галобактеріями. Існує думка, що найпершими антенами, здатними вловлювати енергію фотонів, були ті самі наші старі знайомі – азотисті основи нуклеїнових кислот. Як ви пам'ятаєте, там теж існують резонансна система з подвійних і одинарних зв'язків, що чергуються, хоча і не таких вражаючих масштабів, як у хлорофілів.

Ймовірно, з фотосистем першої, що дійшли до наших днів, виникла фотосистема 1, що призвело до появи зелених сірчаних бактерій. Можливо, знову-таки, що історично першим виникло циклічне фотофосфорилювання, яке не потребує зовнішніх окислювачів і відновників. Однак найбільш важливим була придбана цією фотосистемою здатність прямо відновлювати НАДФ+ до НАДФ-Н за рахунок енергії сонячного світла, забираючи електрон, наприклад, у сірководню та окислюючи його до атомарної сірки, як у сучасних зелених серобактерій. Звернімо увагу на те, що сірка грає важливу рольу складі білків фотосистеми 1.

До речі, це сталося 3–4 млрд років тому, тобто лише через мільярд років після виникнення Землі. Час хемоавтотрофів минув, почався час фотоафтотрофів.

6. Винахід фотолізу води. Поява вільного кисню.Проблемою перших фотосинтетиків був дефіцит добрих неорганічних відновників. Вода – «дуже поганий» відновник, зате є у необмеженій кількості. Об'єднання двох фотосистем, успадкованих від зелених (фотосистема 1) і пурпурових (фотосистема 2) сірчаних бактерій в одну сполучену систему, що відбулося у синьо-зелених водоростей, (ціанобактерій) дозволило, шляхом з'єднання енергії двох послідовно уловлених фотонів, відбираючи електрони атомів кисню. Це було важливим проривом в енергетиці перших організмів, які мали справді жахливі наслідки. З поєднанням двох фотосистем у предків ціанобактерій, або синьо-зелених водоростей, з'явилися організми з мінімальними потребами хімічних речовиндовкілля. Це призвело до появи великої кількості відновленої біогенної органіки – життя стало процвітати. Однак на земної поверхністала з'являтися така страшна отрута, як вільний кисень.

Спочатку весь кисень, що виділявся в ході фотосинтезу, йшов на окислення іонів двовалентного заліза, удосталь містилися в Світовому океані, до тривалентного, яке стало осаджуватися у вигляді оксидів заліза. Цей процес розпочався 2,7 млрд. років тому і закінчився близько 2 млрд. років тому. Всі ці 700 млн років (нагадаємо, що динозаври вимерли лише 65 млн років тому) на Землі існував фотосинтез сучасного типу, що супроводжувався фотолізом води, вільний кисень утворювався, проте в атмосфері він був відсутній. Це означає, що Землі ще винайдено дихання. І це означає, що на планеті не було передумов для існування ефективних гетеротрофів. Не могло йтися не лише про «тварини», а й про аеробні бактерії, які у сучасному світі відіграють таку важливу роль у розщепленні біогенної органіки. Можна сказати, що весь цей час на Землі існувало якесь золоте століття, земний рай, у якому ніхто нікого не їв (і не їв навіть трупи). Його населяли найдосконаліші і воістину безгрішні живі істоти, які «живилися» сонячним світлом, водою, вуглекислим газом та азотом повітря. Це були ціанобактерії, або синьо-зелені водорості (ті самі, які чудово існують і досі). Як найбільш автономних живих істот вони досконаліші за рослини, оскільки, подібно до багатьох бактерій, вміють фіксувати азот атмосферного повітря. (Рослини цього не вміють і змушені використовувати окислений азот нітратів або відновлений азот амонію, який зараз має біогенне походження.) Синьо-зелені водорості жили та процвітали у вигляді колоній на мілководдях. Ці колонії мали більш менш кулясту форму і наростали з поверхні. На них осідали дрібні частинки ґрунту, збагаченого тривалентним залізом, які врешті-решт ховали відмерлі клітини всередині колонії. За відсутності «тварини» вік індивідуальної колонії міг бути дуже великий. Такі колонії збереглися у вигляді скам'янілостей, званих строматолітами(перекладається з грецької як «шарувате каміння»), камінням, що має структуру концентричних шарів, часто збагачених залізом.

