Главная > Разное > Фотобиология
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

14. РОЛЬ МЕМБРАННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА

В настоящее время твердо установлено, что фотосин-тетические пигменты и прежде всего хлорофилл так или иначе ассоциированы с мембранной системой хлоропластов. В мембранной системе локализована также электронно-транспортная цепь фотосинтеза (на каждый тилакоид приходится около 200 цепей).

Мембранная организация имеет огромное значение для протекания фотохимических и электронных стадий фотосинтеза, с одной стороны, и регуляции фотосинтетической активности, — с другой. Прежде всего мембраны обеспечивают пространственную близость и стереометрически-функциональное соответствие между пигментами и переносчиками электронов, необходимые для эффективной работы фотосинтетического аппарата. Таким путем достигается практически -процентный квантовый выход первичной фотохимической реакции, причем константа ее скорости должна значительно превосходить

константы скорости дезактивации электронно-возбужденного состояния хлорофилла реакционного центра при люминесценции и диссипации электронной энергии в тепло. Стереометрия расположения переносчиков электронов в мембранах в норме предотвращает их утечку на посторонние акцепторы и сводит до минимума электронные потери на обоих нисходящих электронных каскадах. По-видимому, высокая эффективность работы электронно-транспортной цепи обеспечивается туннельными эффектами между переносчиками электронов. Известно, что каждый из переносчиков электронов может отдавать электрон кислороду (аутоокисление). Это, однако, как правило, в хлоропластах не происходит. Вследствие упорядоченного взаиморасположения различных переносчиков в мембране хлоропластов создаются условия для направленного и эффективного транспорта электронов.

Не исключено также, что рассмотренная выше Z-cxeма не исчерпывает сложных взаимоотношений между пигментными системами и переносчиками электронов, возникающих в ходе работы реальной фотосинтетической машины. В последние годы получены экспериментальные доказательства энергетических взаимодействий между соседними фотосинтетическими единицами: выявляется миграция энергии между субъединицами обеих систем. Все больше аргументируются и представления о том, что существует несколько путей (электронных каскадов) от воды к фотосистеме Электроны могут переноситься от фотосистемы II к фотосистеме I не по одной, а по нескольким параллельным цепочкам переносчиков. В то же время фотосистема I, по-видимому, способна питаться электронами, поступающими от нескольких (например, четырех) фотосистем II. Эффективный контроль скорости транспорта электронов осуществляется также с помощью специальных электронных «емкостей». Как показали исследования А. Б. Рубина, из общего, представленного в хлоропластах, пластохинона в реакциях транспорта участвует только около 10—20%, а остальные 80—90% используются тогда, когда в этом возникает острая необходимость. Благодаря такому резерву восстановленного пластохинона в цепи транспорта электронов постоянно поддерживается стабильное редокс-состояние

переносчиков. К числу других факторов, контролирующих скорость транспорта электронов, нужно отнести конформационное состояние отдельных переносчиков, от которого зависит интенсивность межмолекулярных взаимодействий между компонентами цепи транспорта. По-видимому, на основе оптимизации межмолекулярных взаимодействий достигается наиболее удачная с точки зрения «сброса» и «усвоения» электрона компоновка отдельных элементов цепи.

Вследствие сложного характера миграционных и электронно-транспортных взаимоотношений между структурными элементами, размещенными в мембране, фотосин-тетическая «машина» приобретает черты статическо-динамической системы, в которой для энергии кванта света обычно находится канал утилизации: если «свой» загружен, закрыт «переработкой» предыдущего кванта, будет использован параллельный или соседний канал. Так сформировались представления о так называемой мультицентральной модели фотосинтетических единиц. Согласно этой модели, достаточно большое число взаимодействующих между собой фотохимических центров включено в единую систему пигментов-светосборщиков и цепей транспорта электронов, в которой каждый центр равновероятно конкурирует за квант поглощенного света.

В противоположность этому в постулированной ранее уницентральной модели каждый фотохимический центр постоянно обслуживается только своим определенным пигментным фондом светосборщиков. Первые экспериментальные доказательства в пользу мультицентральной модели были получены в 1963 г. Вреденбергом и Дюйсенсом, которые обнаружили гиперболический характер зависимости между величиной квантового выхода флуоресценции и степенью окисленности фотохимических центров.

В дальнейшем П. Жолио и А. Жолио при изучении скорости выделения кислорода в зависимости от степени закрытия реакционных центров фотосистемы II у хлореллы получили дополнительные доказательства мультицентрального функционирования фотосистемы II.

