Текст книги "Медицинская биология: конспект лекций для вузов"

Вопрос 85. Фотосистемы I и II. Линейный (нециклический) фотоперенос электронов. Фотолиз воды и фотофосфорорилирование

1. Фотосистемы в тилакоидных мембранах

В тилакоидных мембранах молекулы пигментов расположены вместе с белками и другими компонентами в двух различных комплексах – фотосистеме I и фотосинстеме II (ФСI и ФСII). Каждая фотосистема содержит, во-первых, 1 молекулу «пигмента реакционного центра» (ПРЦ, хлорофилл А), которая после поглощения света (возбуждения) выполняет фотохимическую работу (перенос электронов), и, во-вторых, множество молекул «пигментов-антенн», или «коллекторов» (хлорофиллы А и В, каротиноиды), передающих поглощенную энергию ПРЦ и возбуждающих его. ФСI имеет в качестве ПРЦ пигмент-700 (хлорофилл А1): две молекулы хлорофилла, которые благодаря взаимодействию диполь—диполь возбуждаются легче, чем хлорофилл-мономер. ПРЦ в ФСII представляет собой пигмент-680 (хлорофилл А2). ФСII содержит особенно много хлорофилла В. Фотохимическая работа пигмента реакционного центра осуществляется следующим образом: возбужденная молекула пигмента (ХЛ) отдает валентный электрон акцептору электронов с отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом (ОВП); образующийся при этом пигментный катион (ХЛ+) отнимает электрон от донора электронов с положительным ОВП. Таким образом, электроны переходят с более низкого энергетического уровня на более высокий против градиента ОВП: ФСI переводит электроны с Е’О+0,4В на Е’О-0,4В (фотореакция I), а ФСII – с Е’О+0,8В на Е’О-0,15В (фотореакция II).

2. Цепь электронов

Цепь транспорта электронов идет от Н2О через обе фотосистемы к NADP. В фотореакции II (в ФСII) и фотореакции I (в ФСI) электроны последовательно два раза поднимаются «в гору», каждый раз за счет энергии одного кванта света (эндергонические процессы); на промежуточном этапе они спускаются «под гору» (экзергонический процесс), при этом образуется АТР. Донор электронов Н2О отдает электроны переносчику электронов Z (Mn-протеиду), от которого они через пигмент-680 переходят к акцептору электронов в ФСII – «гасителю» Q неизвестной химической природы (фотореакция II). Следующий переносчик электронов пластохином (Pq) в химическом и функциональном отношении сходен с убихиноном и, так же как и последний, растворен в липидной фазе мембраны. Далее идет цитохром-В559-железопорфирин. Как и все цитохромные, он является еще компонентом частиц ФСII, тогда как цитохром f и, вероятно, пластоциамин (Pc-Cu-протеид, переносящий электроны) находятся в электронотранспортных частицах тилакоидной мембраны. От Pc электроны через пигмент-700 передаются еще неизвестному акцептору электронов в ФСI – веществу Х (фотореакция I) и далее ферредоксину (Fd-белку, содержащему железо и серу), приобретая весьма высокую энергию, так как Fd обладает чрезвычайно низким окислительно-восстановительным потенциалом. Флавопротеид в качестве кофермента осуществляет затем перенос электронов на NADP. К описанной линейной цепи фотопереноса электронов относится еще ряд компонентов неизвестной химической природы.

3. Линейный фотоперенос

При линейном фотопереносе электронов используются кванты света и Н2О. В результате отрыва электронов под действием света (фотоокисление) соответствующие молекулы воды распадаются, образуя протоны и О2. Этот кислород, освобождающийся при фотосинтезе, происходит из Н2О, а не из СО2: 2Н2О свет 4е + 4Н⁺+О2. Линейный фотоперенос электронов поставляет два продукта: АТР и NADP х Н + Н⁺. Освобождение протонов при фотолизе Н2О уравновешивается использованием их при образовании NADP х Н + Н⁺.

4. Хемиосматическая гипотеза

Согласно хемиосмотической гипотезе, фотосинтетическое образование АТР происходит с помощью протонного насоса. Pq, Fd и NADP переносят не только электроны, но и водород (е^- + Н⁺). Таким образом, протоны используются при восстановлении Pq и Fd и освобождаются при окислении Н2О и Pq. Окислительно-восстановительные системы, по-видимому, расположены в тилакоидных мембранах, так что потребление Н⁺ происходит на внешней стороне, а освобождение – внутри тилакоидов; это протонный насос, приводимый в действие электронами. Создающийся при этом градиент концентрации протонов заставляет мембранную АТРазу синтезировать АТР. Мембранная АТРаза состоит из двух субъединиц CF0 и CF1.