7. Винахід дихання.Однак «безгрішність» ціанобактерій була здається. Виділяючи в ході фотолізу води такий сильний окислювач, як кисень, вони поволі отруїли Світовий океан і підготували крах свого мирного райського царювання, яке швидко змінилося тим звичним для нас пеклом голодних демонів, де живі істоти безперервно пожирають один одного. (Це все звичайно ж метафора. Але ось нещодавно вийшов підручник біології, виданий Православною церквою, де йдеться, що до гріхопадіння Адама самки комарів, можливо, харчувалися нектаром квітів, який міг містити гемоглобін. Ось це вже не смішно, це спроба повернути (приблизно 2 млрд років тому двовалентне залізо в океані закінчилося і кисень став надходити в атмосферу). Сучасного змісту в атмосфері він досягнув між 1,5 і 0,5 млрд років тому. Поява кисню зажадала перебудови всієї біохімії майже всіх істот, що тоді жили, оскільки він у прямому сенсі отруював багато ферментів (вірніше, коферменти). У той же час у середовищі з'явився потужний окислювач, який був пристосований як акцептор електоронів у ланцюгах перенесення електронів, чим суттєво підвищив їхню ефективність. Так виникло клітинне дихання. Багато сучасних пурпурових бактерій вміють перебудовуватися з фотосинтезу на дихання з використанням одних і тих же ланцюгів перенесення електронів.

Тільки на цій стадії стала можливою поява гетеротрофів, які користуються процесами ефективнішими, ніж гліколіз, причому набагато ефективнішими (згадайте – у 18 разів!). Почався ренесанс гетеротрофів. Ви знаєте, що зараз існує велика кількістьаеробних бактерій Всі вони походять від фотосинтетичних бактерій, що втратили здатність до фотосинтезу, але зберегли ланцюг перенесення електронів. Навіть наша кишкова паличка походить від пурпурових бактерій! Виникли причини появи організмів, які живуть з допомогою ефективного окислення органіки, виробленої автотрофами. Тим самим безроздільне царювання автотрофів було покладено край. Немаловажно, що разом із припиненням відкладень тривалентного заліза у цей час катастрофічно скоротилося нафтонакопичення. Якщо раніше біогенної органіки утворювалося так багато, що її надлишки після довгих хімічних перетворень відкладалися у надрах у вигляді нафти, яка послужила бонусом для таких віддалених нащадків організмів тих днів, як ми з вами, то з появою дихання виник ажіотажний попит на цю органіку, яку новий агресивний споживач почав забирати прямо від виробника.

8. Поява мітохондрій та пластид. Близько 1,5 млрд років тому деякі аеробні бактерії стали жити в клітинах примітивних (і спочатку анаеробних!) еукаріотів і згодом перетворилися на мітохондрії. З цього моменту стала можливою поява тварин, спочатку одноклітинних. Всі сучасні еукаріоти мають мітохондрії, і всі ці мітохондрії споріднені між собою і явно були «одомашнені» лише один раз. Позбавлені мітохондрій первинні анаеробні еукаріоти до наших днів не дійшли. Пізніше деякі ціанобактерії, також перейшовши до життя всередині еукаріотів, перетворилися на пластиди водоростей, причому це відбувалося у різних водоростей як мінімум тричі. Від зелених водоростей згодом походять рослини. У всіх випадках пластиди були придбані клітинами, які вже мали мітохондрії. Ці клітини «вміли дихати», але з вміли синтезувати органіку, т. е. це були тваринні клітини. Таким чином, рослини, тобто здатні до фотосинтезу еукаріоти, що мають пластиди та мітохондрії, походять від тварин (звичайно, це відбувалося на одноклітинному рівні).

