Молекулярные основы фотосинтеза микроорганизмов

Молекулярные основы
фотосинтеза микроорганизмов.
Оксигенный фотосинтетический
аппарат
Фотосинтез является одним из главных биологических
процессов, обеспечивающих жизнь на планете. В клетках
фотосинтезирующих организмов происходят превращение
световой энергии в химическую, образование
органического вещества из воды и углекислого газа.
Фотосинтезирующие бактерии осуществляют фотосинтез
без выделения кислорода, а растения, водоросли и
цианобактерии способны к оксигенному фотосинтезу, в
процессе которого происходит фотолиз воды с выделением
молекулярного кислорода, необходимого для дыхания
большинства организмов. Оксигенный фотосинтез
осуществляется у растений и водорослей в мембранных
(тилакоидных) структурах хлоропласта специализированной клеточной органеллы.
Таблица 21. Функции пигментов в фотосинтезе
Группы
фотосинтезирую
Светособирающие пигменты
щих эубактерий
хлорофиллы
фикобилипротеи
ны
основные
каротиноиды
Хлорофиллы,
входящие в
состав
реакционного
центра
Пурпурные
бактериохлорофи
лл a или b
Нет
алифатические и
бактериохлорофи
арильные
лл a или b
Зеленые
бактериохлорофи
Нет
арильные и
алициклические
бактериохлорофи
лл a
бактерии
ллы a+с, a+d, a+e
Гелиобактерии
бактериохлорофи
лл g
нет
единственный
алифатический:
нейроспорин
бактериохлорофи
лл g
Цианобактерии
хлорофилл a
фикоцианин,
аллофикоцианин,
фикоэритрин
алициклические
хлорофилл a
Прохлорофиты
хлорофиллы a+b
нет
алициклические
хлорофилл a
бактерии
Таблица 22. Локализация фотосинтетического аппарата в клетках
разных групп эубактерий
Группы
фотосинтезирующих
Компоненты фотосинтетического аппарата
светособирающие пигменты
фотохимические
реакционные центры и
электронтранспортные
системы
ЦПМ и ее производные
ЦПМ и ее производные
ЦПМ и хлоросомы*
ЦПМ
Гелиобактерии
ЦПМ
ЦПМ
Цианобактерии
фикобилисомы и
тилакоиды**
тилакоиды**
Прохлорофиты
тилакоиды
тилакоиды
эубактерий
Пурпурные бактерии
Зеленые бактерии
Рис. 75. Организация фотосинтетического аппарата разных групп эубактерий: А — пурпурные
бактерии; Б — зеленые серобактерии; В — цианобактерии. Хл — хлорофилл; б/хл —
бактериохлорофилл; феоф — феофитин; б/феоф — бактериофитин; ФС — фотосистема; FeS —
железосеросодержащий белок; Фд — ферредоксин; Фп — флавопротеин; ПХ — пластохинон; MX
— менахинон; УХ — убихинон; ПЦ — пластоцианин; b, с, f — цитохромы. Прямоугольниками
обведены компоненты реакционного центра, овалом — компоненты электронного транспорта,
связанные с мембраной. Двойной стрелкой обозначены перемещения электрона в реакционном
центре
•
Цикл Кальвина локализован в строме хлоропластов.В цикл вовлекаются АТФ и НАДФ•Н,
образованные в ЭТЦ фотосинтеза, углекислый газ и вода; основным продуктом являеся
глицеральдегид-3-фосфат. Поскольку АТФ и НАДФ•Н могут образовываться в разных
метаболических путях, цикл не следует рассматривать строго привязанным к световой фазе
фотосинтеза.Общий баланс реакций цикла можно представить уравнением:3 CO2 + 6
НАДФ•Н + 5 H2O + 9 АТФ > C3H5O3-PO3 + 3 H+ + 6 НАДФ+ + 9 АДФ + 8 Фн Две молекулы
глицеральдегид-3-фосфата используются для синтеза глюкозы.Цикл состоит из трёх стадий:
на первой под действием фермента рибулозобисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа
происходит присоединение CO2 к рибулозо-1,5-дифосфату и расщепление полученной
гексозы на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК). На второй 3-ФГК
восстанавливается до глицеральдегид-3-фосфата (фосфоглицеральдегида, ФГА), часть
молекул которого выходит из цикла для синтеза глюкозы, а другая часть используется в
третьей стадии для регенерации рибулозо-1,5дифосфата.КарбоксилированиеКарбоксилирование рибулозо-1,5-бисфосфата (5-углеродное
соединение) осуществляется рубиско в несколько стадий. На первой кетонная группа
рибулозы восстанавливается до спиртовой, между 2 и 3 атомами углерода устанавливается
двойная связь. Полученное соединение нестабильно и именно оно карбоксилируется с
образованием 2-карбокси-3-кето-D-арабитол-1,5-бисфосфата. Его структурный аналог 2карбокси-D-арабитол-1,5-бисфосфат ингибирует весь процесс. Новое, уже 6-углеродное
соединение, также нестабильно и распадается на две молекулы 3-фосфоглицериновой
кислоты (3-фосфоглицерат, 3-ФГА).ВосстановлениеВосстановление 3-фосфоглицериновой
кислоты (3-ФГА) происходит в две реакции.Сначала каждая 3-ФГА с помощью 3фосфоглицераткиназы и с затратой одной АТФ фосфорилируется, образуя 1,3бисфосфоглицериновая кислота (глицерат-1,3-бисфосфат).Затем под действием
глицеральдегид-1,3-фосфатдегидрогеназы бисфосфоглицериновая кислота
восстанавливается НАД(Ф)•H (у растений и цианобактерий; у пурпурных и зелёных
бактерий восстановителем является НАД•H) параллельно с отщеплением одного остатка
фосфорной кислоты. Образуется глицеральдегид-3-фосфат (фосфоглицеральдегид, ФГА,
триозофосфат). Обе реакции обратимы.РегенерацияНа последней стадии 5 молекул
глицеральдегид-3-фосфатов превращаются в три молекулы рибулозо-1,5бисфосфата.Вначале под действием трифосфат-изомеразы глицеральдегид-3-фосфат
изомеризуется в дигидроксиацетон-фосфат. Фруктозабисфосфат-альдолаза объединяет их в
фруктозо-6-фосфат с отщеплением остатка фосфорной кислоты. Затем следует ряд реакций
перестройки углеродных скелетов и образуется рибулозо-5-фосфат. Он фосфорилируется
фосфорибулокиназой и рибулозо-1,5-бисфосфат регенерируется.
Цикл кальвина
Растения используют энергию солнца в крошечные фабрики
энергии, которая называется хлоропластов . Использование
хлорофилла в процессе фотосинтеза , они преобразуют энергию
солнца в сохраняемых в форме приказали сахара молекулы, такие
как глюкоза . Таким образом, углекислый газ из воздуха и воды из
почвы в более неупорядоченное состояние объединяются в более
упорядоченное молекулы сахара.
Углекислый газ захватывается в цикл реакций известны как цикл
Кальвина или Кальвина-Бенсона цикла после его
первооткрывателей. Он также известен просто как C 3 цикла. Те
растения, которые используют всего цикла Кальвина для
фиксации углерода известны как растения C3 . Углекислый газ
диффундирует в строме хлоропластов и в сочетании с пятиуглеродные сахара, ribulose1 ,5-бифосфат ( RuBP ). Фермента,
который катализирует эту реакцию называют RUBISCO , большая
молекула, которая может быть наиболее распространенных
органических молекул на Земле. Это катализируемой реакции
образуется 6-углеродные промежуточные который распадается
почти сразу же с образованием двух молекул 3-углеродные
соединения 3-фосфоглицериновой кислоты ( 3PGA ). Тот факт,
что этот 3-углеродные молекулы является первым стабильным
продуктом фотосинтеза приводит к практике вызова этого цикла
C 3 цикла.
Фруктозо-1,6-дифосфат(эфир Гарден — Ионга, ФДФ) — продукт энзиматического
окисления глюкозы, важнейший интермедиат гликолиза. Образуется в ходе
фосфофруктокиназной реакции из фруктозо-6-фосфата с использованием энергии
аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Фактически эта реакция является лимитирующей
в скорости протекания гликолиза и её регуляция определяет интенсивность гликолиза в
целом. Способность к образованию и метаболизму фруктозо-1,-6-дифосфата различна в
разных органах млекопитающих.
Дальнейшее превращение фруктозо-1,6-дифосфата происходит под влиянием фруктозо-1,6-бифосфатазы/альдолазы, катализирующий превращение фруктозе-1,6-дифосфата
(бисфосфата) в дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Фруктозо-1,6дифосфат является активатором фосфофруктокиназы, стимулируя таким образом
гликолитический путь образования АТФ. В механизме взаимодействия фруктозо-1,6дифосфата с энзимами следует придерживаться теории динамической
микрокомпартметализации метаболитов в клетке и взаимного влияния ферментов между
собой.