Вопрос 86. Превращение веществ при фотосинтезе (темновой процесс)

1. Цикл Кальвина

В темновом процессе при использовании продуктов светового процесса (NADP х Н и АТР) из СО2 синтезируется углевод. В расчете на 1 молекулу СО2 (или О2) имеем СО2+2[Н2] + энергия АТР > (СН2О) + Н2О или подробнее: СО2+2(NADP x Н +Н⁺) + 3АТ Р > (СН2О) + 2NADP⁺ + Н2О +3(АДР + фосфат), где (СН2О) означает 1/6 молекулы глюкозы.

Цикл Кальвина – главный путь ассимиляции СО2 – циклический процесс, в который вводится СО2 и из которого выходит углевод. Процесс можно разделить на три фазы:

• I. Фаза карбоксилирования СО2, когда последний, связываясь с рибулозобисфосфатом (фосфатом сахара с пятью атомами С), образует две молекулы фосфоглицерата. Эту реакцию катализирует рибулозобисфосфат-карбоксилаза.

• II. Фаза восстановления. Фосфоглицерат при участии NADP х Н (восстановитель) и АТР (донор энергии) восстанавливается до 3-фосфоглицеральдегида. Эта последовательность реакций представляет собой обращение окислительных этапов гликолиза.

2. Фаза регенерации

III. Фаза регенерации. Каждая шестая молекула фосфоглицеральдегида выходит из цикла, и из этого вещества образуется фруктозо-1,6-бисфосфат; из последнего в свою очередь синтезируются глюкоза, сахароза крахмал и т. д. Из остальных молекул фосфоглицеральдегида при участии новых молекул АТР регенерируется рибулозобисфосфат; в качестве промежуточных продуктов образуются различные фосфаты сахаров. С окончанием этой фазы цикл замыкается. Ферменты цикла находятся в строме хлоропласта, а рибулозобисфосфат-карбоксилаза – также на наружной стороне тилакоидных мембран. Путь С4-дикарбоновых кислот встречается, в частности, у многих тропических и субтропических растений. Он не заменяет, а лишь дополняет цикл Кальвина. В листьях этих растений вокруг обкладки сосудистого пучка, в клетках которой осуществляется цикл Кальвина, лежат клетки мезофилла, где ассимиляция идет по другому пути. Первые продукты ассимиляции СО2 имеют здесь 4 атома углерода, поэтому такие растения называют «С4-растениями», в отличие от всех остальных С3-растений, у которых первый продукт ассимиляции – глицерат (С3).

3. Образование оксалоацетата

При С4-пути СО2 в мезофилле присоединяется к фосфоенолпирувату с образованием С4-дикарбоновой кислоты – оксалоацетата. Это нестабильное вещество стабилизируется путем восстановления (с помощью NADP) до малата (яблочной кислоты). Малат переходит в клетки обкладки сосудистого пучка, где в результате его окислительного декарбоксилирования образуются СО2 и NADP х Н для цикла Кальвина. Получаемый при этом пируват возвращается в клетки мезофилла, фосфорилируется в фосфоенолпируват, и С4-путь замыкается. У некоторых С4-растений малат заменен аспартатом (аспарагиновой кислотой).

Обе ткани обмениваются и другими промежуточными продуктами. Например, фосфоглицерат, синтезируемый в фазе карбоксилирования цикла Кальвина в клетках обкладки, попадает в клетки мезофилла и там восстанавливается до фосфоглицеральдегида. При благоприятных для роста условиях тропиков и субтропиков С4-путь позволяет достичь наивысшей продуктивности фотосинтеза (например, у сахарного тростника, кукурузы, проса). Это отчасти связано с тем, что карбоксилирующий фермент фосфоенолпируват-карбоксилаза более эффективен, чем рибулозобирофосфат-карбоксилаза цикла Кальвина: карбоксилированиефосфоенолпирувата даже при минимальной концентрации СО2 происходит очень интенсивно, в результате в обкладке сосудистого пучка накапливается большие количества СО2 и ускоряют цикл Кальвина. Высокая продуктивность здесь связана с большой затратой энергии (большая потребность в свете!). При таком пути ассимиляции нужны дополнительно 2 моля АТР на 1 моль СО2, так как фосфорилирование пирувата – процесс эндергонический и требует затраты 2 молей АТР. Для С4-растений оптимальная температура фотосинтеза составляет 30–45°С, а для С3-растений – 15–25°С.