Ми бачимо, що розвиток, або еволюціяжиття Землі (про значення слова «еволюція» ми докладніше поговоримо в 15-й лекції), проходила дуже нерівномірно. Періоди довжиною в сотні мільйонів років, коли нічого принципово нового не відбувалося, змінювалися швидкими конструктивними проривами, внаслідок яких образ Землі кардинальним чином змінювався. Кожен із цих проривів супроводжувався винаходом способу подолання якогось дефіциту – спочатку це був дефіцит відновників, а згодом і дефіцит окислювачів. Кожного з таких «винаходів» доводилося чекати сотні мільйонів або мільярди років, що говорить лише про те, що вони відбувалися випадково – будь-яка «цілеспрямована» інженерна діяльність була б набагато ефективнішою. В результаті життя на землі навчилося обходитися найнедефіцитнішими ресурсами – водою, вуглекислим газом, атмосферним азотом, а головним джерелом енергії – невідновлюваним (!), але практично невичерпним стало сонячне світло. Можливо, лику Землі ще доведеться змінюватися, і не виключено, що тепер уже через «розумну» діяльність людини. А ось наскільки вона виявиться доцільною і чи не приведе людину і життя у відомих нам формах до загибелі – це ще питання.

Закінчується шоста лекція. Перша була присвячена визначенню життя, а п'ять інших – всілякої хімії. І це правильно! Згадаймо те визначення життя, на якому ми тоді зупинилися: сукупність самопідтримуваних відкритих систем, що існують, у вигляді особливих структур, за рахунок постійної протоки речовини та припливу енергії і здатних до більш-менш точного самовідтворення.

Більшість того, про що тут йдеться, реалізується на розглянутому нами хімічному рівні. За більш менш точне самовідтворення відповідають нуклеїнові кислоти, здатні до матричного біосинтезу. Протікання речовини та приплив енергії реалізується за допомогою ферментативних реакцій за участю досить простих органічних кислот, особливих нуклеотидів, коферментів-посередників та складніших білково-пігментних систем, таких як фотосистеми та ланцюг переносу електронів. Мабуть, за межі розглянутої нами хімії виходить лише застереження «у вигляді спеціальних структур». Нам з вами у двох схожих між собою випадках вже були потрібні особливі структури – простір, обмежений мембраною, різні сторониякою створюється різниця в концентрації протонів – внутрішній простір мітохондрії у процесі окисного фосфорилювання та внутрішній простір тилакоїда у разі світлової стадії фотосинтезу. Насправді за кадром нашого розгляду весь час залишалася щонайменше зовнішня мембрана клітини, яка відмежувала наш хімічний реактор з тонко налаштованою концентрацією різних речовин від зовнішнього простору.

Таким чином, ми розглянули майже всю сутність життя, яке нам необхідно доповнити його структурною організацією. До цього ми і перейдемо в наступній лекції, тому що, по суті, вся біологія понад біохімію – це наука про біологічні структури. Ми почнемо із структур на так званому клітинному рівні.

Механізм фотосинтезу.

Фотосинтез – складний окиснювально-відновний процес, що складається з безлічі ферментативних реакцій, внаслідок якого вуглекислота відновлюється, а вода окислюється. Тобто вуглекислота є акцептором електронів, а вода їх донором. Фотосинтез здійснюється за допомогою чергування двох фаз:

1.Світлова фаза, що протікає на світлі без участі вуглекислого газу, яка не залежить від температури.

2.Темнова фаза, що у темряві з участю вуглекислоти, залежить від температури.

Вона складається з наступних послідовних стадій:

1.Процес поглинання енергії сонячних променів пластидними пігментами та утворення збуджених молекул хлорофілу А.

2. Окислення (фотоліз) води та виділення кисню за рахунок енергії збуджених молекул хлорофілу.

3.Синтез АТФ у процесі фотосинтетичного фосфорилювання та утворення відновленого НАДхН2.

Коли молекула хлорофілу поглинає світло, збуджений електрон передає свою енергію хлорофілу А, який у процесі фотосинтезу перетворює її в енергію хімічних зв'язків органічної речовини. У хлоропластах хлорофіл та інші пігменти занурені в мембрани тилакоїдів і зібрані там у функціональні одиниці, які називаються фотоситемами, кожна з яких містить 250-400 молекул пігментів. Усі пігменти фотосистеми можуть поглинати фотони, але тільки одна молекула хлорофілу цієї фотосистеми може використовувати поглинену енергію у фотохімічних реакціях. Вона прийнято називати реакційним центром фотосистеми, а решта називаються антеними, оскільки здатні збирати світло як антени. Є два типи фотосистем - фотосистема 1 (Ф1) з оптимумом поглинання 700 нм (Р700) та фотосистема 2 (Ф2) з оптимумом поглинання 680 нм (Р680). Вони працюють синхронно, але Ф1 може працювати самостійно.