При высоких концентрациях фруктозо-1,6-бисфосфата, альдолаза вследствие
увеличения субстратной активности способна образовывать комплекс с
глицеральдегидфосфатдегидрогеназой, при этом увеличивается тропность
фосфофруктокиназы к фруктозо-1,6-бифосфатазе, что способствует изменению
агрегационного состояния ферментов и проявлению высокой активности. При
снижении концентрации фруктозо-1,6-бисфосфата для альдолазы более
предпочтительным оказывается образование комплекса с 6фосфофруктокиназой, что изменяет агрегационное состояние и, следовательно,
энзиматическую активность ферментов расположенных ниже по ходу реакции,
в частности, глицеральдегидфосфатдегидрогеназы.
ЦИКЛ КРЕБСА (цикл лимонной и трикарбоновой кислот), система
биохимических реакций, посредством которой большинство
организмов ЭУКАРИОТОВ получают основную энергию в результате
окисления пищи. Происходит в КЛЕТКАХ МИТОХОНДРИЙ. Включает
несколько химических реакций, в результате которых
высвобождается энергия. Этот процесс называется системой
ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ по аналогии с переходом
АДЕНОЗИНТРИФОСФАТА (АТФ) в АДЕНОЗИН ДИФОСФАТ (АДФ).
АТФ обеспечивает реакции МЕТАБОЛИЗМА химической энергией.
Цикл Кребса важная часть процесса ДЫХАНИЯ и ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
клетки. Назван по имени Ханса КРЕБСА.
Цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты, — основной по отношению к
реакциям, которые происходят в результате окисления пищи для
обеспечения энергией митохондрий жи-вых организмов. Энергию по
лучают из глюкозы в результате гликолиза, конечным продуктом чего
является пируват (пировйноградная кислота), который преобразуется в
ацетил коэнзим А, который, в свою очередь, преобразуется в ли монную
кислоту. В результате реакций, катализаторами которых являются энзимы,
пируват расщепляется на воду и углекислый газ. Энергия, производимая в
виде аденозинтрифос-фата (АТФ), преобразуется в аденозиндифосфат
(АДФ) В to же время в течение серии окис лительных реакций, известных
как электронная транспортам система, большая часть энпр гии
накапливается в виде мо лекул АТФ.
ЦИКЛ КРЕБСА
цикла Арнона
• У зеленых серобактерий обнаружен циклический механизм фиксации
СО2, в основе которого лежат реакции восстановительного
карбоксилирования органических кислот. Он получил название
восстановительного ЦТК, или цикла Арнона ( рис. 76 ). В этом цикле
углекислота фиксируется в четырех ферментативных реакциях, две из
которых идут при участии фотохимически восстановленного
ферредоксина , а одна - таким же путем образованного НАД*Н2 . В
результате одного оборота цикла из 4 молекул СО2 , 10 [Н] с
использованием энергии (3 молекулы АТФ ) синтезируется молекула
ЩУК - конечный продукт цикла.
• Описан и более короткий вариант цикла, в результате которого
фиксируются 2 молекулы СО2 с использованием для их
восстановления 8 [Н] и энергии в форме АТФ. Конечным продуктом в
этом случае является ацетат в виде ацетил-КоA , использующийся для
построения веществ клетки.
Прежде всего все реакции, в которых происходит фиксация
СО2 в цикле, функционируют как механизмы
хемогетеротрофной фиксации СО2 или аналогичны им ( табл.
Поэтому собственно реакции фиксации СО2 принципиально
не новы, они заимствованы из гетеротрофного метаболизма.
Шагом вперед можно считать создание определенной
последовательности ферментативных реакций, замыкающихся
в цикл.
• Фиксация СО2 по механизму, обнаруженному Д.Арноном
(D.Arnon) с сотрудниками, не получила широкого
распространения среди фотосинтезирующих эубактерий.
По этому пути СО2 фиксируется у зеленых серобактерий .
(Восстановительный ЦТК, возможно, функционирует у
водородной бактерии Hydrogenobacter thermophilus ,
некоторых сульфатвосстанавливающих эубактерий,
архебактерии Sulfolobus brierlyi и гелиобактерий .
К фотосинтезирующим бактериям — фототрофам — относятся
цианобактерии (сине-зеленые водоросли), пурпурные и зеленые
бактерии, а также некоторые архебактерии.