4. Фотодыхание

Фотодыхание (световое «дыхание») – побочный путь фотосинтеза, который сопровождается потреблением О2 и освобождением СО2, но, в отличие от дыхания, он не ведет к синтезу АТР. Чем меньше концентрация СО2 и чем выше кон центрация О2 в ткани, тем больше наряду с обычной функцией рибулозобисфосфат-карбоксилазы (рибулозобисфосфат + СО2 > 2фосфоглицерат + Н2О) проявляется ее вторая функция: рибулозобисфосфат + О2 > фосфоглицерат + фосфогликолат. Фосфогликолат дефосфорилируется в хлоропластах. Гликолат выделяется, окисляется в пероксисомах до глиоксилата и далее превращается в глицин, а из глицина в митохондриях может синтезироваться серин:

• Фосфогликолат + Н2О > Гликолат + фосфат (хлоропласты)

• Гликолат + О2 > Глиоксилат + Н2О2 (пероксисомы)

• Глиоксилат + [NH3] > Глицин (пероксисомы)

• 2Глицин > Серин + NH3 + CO2 (митохондрии)

Фотодыхание поставляет важнейшие аминокислоты – глицин и серин. Однако часть серина может возвращаться в хлоропласты в виде глицерата после превращения в пероксисомах, а затем в виде фосфоглицерата поступать в цикл Кальвина. При этом циклическом процессе С3-растения могут терять до 50 % ассимилированного СО2. У С4-растений фотодыхание минимально, прежде всего из-за высокой концентрации СО2, которая и обусловливает С4-путь в обкладке сосудистого пучка, где рибулозобисфосфат-карбоксилаза может способствовать образованию фосфогликолата (фотодыхание).

Вопрос 87. Хемосинтез. Гетеротрофная ассимиляция. Обмен жиров и белков

1. Характеристика хемосинтеза

Помимо фотосинтеза существует еще одна форма автотрофной ассимиляции – хемосинтез, свойственный некоторым бактериям. В отличие от фотосинтеза, источником энергии здесь служит не свет, а окисление неорганических веществ. Хемосинтез, как и фотосинтез, включает преобразование энергии и вещества. При превращении веществ из СО2 образуются (в основном таким же путем, как при фотосинтезе) органические ассимиляты, в частности углеводы. Необходимые для этого продукты преобразования энергии те же, что и при фотосинтезе: используемый для восстановления водород (в форме АТР). Они же получаются в результате окисления неорганических веществ, например Н2S.

Часть электронов, отнятых у неорганических веществ (окисление!), переносится на NAD (например, H2S + NAD ± S + NAD x H + Н⁺) и используется при превращении веществ для восстановления. Другая часть через цепь транспорта электронов направляется к кислороду и доставляет энергию для синтеза АТР, подобно тому как это происходит в цепи дыхания.

2. Гетеротрофная ассимиляция

Гетеротрофные клетки должны потреблять в качестве пищи органические вещества. Гетеротрофная ассимиляция сводится в основном к процессам перестройки молекул. Например, поглощаемые белки расщепляются до аминокислот, из которых вновь синтезируются белки, свойственные данному организму. Необходимую для этого энергию доставляют процессы диссимиляции. При высокой способности к перестройке веществ (многообразии путей метаболизма, как, например, у многих плесневых грибов) организму достаточно одного-единственного органического вещества, чтобы синтезировать все необходимые соединения. При этом представители различных классов веществ превращаются друг в друга: аминокислоты в углеводы, углеводы в жиры и т. д. В отличие от этого большинство других организмов из-за ограниченной способности к синтезу должны получать совершенно определенные (так называемые незаменимые) органические вещества, например аминокислоты. Обмен веществ у гетеротрофных клеток в основном катаболический, так как ассимиляция у них включает и ката-, и анаболические реакции, а диссимиляция – только катаболические. В автотрофных клетках в связи с питанием неорганическими веществами преобладают анаболические реакции – приблизительно в той же мере, в какой ассимиляция преобладает у них над диссимиляцией.

3. Биосинтез жиров

Жиры – отличные субстраты для дыхания. Они гидролизуются до глицерина и жирных кислот. Глицерин превращается в дигидроксиацетонфосфат, используемый в процессе гликолиза. Жирные кислоты в процессе окисления постепенно расщепляются до ацетильных остатков, которые в форме ацетил-СОА поступают в цикл лимонной кислоты: С17Н35СООН+9СОА-SH+7Н2О > 9СОА-S ~CoxCH3+16[Н2].