Л. А. Тумерман и Е. М. Сорокин обнаружили пропорциональность между квантовым выходом и временем жизни флуоресценции хлорофилла у хлореллы на всем протяжении индукционного периода (период, в течение

которого скорость фотосинтеза у перенесенного из темноты на свет растения возрастает).

Мультицентральное строение фотосинтетического аппарата свойственно не всем организмам. Фокс и Амеш исследовали зависимость скорости выделения кислорода от степени окисленности у красной водоросли Cryptopleura violacea и сине-зеленой водоросли Porphyra perforata. Оказалось, что для первого объекта справедлива мультицентральная, для второго — уницентральная модель.

Наконец, Е. М. Сорокин на основании анализа кинетики индукции флуоресценции у хлоропластов гороха пришел к выводу о мультицентральной природе фотосистемы II. Характерно, что в присутствии критической концентрации моноурона наблюдался обратимый переход от мультицентральной к уницентральной модели. Этот переход осуществляется по кооперативному закону (принцип «все или ничего»). По-видимому, причиной перехода является структурная перестройка мембраны хлоропласта. Такое поведение хлоропластов характеризует их не как статическую (или только уницентральную, или только мультицентральную), а как динамическую систему, способную к обратимым переходам в соответствии с особенностями внешней среды.

Становится все более очевидной и конформационная лабильность мембран, управляемая, видимо, и светом. Это придает фотосинтетическому аппарату черты самонастраивающейся системы, в которой может резко изменяться микромозаика взаимодействий между фотосистемами I и II.

Косвенным подтверждением способности мембран к структурным перестройкам является высокая чувствительность хлоропластов к таким факторам внешней среды, как солевой состав, pH и освещение. Хлоропласт, по-видимому, не является простой осмотической ячейкой, поскольку монотонное повышение осмолярности среды вызывает то набухание, то сокращение его объема. Характерно, что способность к набуханию сильно зависит от концентрации водородных ионов. Минимальное набухание наблюдается при т. е. при изоэлектрической точке структурных белков. Все это наводит на мысль о потенциальной способности хлоропластов

пребывать в нескольких структурных модификациях, осуществляемых, возможно, при участии мембранных белков.

Еще более важно, что низкоамплитудные (порядка 15%) изменения объема хлоропластов происходят как непосредственно в листьях, так и в суспензии при освещении, т. е. при запуске процессов транспорта электронов и фотофосфорилировании. В ряде работ обнаружено, что ингибиторы фотофосфорилирования тормозят и обмен ионов на свету у изолированных хлоропластов, и их сжатие. При этом процессами фосфорилирования контролируется не только сравнительно медленный процесс высокоамплитудного набухания, протекающий в темноте и ускоряющийся светом, но и низкоамплитудное сжатие. Светоиндуцированное сжатие сопровождается выбросом из хлоропластов, причем оба явления имеют одинаковую кинетику и тормозятся нигерицином и другими ингибиторами фотофосфорилирования.

Набухание и сжатие хлоропластов связаны, по-видимому, с глубокими структурными перестройками на молекулярном уровне. Об этом говорит уже тот факт, что максимуму набухания соответствует 73%-ное уменьшение фотофосфорилирования и угнетение большинства фотохимических реакций, за исключением фотовосстановления феррицианида. Систематические исследования В. М. Иванченко показали, что зависимость функциональной активности хлоропластов (например, выделение кислорода, циклическое фотофосфорилирование) от их объема описывается куполообразной кривой, т. е. максимальной активности соответствует определенный оптимальный объем органеллы.

Обнаружено также, что светоиндуцированные изменения объема хлоропластов приводят к ультраструктурным перестройкам в ламеллярных структурах органелл, о чем свидетельствуют данные электронной микроскопии. При освещении хлоропластов отмечаются сглаживание рельефа мембранных систем и обратимые изменения толщины, показателя преломления и электронной плотности мембран.

На функциональную роль индуцированных светом перестроек указывают и следующие факты. При освещении фотосинтезирующих объектов наблюдается сложная

полиэкстремальная зависимость скорости выделения кислорода, приходящегося на один световой импульс (флеш) или одну молекулу хлорофилла 2, от числа флешей в серии.