Цианобактерии — различные многоклеточные нитчатые и
одноклеточные организмы, среди них есть подвижные формы, которые
передвигаются с помощью скольжения. У цианобактерии, как и у
растений, фотосинтез осуществляется с помощью хлорофилла и
.
сопровождается выделением свободного кислорода
Архебактерии (экстремальные галофилы) осуществляют особую форму
фотосинтеза. У них вместо хлорофилла в фотосинтезе участвует особый
пигмент — бактериородопсин (комплекс каротиноида ретиналя с
белком), который под влиянием света претерпевает фотохимические
превращения, непосредственно сопряженные с синтезом АТФ.
Пурпурные и зеленые бактерии содержат различные по составу
хлорофиллы (бактериохлорофиллы а, b, с, d и е) и каротиноиды.
Большинство зеленых бактерий — мелкие, неподвижные
грамотрицательные палочки. Пурпурные бактерии представлены
грамотрицательными палочками, кокками или спириллами и часто
имеют жгутики. У пурпурных бактерий хлорофилл замаскирован
пурпурно-красным или коричневым пигментом, а
фотосинтезирующий аппарат заключен в клеточную мембрану, у
зеленых — в клеточную мембрану или в специальные органеллы —
хлоробиум-везикулы, локализованные в цитоплазме или мембране.
Некоторые пурпурные и зеленые бактерии в качестве донора
электронов используют серу и другие ее неорганические соединения
(тиосульфат, сульфит). Все они являются обитателями водоемов, где
имеются наиболее благоприятные для них сочетания анаэробных
.
условий, света и источников питания
Большинство исследований фотосинтеза осуществляется на
изолированных фотосинтетических системах: на отдельных
изолированных фотосинтетических комплексах либо на препаратах
изолированных тилакоидов (или на хлоропластах класса Б). Однако
для изучения регуляции световых стадий фотосинтеза и
взаимодействие между разными биохимическими системами
фотосинтезирующей клетки необходимо исследование интактных
фотосинтетических систем. Одной из наиболее удобных интактных
фотосинтетических систем оксигенного типа являются клетки
цианобактерий.
Основной целью данной работы является изучение электронного и
протонного транспорта в фотосинтетических системах оксигенного
типа, в особенности — интактных, а также исследование
возможностей применения ряда имидазолиновых и
имидазолидиновых кислорои pH-чувствительных спиновых меток для
изучения световых стадий фотосинтеза.
фотосинтетических и дыхательных мутантов цианобактерий
Synechocystis sp.
Различают оксигенного и аноксигенный типы фотосинтеза. Оксигенного
наиболее распространенный, его осуществляют растения, цианобактерии
и прохлорофиты. Значение фотосинтеза проходит в пурпурных, деких
зеленых бактерий гелиобактериях.
Выделяют три этапа фотосинтеза: фотофизический, фотохимический и
химический. На первом этапе происходит поглощение квантов света
пигментами, их переход в возбужденное состояние и передача энергии к
другим молекулам фотосистемы. На втором этапе происходит разделение
зарядов в реакционном центре, перенос электронов по фотосинтетической
электронотранспортной цепи, что заканчивается синтезом АТФ и
НАДФН. Первые два этапа вместе называют светозависимой стадией
фотосинтеза. Третий этап происходит уже без обязательного участия света
и включает биохимические реакции синтеза органических веществ с
использованием энергии, накопленной на светозависимой стадии.
Свет для фотосинтеза захватывается более полно благодаря
плоской форме листа, обеспечивающей большое отношение
поверхности к объему. Вода доставляется из корня развитой
сети сосудов (жилок листа). Углекислый газ поступает отчасти
посредством диффузии через кутикулу и эпидермис, однако
большая его часть диффундирует в лист через устьица и по
листу через межклеточное пространство. Растения,
осуществляющие С 4 и CAM фотосинтез сформировали особые
механизмы для активной ассимиляции углекислого газа.
Внутреннее пространство хлоропласта заполнено
бесцветным содержимым(стромой) и пронизано
мембранами (ламеллами), которые, соединяясь друг с
другом, образуют тилакоиды, которые в свою очередь
.
группируются в стопки, называемые грани
Внутритилакоидное пространство отделено и не
сообщается с остальной стромой, предполагается также,
что внутреннее пространство всех тилакоидов
сообщается между собой. Световые стадии фотосинтеза с
мембранами, автотрофная фиксация углекислого газа
происходит в строме.