Z-схема фотосинтезу (модель світлових реакцій).

1.Енергія світла входить у Ф2, де поглинається реакційним центром Р680, який при цьому збуджується. І його збуджені енергійні електрони переносяться на молекулу акцептора Q. Молекула Р680, що втратила свої електрони, може замінити їх електронами води, що дисоціює на протони та кисень. Це світлозалежне окисне розщеплення води під дією світла та ферментів тілакоїдів прийнято називати фотолізомводи.

2. Далі електрони спускаються електронно-транспортним ланцюгом (ЕТЦ) до Ф1. До складу ЕТЦ входять цитохроми, білки, що містять залізо та сірку, хінони, білок пластоціанін, що містить мідь. Результатом цієї реакції є перетворення молекули АДФ в АТФ за рахунок приєднання фосфату та утворення макроергічного зв'язку – реакція фосфорилювання.

3.В Ф1 енергія світла передає електрони від Р700на електронний акцептор Р430, який є залізовмісним білком. Наступний електронний переносник - ферредоксин (залізосерний білок) передає свої електрони на кофермент НАД, який відновлюється до НАДхН2, при цьому окислюється молекула Р700. Цей однонаправлений потік електронів від води до НАД прийнято називати нециклічним потоком електронів, а утворення АТФ у своїй називають нециклічним фосфорилюванням.

Z-схема світлової стадії фотосинтезу

Загальний енергетичний вихід нециклічного потоку електронів становить 12АТФ, 12НАДхН2, виділяється 1 молекула О2. Сумарне рівняння світлової фази фотосинтезу:

12Н2О + 12НАД + 12АДФ + 12Н3РО4 --- 12НАДхН2 + 12АТФ + 02

Циклічне фосфорилювання.

Ф1 може працювати незалежно від Ф2. Цей процес прийнято називати циклічним потоком електронів або циклічним фосфорилюванням. У цьому електрони передаються від Р700на Р430при освітленні Ф1. Потім електрони йдуть не до НАД, а запасним шляхом, пов'язаним з Ф1 на акцептор Q і повертаються в реакційний центр Ф1. При цьому утворюється молекула АТФ із АДФ. Оскільки тут має місце циклічний потік електронів, процес прийнято називати циклічним фосфорилированием. При цьому не відбувається розкладання води, виділення кисню, утворення НАДхН2. Це більш примітивний шлях, він характерний для фотосинтезуючих бактерій та деяких еукаріотів.

Циклічне фосфорилювання

Аналіз вибору туроператором власної чи орендованої площі, власного чи залученого транспорту для турпоїздок

Аналіз сучасного стану та проблем розвитку транспорту Російської Федерації

Блок наукового забезпечення підпрограм, спрямованих на запровадження основних механізмів реалізації Транспортної стратегії

О 19 год. 19 червня Кишинівською та Каушанською трасами до Бендерів увійшли колони бронетранспортерів, артилерії, МТЛБ, танків Т-55.

Послідовність розташування редокс-агентів в ЕТЦ хлоропластів відповідно до їх окисно-відновного потенціалу та даних щодо їх локалізації в комплексах відображає Z-схема фотосинтезу(Див. рис. 3.32). Відповідно до Z-схеми, існує послідовне перенесення електронів від ФСII до ФС1 і дві фотосистеми об'єднуються в єдиний ланцюг переносу електронів від води до НАДФ +. Уявлення про існування в хлоропластах двох фотосистем та їх спільну послідовну роботу вперше виникло у 1940-і рр. 1940-х. на підставі дослідів лабораторії Р. Емерсона, які виявили ефект червоного падіння квантового виходу фотосинтезупри освітленні хлоропластів монохроматичним далеким червоним світлом

(λ > 680 нм), що збуджує тільки ФС1, та ефект посилення квантового виходу фотосинтезупри додаванні до далекого червоного світла підсвічування з довжиною хвилі близько 650 нм (що збуджує ФСІІ). Пізніше було показано, що у хлоропластах транспорт електронів можливий не лише від води до НАДФ+ за участю двох фотосистем, а й інші альтернативні шляхиза участю лише однієї із двох фотосистем. Крім того, кінцевим акцептором електронів в ЕТЦ фотосинтезу замість НАДФ+ може бути молекулярний кисень. В даний час розрізняють нециклічний, циклічний та псевдоциклічний транспорт електроніву хлоропластах.