Согласно Жолио и Ренжеру, кванты, поглощенные хлорофиллом, инициируют конформационные превращения -участков мембраны, ответственных за фотолиз воды и перенос электрона к тем самым влияя на их функциональную активность. Ренжер построил сложную кинетическую схему фотолиза воды, основанную на четырех конформационных состояниях, каждое из которых, по его мнению, обладает различной окислительно-восстановительной активностью. Свет, поглощаемый хлорофиллом 2, вызывает взаимопревращение этих состояний. В результате Ренжеру удалось достичь хорошего совпадения расчетной и экспериментальной кривых выделения кислорода как функции числа последовательных флешей. Предполагается, следовательно, что до тех пор, пока не произойдут сенсибилизированные хлорофиллом конформационные перестройки в мембране, фотосинтетический аппарат будет работать в неоптимальном режиме.

Перестройка структурно-функционального состояния мембран хлоропласта при включении фотосинтетической «машины» следует также из фотоиндуцированных изменений потенциала мембраны отдельного хлоропласта, зарегистрированного Ф. Ф. Литвиным с помощью микро-электродной техники.

На тесную взаимосвязь между интенсивностью электронного транспорта в изолированных хлоропластах и конформационным строением мембранной системы указывают опыты, в которых зарегистрировано изменение конформации (данные светорассеяния и электронной микроскопии) при включении и выключении электронного каскада светом.

В мембранном аппарате локализовано (и это очень важно) сопряженное с транспортом электронов фосфорилирование, по существу близкое к окислительному фосфорилированию в митохондриях. Есть основания думать, что механизм сопряжения между окислением и фосфорилированием осуществляется с помощью мембран.

Несмотря на огромное количество экспериментальных

работ в области биоэнергетики, до сих пор окончательно не разрешен вопрос о том, каким образом свободная энергия, заключенная в восстановленном переносчике электронов, используется при синтезе АТФ и каков механизм сопряжения электронного транспорта и фосфорилирования.

К наиболее ранним представлениям о сопряжении транспорта электронов с фосфорилированием можно отнести гипотезу химического сопряжения. В первоначальном варианте (Липман) эта гипотеза предполагала, что восстановленный переносчик электронов образует ковалентную связь с неорганическим фосфатом, которая в дальнейшем за счет энергии, выделяющейся при окислении переносчика, становится макроэргической:

Усложнением схемы Липмана явилась схема Слейтера, по которой восстановленный переносчик взаимодействует не с минеральным фосфатом, а с промежуточным фактором сопряжения X:

Наконец, была выдвинута идея о трехкомпонентной схеме химического сопряжения, согласно которой с восстановленным переносчиком взаимодействуют два фактора сопряжения и при этом они не вступают в ковалентную связь с переносчиком, а макро-эргическая связь образуется за счет индукционного перемещения электронной плотности в системе восстановленный — окисленный переносчик фактор сопряжения:

Однако все перечисленные схемы представляют лишь исторический интерес, поскольку ни один из первичных макроэргических интермедиатов типа не был выделен из трансформирующих энергию мембран.

В настоящее время наибольшей популярностью пользуются две гипотезы сопряжения: хемиосмотическая Митчела и конформадионная.

По хемиосмотическому механизму превращение различных форм энергии осуществляется следующим образом: окислительно-восстановительная энергия переносчиков энергия электрохимического градиента протонов --энергия АТФ. Гипотеза основывается на нескольких предпосылках: 1) мембрана непроницаема для воды и протонов; 2) мембрана разделяет реакционное пространство на внешнее и внутреннее; 3) в ее состав входят переносчики электронов, обеспечивающие асимметрическое распределение протонов по обе стороны мембраны; 4) цепь транспорта расположена поперек мембраны.

В конечном счете в ходе окислительно-восстановительных превращений переносчиков на внутренней стороне мембраны тилакоида постепенно накапливаются протоны и возникает мембранный протонный потенциал. Градиент pH между внутренней и внешней фазами тилакоида составляет, по данным Ягендорфа, примерно 2,7, а мембранный потенциал Процесс фосфорилирования сопровождается перераспределением ионов противоположным тому, которое возникает при транспорте электронов. По Митчелу, для синтеза одной молекулы АТФ из АДФ и неорганического фосфата достаточно перемещения через мембрану двух протонов (см. схему). Предполагается, что при этом за счет энергии мембранного потенциала происходит активация фермент-субстратного комплекса АТФ-синтетазы, или, как ее называют в последнее время, протонной АТФазы.