В хлоропластах имеются свои ДНК, РНК, рибосомы (70S типа), идет синтез
белка(хотя этот процесс и контролируется из ядра). Они не синтезируются
вновь, а образуются путем деления предшествующих. Все это позволило считать
их предшественниками свободных цианобактерий, вошедших в состав
эукариотической клетки в процессе симбиогенеза.
Цианобактерии и другие фотосинтетизуючи бактерии и археи, таким образом,
сами являются хлоропластом, и их клетке фотосинтетический аппарат не вынесен
в особую органеллы. Их тилакоиды, однако, не образуют стопок, а формируют
различные складчатые структуры (в одной цианобактерии Gloeobacter
violaceusтилакоиды отсутствуют вовсе, а весь фотосинтетический аппарат
находится в цитоплазматической мембране, не создает углублений). У них и у
растений также есть различия в светособирающем комплексе и пигментном.
Световая (светозависимая) стадия.
• В ходе световой стадии фотосинтеза образуются
высокоэнергетические продукты: АТФ, служащий в клетке
источником энергии, и НАДФН, использующийся как
восстановитель. В качестве побочного продукта выделяется
кислород. В общем роль световых реакций фотосинтеза
заключается в том, что в световую фазу синтезируются молекула
АТФ и молекулы-переносчики протонов, то есть НАДФ Н2.
• Оксигенный фотосинтетический аппарат
• Фотосинтетический аппарат имеет сложную
многоуровневую систему регуляции, которая должна
обеспечивать эффективное использование энергии
света, а также сопряжение световых и темновых
процессов фотосинтеза. Существует целая иерархия
регуляционных механизмов, зависящих от
физиологического состояния и изменений среды,
которые условно можно разделить на «медленные» и
«быстрые». «Медленные» предполагают перестройку и
изменение структуры хлоропласта и его компонентов,
их действие связано с включением генетического
аппарата и синтезом новых белков, для чего требуется
определенное время (минуты, часы). Эти процессы
зависят от работы регуляторных белков, которые
активируются под действием света.
• Механизмы «быстрой» регуляции, ответственные за
динамические изменения в функционировании
отдельных участков фотосинтетической цепи, с
синтезом белка не связаны. Они основаны на
изменениях констант взаимодействия переносчиков,
например, вследствие изменения их конформации, и
направлены на недопущение перевосстановленности
ЭТЦ при высоких освещенностях. Из результатов
исследований последних лет, проводимых на кафедре
биофизики, можно предполагать, что следствием
наличия гибкой системы регуляции является защита
от окислительных повреждений, а целью быстрой
регуляции электронтранспортных процессов
фотосинтеза — создание оптимального состояния ЭТЦ,
когда нет избытка или недостатка электронов на
определенных ее участках, что позволяет защитить
фотосинтетические мембраны от фотодеструкции.
• Наличие большого числа акцепторов электронов открывает
дополнительные возможности для регуляции электронного потока
и систем ассимиляции СО2 и азота, что необходимо для
обеспечения процессов синтеза белка в хлоропласте. Кроме того,
существование альтернативных путей сброса электронов
препятствует «перевосстановлению» компонентов, поддерживая их
в определенном редокс-состоянии.
• Существует несколько механизмов, защищающих
фотосинтетические мембраны от фотоповреждения. Важную роль
играет нефотохимическое тушение возбужденных состояний
хлорофилла, этот механизм связан с образованием
трансмембранного ΔрН, а также работой виолоксантинового цикла.
Вся не использованная в фотосинтезе энергия поглощенных
квантов света рассеивается в виде тепла или излучается в виде
флуоресценции. Увеличение рассеивания энергии в виде тепла
уменьшает количество актов разделения зарядов в РЦ и,
соответственно, приводит к уменьшению потока электронов в ЭТЦ.
• Подавляющая часть флуоресценции, наблюдаемой при
изучении листьев высших растений или суспензий
зеленых водорослей, генерируется в ФС II. В
настоящее время параметры флуоресценции широко
используются в фундаментальных и прикладных
исследованиях как показатель состояния и
эффективности функционирования
фотосинтетического аппарата. Основная идея состоит
в том, что уменьшение эффективности запасания света
в фотосинтезе приводит к увеличению интенсивности
флуоресценции. Изменения состояния
фотосинтетического аппарата сопровождаются
изменением вероятности тушения энергии
электронного возбуждения молекул хлорофилла, что и
проявляется в изменении квантового выхода и
времени затухания флуоресценции.