Нециклічний транспорт електронів- це перенесення електронів від води до НАДФ + , що здійснюється за участю двох фотосистем, цитохромного b 6 f-комплексу та проміжних низькомолекулярних переносників - пулу пластохінонів (PQ), пластоціаніну (Пц), ферредоксину (ФД) та ферредоксин-НАДФ-оксидоредуктази (ФНР). Він супроводжується виділенням кисню та відновленням НАДФ+. Пов'язаний із синтезом АТФ (нециклічне фотофосфорилування).

Циклічний потік електронівздійснюють окремо ФС1 або ФСІІ.

Циклічний транспорт за участю ФС1(див. рис. 3.33) включає перенесення електронів від відновленого ферредоксину (ФД ВОССТ) назад до окисленого П При цьому бере участь пул пластохінонів, цитохром b 6 f-комплекс та, ймовірно, особливий фермент ФД-хіноноксидоредуктаза (FQR). Циклічний потік електронів за участю ФС1 пов'язаний із синтезом АТФ (циклічне фотофосфорилування) і може забезпечувати додатковий синтез АТФ, необхідний процесів асиміляції вуглецю. Він може бути альтернативним шляхом використання енергії світла за його високих інтенсивностей.

Рис. 3.34. Структурно-функціональна організація комплексу ФСІ (по Wei-Zhong He,

1996, зі змінами):

(Мn) 4 - Mn-містить кластер; Tyr z - тирозин-161 білка D1 - первинний донор електронів для П; Tyr D – тирозин-161 білка D2; цит. b 559цитохром - b 559;Хл Z ,Хл D - супроводжуючі хлорофіли a; Кар - β-каротин; Q A , Q B – пластохінони; I – білок; α, β - субодиниці. Пунктиром позначено можливий циклічний потік електронів

Циклічний потік електронів уФСII пов'язаний із зворотним перенесенням електронів від відновлених первинних хінонів Q A та (або) Q B до окисленого пігменту реакційного центру П - При цьому беруть участь цитохром b 559 ,β-каротин та супроводжуючі молекули хлорофілу а(Хл Z або Хл D) реакційного центру ФСІІ (рис. 3.34).

Циклічний потік електронів у ФСII є альтернативним шляхом використання енергії світла. Він активується в умовах, коли інтенсивність світла перевищує можливості ЕТЦ утилізувати його енергію або при пошкодженні водоокислювальної системи хлоропластів.

Псевдоциклічний потік електронів- перенесення електронів від води на кисень - вперше було досліджено А. Мелером (Mehler, 1951) і названо його ім'ям - реакція Мелер.

Відновлення кисню може відбуватися як у ФС1 , так і у ФСІІ. При цьому поглинання кисню може компенсувати його виділення в ході окиснення Н 2 О. В результаті єдиним продуктом цього процесу, як і у разі циклічного потоку електронів, буде АТФ, що синтезується при псевдоциклічному фотофосфорилування.

Псевдоциклічний потік електронів призводить до утворення активних формкисню (супероксиданіонрадикалу O , перекису водню Н 2 Про 2) тому активація процесу може викликати порушення фотосинтетичного апарату. Цей альтернативний транспорт електронів активується за високих інтенсивностей світла за умов дефіциту в хлоропластах окисленого НАДФ + .

Світлова фаза фотосинтезу залежить від надходження у клітину світлового випромінювання (фотонів). У природі фотосинтез стимулюється сонячним світлом.

хлорофілі, що містяться в хлоропластах рослинних клітин, та інші пігменти вловлюють випромінювання певних довжин хвиль. Енергія фотонів переводить електрони пігментів більш високий енергетичний рівень. Замість того, щоб знову повернутися на колишній енергетичний рівень зі зворотним випромінюванням енергії, електрони захоплюються акцепторами і переносяться по електронно-транспортному ланцюгу, вбудованому в мембрану хлоропластів тилакоїдів.

По дорозі електронів їх енергія частково втрачається, а частково витрачається на синтез АТФ та відновлення НАДФ. Таким чином сонячна енергія переводиться в енергію хімічних зв'язків, що використовується потім у темновій фазі на синтез органічних речовин. У цьому сенсі світлову фазу фотосинтезу можна назвати попередньою.

Електрон-транспортний ланцюг складають пігменти, ферменти та коферменти. Одні локалізовані у мембрані майже нерухомо, інші переміщуються, виконуючи роль переносників електронів та протонів.

Однак світлові реакції фотосинтезу відбуваються не тільки на мембрані тілакоїдів. Також фотони світла запускають фотоліз води. В результаті фотолізу вода розпадається на протони водню (H +), електрони (e -) та атоми кисню (O). Останні, попарно поєднуючись, виділяються з клітини у вигляді молекулярного кисню (O 2).

Причина необхідності фотолізу стає зрозумілою при більш докладному розгляді реакцій світлової фази, що протікають на тилакоїдній мембрані.

Тут функціонують дві фотосистеми. Це так звані фотосистема Iі фотосистема II. Кожна з них вловлює світлову енергію, і від кожної відриваються збуджені електрони, які приймаються акцепторами. У фотосистемах утворюються електронні дірки, Т. е. Нестача електронів. Хлорофіли реакційних центрів фотосистем стають позитивно зарядженими. Щоб система знову могла працювати, необхідно ці дірки усувати за рахунок припливу електронів з-за.

У рослинах світлова фаза фотосинтезу організована таким чином, що фотосистема I заповнює дірки електронами, що транспортуються від фотосистеми ІІ. А та отримує електрони, що утворюються при фотолізі води.

Електрони, що вийшли з першої фотосистеми, пройшовши електронно-транспортним ланцюгом, досягають НАДФ. Цей кофермент відновлюється та заряджається негативно. Після цього притягує протони водню, перетворюючись на НАДФ H 2 . Таким чином, фотоліз води необхідний отримання протонів і електронів.

По дорозі електронів від другої фотосистеми до першої відбувається синтез АТФ за рахунок накопиченого електро-хімічного градієнта- різниці зарядів з різних боків мембрани.

Розглянемо докладніше спрощену схему світлової фази фотосинтезу:

Крім енергії світла для фотолізу води потрібен ще фермент, який відзначений на схемі як « водоокислювальний комплекс». Він убудований у фотосистему. Протони, що утворилися, залишаються в люмені, а електрони йдуть у фотосистему II (PSII). Потік електронів показаний блакитною пунктирною стрілкою.

Написи P680 та P700 у фотосистемах позначають довжини хвиль світла, які переважно поглинаються реакційними центрами PS. Самі фотосистеми мають складну будову. Крім випромінюючого електрони реакційного центру, вони включають також світлозбиральний комплекс.

З PSII електрони передаються на кофермент пластохінон. Заряджаючи негативно, він приєднує протони із строми. Потік протонів показаний червоною пунктирною стрілкою. Пластохінон транспортує електрони та протони до ферментативного комплексу цитохром-b 6 f. Останній окислює пластохінон.

Цитохром-b 6 f перекачує протони в люмен, а електрони передає наступному коферменту-переноснику пластоціаніну.

У цей час у люмені за рахунок протонів, перенесених з строми і утворених у результаті фотолізу води, накопичується достатній позитивний заряд, щоб «спрацював» фермент АТФ-синтаза. Через його канали протони прямують на зовнішню сторону тилакоїдної мембрани. Ця енергія використовується АТФ-синтазою для синтезу АТФ із АДФ та фосфорної кислоти.

Пластоціанін транспортує електрони у PSI, відновлюючи її. Звідси внаслідок дії світла електрони передаються на ферредоксин. Під дією ферменту ферредоксин-НАДФ-редуктазивін відновлює НАДФ. При цьому також використовуються протони, що знаходяться в стромі хлоропласту. Сюди вони надійшли навіть через канали АТФ-синтази.

Розглянуті реакції світлової фази є нециклічний транспорт електронів . Проте даний етапфотосинтезу може протікати і по циклічному шляху. І тут ферродоксин відновлює не НАДФ, а пластохинон. Таким чином, PSI отримує свої електрони. У разі циклічного транспорту електронів синтезу НАДФ H2 не відбувається, світлова фаза дає тільки АТФ.

Нециклічний (простий) транспорт електронів називають також Z-схемою перенесення електронів. Якщо зобразити потік електронів з урахуванням поступового зниження їхньої енергії, то вийде схема, схожа на повернену на 90° букву Z.