Биосинтез жирных кислот начинается с ацетил-СОА (но идет не по тому пути, по которому они расщепляются), а биосинтез глицерина – с дигидроксиацетонфосфата. Белки расщепляются протеазами. Освобождающиеся 20 различных а инокислот в случае, если они не используются для синтеза новых белков, различными путями распадаются и в конце концов превращаются в пируват, ацетил-СОА и промежуточные продукты цикла лимонной кислоты (альфа-кетоглутарат, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат).

Продукты расщепления аминокислот могут также использоваться для синтеза углеводов (глюконеогенез) или выделяться в органической форме.

Микроорганизмы и растения способны синтезировать все 20 аминокислот. Пути синтеза их углеродных скелетов ответвляются от процессов ассимиляции или диссимиляции. По исходному веществу аминокислоты подразделяются на ряд групп.

Аминогруппы образуются из поглощенного азота, чаще всего неорганического.

Вопрос 88. Регуляция активности ферментов

1. Характеристика регуляции

Многообразные пути и реакции обмена веществ должны быть координированы между собой. Это упорядоченное протекание метаболических процессов достигается путем регуляции. Сюда относится и приспособление метаболизма к условиям внешней среды, особенно поразительное у гетеротрофных микроорганизмов, у которых обмен веществ зависит от типа имеющихся питательных веществ. Ферменты как катализаторы обменных реакций играют в этом регулировании ключевую роль.

2. Виды внутриклеточной регуляции

Существуют следующие виды внутриклеточной регуляции:

• регуляция метаболитами, связанная с изменениями концентраций метаболитов (промежуточных продуктов обмена) без изменения количеств ферментов и их активности;

• ферментная регуляция, связанная с изменениями активности ферментов без изменения их количеств: регулирующие факторы воздействуют на ферментные молекулы;

• генная регуляция, связанная с изменением количества ферментов: регулирующие факторы влияют на биосинтез или разрушение ферментов.

• ферментная и генная регуляция используется не для всех ферментов; она наиболее эффективна для тех из них, которые лимитируют скорость определенных процессов или действуют около мест разветвления метаболических путей.

3. Ферменты, лимитирующие скорость

Ферменты, лимитирующие скорость, – это такие ферменты, которые действуют на самом первом этапе того или иного пути и поэтому ограничивают скорость всего процесса. Например, скорость гликолиза лимитирует фосфофруктокиназа – фермент, превращающий фруктозо-6-фосфат (путем его фосфолирирования) в фруктозо-1,6-бисфосфат. В местах разветвления метаболических путей ферменты, с которых начинаются различные пути от одного субстрата, конкурируют между собой. Например, от пирувата мультиферментный комплекс пируватдегидрогеназы ведет через ацетил-СОА к циклу лимонной кислоты, а другие ферменты – к биосинтезу аминокислот аланина, валина и лейцина. Замедление одного пути, обусловленное регуляцией, приводит к ускорению другого пути, так что основное направление метаболизма изменяется.

Особенно важные ферменты контролируются обычно несколькими различными механизмами; так обстоит дело, например, с комплексом пируватдегидрогеназы и фосфофруктокиназой. Регуляция обмена веществ направлена на его рационализацию, она создает селективные преимущества в эволюции.

4. Процессинг белков – предшественников пропротеинов

Пропротеины представляют собой неактивные белки, из которых в результате ферментативного отщепления части молекулы образуется функционирующий белок, например гормон инсулин из проинсулина. Если речь идет о ферменте, то белок-предшественник называют проферментом (зимогеном). Например, профермент трипсиноген из поджелудочной железы превращается в тонкой кишке в активный расщепляющий белки пищеварительный фермент трипсин благодаря тому, что фермент энтерокиназа отщепляет 6 аминокислотных остатков от конца цепи. В результате этого новая концевая группа изолейцин – валин становится частью каталитического центра и делает белок ункционально активным. Таким образом, при процессинге белка-предшественника фермент активируется с помощью второго фермента, играющего роль регулятора.

У различных ферментов активность изменяется при ковалентном обратимом присоединении фосфата. Такое фосфорилирование осуществляют протеинкиназы с помощью АТР (белок + АТР > фосфорилированный белок + АДР), а дефосфорилирование – фосфатазы (фосфорилированный белок > белок + фосфат). Примеры таких ферментов: а) фосфорилаза А, которая играет важную роль в обмене углеводов в печени и мышцах и фосфоролитически отщепляет глюкозо-1-фосфат от гликогена; б) упомянутый выше комплекс пируватдегидрогеназы.