В пользу хемиосмотической гипотезы говорят следующие факты: 1) существование протонного мембранного потенциала и зависимость его от интенсивности транспорта электронов; 2) корреляция между эффективностью действия разобщителей на фосфорилирование и протонную проницаемость мембран; 3) синтез АТФ хло-ропластами в темноте при искусственном создании

рН-градиента (быстрое перемещение хлоропластов из среды с в среду с

Все же гипотезу Митчела нельзя считать окончательно доказанной. Более того, некоторые экспериментальные данные находятся с ней в явном противоречии.

Например, по данным Нишимуры и время химической релаксации для фосфорилирования значительно короче, чем для поглощения протонов фиксированные глутаровым альдегидом хлоропласты поглощают протоны, но не синтезируют АТФ. Согласно расчетам Н. М. и Д. С. Чернавских, в условиях импульсного освещения, когда А pH отсутствует, а одной энергии мембранного потенциала недостаточно для обеспечения наблюдаемого синтеза (АТФ), т. е. имеет место примерно пятикратный дефицит энергии.

Согласно конформационному (механохимическому) механизму сопряжения, последовательность превращения энергии выглядит следующим образом: окислительно-восстановительная энергия переносчика механическая (конформационная) энергия энергия АТФ.

Предполагается, что выделяемая при транспорте электронов энергия первоначально запасается в виде упругих стерических деформаций мембраны. Эта конформационная энергия и активирует фермент-субстратный комплекс АТФ-синтетазы. В целом такой процесс напоминает

обращенную реакцию мышечного сокращения, при котором энергия АТФ через структурные перестройки контрактильных белков трансформируется в механическую.

Как и хемиосмотическая, конформационная гипотеза не является окончательно доказанной, хотя в ее пользу и говорят некоторые факты. Конформации белковых носителей окисленных и восстановленных переносчиков различаются между собой. При запускании транспорта электронов в мембранах наблюдаются структурные перестройки митохондрий и хлоропластов, регистрируемые по сокращению их объема. Установлено, что конформационные перестройки хлоропластов происходят только в том случае, если транспорт электронов сопряжен с фосфорилированием. В присутствии ингибиторов фосфорилирования сокращения объема хлоропластов не наблюдается.

В хлоропластах удалось обнаружить ряд так называемых сопрягающих белков без которых синтез АТФ из АДФ и фосфата не возможен. Полагают, что сопрягающие белки участвуют в терминальных стадиях синтеза АТФ и входят в состав мембранных комплексов, ответственных за транслокацию протонов. Так, например, сопрягающий фактор представляет собой белок, состоящий из пяти субъединиц При этом основные функции сопряжения оказались связанными с а- и -субъединицами, формирующими активный центр место связывания АДФ. Характерно, что конформация сопрягающего белка определяется исходным состоянием мембраны хлоропластов. Включение трития в у освещенных (энергизированных) хлоропластов идет более эффективно, чем у хлоропластов, находящихся в темноте.

Анализ последних работ показывает, что в основе функциональной активности лежат индуцированные светом конформационные изменения его отдельных субъединиц. Наиболее вероятно, что подобные перестройки являются следствием структурного перехода в мембране хлоропласта и (или) в переносчиках электронов (свет поглощается хлорофиллом). Постулируется несколько конформационных состояний -состояние, соответствующее находящимся в темноте хлоропластам, и -состояния, возникающие при энергизации хлоропластов (освещение или кислотнотосновные переходы),

состояние, возникающее на свету при добавлении к хлоропластам и -химически модифицированные конформеры

Тем не менее, несмотря на отсутствие однозначной схемы сопряжения транспорта электронов с фосфорилированием, определяющая роль мембран в этом процессе не вызывает сомнения. Действительно, синтез АТФ до сих пор не удалось воспроизвести в растворе при наличии всех необходимых исходных ингредиентов. В то же время самые разнообразные химические и физические воздействия, нарушающие интактную структуру мембран, приводят к разобщению между окислением переносчиков электронов и фосфорилированием.

Подводя итог сказанному, следует подчеркнуть многообразие проявления ведущей роли мембран в работе фотосинтетического аппарата. Практически все стадии фотосинтетического процесса, начиная с поглощения света и кончая образованием стабильных продуктов, контролируются структурным состоянием мембраны. В мембране предусмотрено не только правильное пространственное размещение согласованно взаимодействующих элементов, но и возможность регуляции эффективности как всего процесса в целом, так и отдельных реакций через ее структурное состояние.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление