Метаболизм Фотосинтез

Метаболизм. Энергетика

Фотосинтез: световые реакции

Наиболее важным источником энергии почти для всех живых существ является солнечный свет. Энергия света в процессе фотосинтеза используется для синтеза органических соединений из CO2 и воды. Благодаря деятельности фотоавтотрофных организмов (растений, водорослей, определенных бактерий) становится возможным существование гетеротрофных организмов (например, животных), питание которых состоит из органических веществ (см. с. 114). Жизненно необходимый для высших организмов атмосферный кислород также поступает в атмосферу преимущественно благодаря фотосинтезу.



А. Фотосинтез: общие сведения

Химический баланс фотосинтеза выглядит предельно просто: из 6 молекул CO2 строится молекула гексозы (на схеме справа). Необходимый для этого процесса восстановления водород берется из воды; образующийся в ходе фотосинтеза молекулярный кислород является всего лишь побочным продуктом (на схеме слева). Процесс нуждается в энергии света, так как вода очень плохой восстановитель и не способна восстанавливать CO2.

В светозависимой части фотосинтеза, «световой реакции», происходит расщепление молекул H2O с образованием протонов, электронов и атома кислорода. Электроны, «возбужденные» энергией света, достигают уровня энергии, достаточного для восстановления НАДФ+ (NADP+), Образующийся НАДФ + Н+, в противоположность H2O, является подходящим восстановителем для «фиксации» CO2, т. е. для перевода диоксида углерода в органическое соединение. В световой реакции также образуется АТФ (АТР), который также необходим для фиксации CO2. Если в системе присутствуют НАДФН + Н+, АТФ и соответствующие ферменты, фиксация CO2 может протекать также в темноте; такой процесс называется «темновой реакцией».


Возбуждение электронов для образования НАДФН это сложный фотохимический процесс, в котором участвует хлорофилл зеленый, содержащий ионы Mg2+ тетрапиррольный пигмент, несущий дополнительно остаток фитола.

Б. Световые реакции

В зеленых водорослях и высших растениях фотосинтез происходит в хлоропластах. Это органеллы, которые, подобно митохондриям, окружены двумя мембранами и содержат собственную ДНК. Во внутреннем пространстве, строме, находятся тилакоиды, уплощенные мембранные мешки, которые будучи сложены стопками образуют граны. Внутреннее содержимое тилакоида называют люменом. Световые реакции катализируются ферментами тилакоидной мембраны, в то время как темновые реакции происходят в строме.


Как и в дыхательной цепи (см. с. 142) в световых реакциях электроны переносятся по электронтранспортной цепи от одной окислительно-восстановительной системы к другой. Однако по сравнению с дыхательной цепью в этом случае электроны движутся в противоположном направлении. В дыхательной цепи электроны переносятся с НАДН на О2 с образованием воды и выделением энергии, а при фотосинтезе электроны переносятся с воды на НАДФ+ при затрате энергии. Таким образом, фотосинтетический перенос электронов в энергетическом отношении подобен «подъему в гору». Возбуждение электронов за счет энергии поглощенного света происходит в двух реакционных центрах (фотосистемах). Это белковые комплексы, содержащие множество молекул хлорофилла и других пигментов (см. с. 132). Другим компонентом транспортной цепи является комплекс цитохрома b/f агрегат интегральных мембранных белков, содержащий два цитохрома (b563 и f). Функции мобильных переносчиков электронов выполняют подобный убихинону пластохинон и два растворимых белка медьсодержащий пластоцианин и ферредоксин. В конце цепи находится фермент, который переносит электроны на НАДФ+.


Так как фотосистема II и комплекс цитохрома b/f передают протоны от восстановленного пластохинона в люмен, фотосинтетический электронный транспорт формирует электрохимический градиент (см. с. 128), который используется АТФ-синтазой для образования АТФ. Как АТФ, так и НАДФН + Н+, необходимые для темновой реакции, образуются в строме.




Метаболизм. Энергетика

Фотосинтез: темновые реакции




А. Фотосистема II


Фотосинтетический перенос электронов у растений начинается с фотосистемы II (ФС II, см. с. 130). ФС II состоит из множества белковых субъединиц (окрашены в коричневый цвет), которые содержат связанные пигменты, т. е. молекулы красителей, участвующие в поглощении и передаче энергии света. На схеме приведены лишь наиболее важные пигменты, в числе которых специальный светопоглощающий хлорофилл (реакционный центр P680 ). Соседний феофитин (хлорофилл, не содержащий ионов Mg2+) и два связанных пластохинона (QA и QB). Третий хинон (QP) связан не с ФС II, а принадлежит к пластохиноновому «пулу». Белые стрелки указывают направление электронного потока от молекул воды к QP. Только около 1% молекул хлорофилла в ФС II непосредственно участвуют в фотохимическом переносе электронов (см. с. 130). Основная часть связана с другими пигментами в так называемом комплексе светособирающей антенны (окрашен в зеленый цвет). Энергия квантов света, накопленная в комплексе, передается в реакционный центр, где и утилизируется.


На рис. 2 постадийно показан фотосинтетический электронный транспорт в ФС II. Поступающая от светособирающей антенны анергия света (а) переводит электрон реакционного центра молекулы хлорофилла в возбужденное «синглетное состояние». Возбужденный электрон немедленно переносится на соседний феофитин. Вследствие этого в реакционном центре остается «электронная дыра», т. е. положительно заряженный радикал Р680 (б). Эта дыра заполняется электроном, который отнимается от молекулы воды водорасщепляющим ферментом (б). Возбужденный электрон переносится с феофитина через QA на акцептор QB, переводя его в семихиноновый радикал (в). QB восстанавливается вторым возбужденным электроном до гидрохинона (г) и, наконец, обменивается на окисленный хинон (QP) из пластохинонового пула. Дальнейший транспорт электронов пластохинонового пула протекает, как представлено в предыдущем разделе и на схеме Б.


Б. Окислительно-восстановительные ряды


Из стандартных потенциалов Еo' (см. с. 38) наиболее важных окислительно-восстановительных систем световых реакций следует, что для переноса электронов от Н2О на НАДФ+ необходимы два процесса возбуждения. После возбуждения в ФС II Еo' возрастает примерно от -1 В до положительных величин для пластоцианине, т. е. энергия электронов должна повышаться в ФС I еще раз. Если НАДФ+ недоступен, фотосинтетический электронный транспорт все же можно использовать для синтеза АТФ. При циклическом фотофосфорилировании электроны возвращаются от ферредоксина (Fd) через пластохинонный пул на b/f-комплекс. Эта разновидность электронного транспорта не приводит к образованию НАДФН, а формирует протонный градиент и тем самым обеспечивает синтез АТФ.


В. Цикл Кальвина


Синтез гексоз из CO2 представлен здесь схематически, а полная схема реакции дана на рис. 395. Собственно фиксация СО2, т. е. включение CO2 в органические соединения, катализируется рибулозодифосфат-карбоксилазой/оксигеназой. Этот, по-видимому, наиболее распространенный на земле фермент, превращает рибулозо-1,5-дифосфат, CO2 и воду в две молекулы 3-фосфоглицерата, которые затем через 1,3-дифосфоглицерат и 3-фосфоглицерат превращаются в глицеральдегид-3-фосфат. Таким образом, из 6 молекул CO2 образуются 12 молекул глицеральдегид-3-фосфата. Две молекулы этого промежуточного метаболита используются в глюконеогенезе для синтеза глюкозо-6-фосфата (на схеме внизу справа). Из остающихся 10 молекул глицеральдегид-3-фосфата регенерируются 6 молекул рибулозо-1,5-дифосфата и цикл начинается снова. В цикле Кальвина АТФ расходуется для фосфорилирования 3-фосфоглицерата и соответственно рибулозо-5-фосфата. Второй продукт световой реакции, НАДФН, расходуется при восстановлении 1,3-дифосфоглицерата в глицеральдегид-3-фосфат.

Метаболизм. Энергетика

Молекулярные модели фотосистем

На схеме в упрощенной форме представлены бактериородопсин архебактерий Halobacterium halobium и фотосистема пурпурных бактерий Rhodopseudomonas viridis. Обе молекулы принадлежат к немногим трансмембранным белкам, структуры которых известны и могут служить в качестве модельных систем для подробного изучения фундаментальных механизмов энергетического обмена.



А. Бактериородопсин


Бактерии семейства Halobacterium растут при крайне высоких концентрациях соли, например в морской воде. Плазматическая мембрана этих бактерий содержит белок. подобный родопсину глаза (см. с. 346) и потому названный бактериородопсином. Этот белок способен непосредственно использовать энергию солнечного света для создания электрохимического градиента (см. с. 128). В основе процесса, как и при зрительном процессе, лежит индуцируемая светом цис-транс-изомеризация ретиналя. Белковая часть молекулы бактериородопсина в основном состоит из 7
·-спиралей (голубого цвета), пронизывающих мембрану и образующих полый цилиндр. Остальная часть молекулы и боковые цепи аминокислот не представлены. Внутри цилиндра расположена молекула ретиналя (оранжевого цвета), ковалентно связанная альдегидной группой с
·-аминогруппой остатка лизина (красного цвета). В темноте ретиналь находится в полностью транс-форме, а альдиминная группа протонирована (см. с. 346). При освещении ретиналь перегруппировывается в 13-цис-форму, а альдиминная группа отдает протон, который «откачивается» наружу двумя аспартатными остатками (светло-голубого цвета; на рис. 2 внизу). После возвращения ретиналя в полностью транс-форму альдиминная группа снова связывает протон. Внутриклеточный протон (2, вверху) переносится через другой аспартатный остаток (зеленого цвета) к ретиналю.


Б. Реакционный центр Rhodopseudomonas viridis


Фотосистема пурпурных бактерий Rhodopseudomonas viridis похожа по строению на фотосистему II высших растений. В отличие от растений в бактериальной системе донором электронов является не вода, а они поступают из электронпереносящей цепи, содержащей цитохром (на схеме не показано).


На схеме приведены только трансмембранные фрагменты бактериородопсина. О примерной толщине мембраны можно судить по липидным молекулам (слева и справа). Шесть трансмембранных спиралей из трех субъединиц (показаны окрашенными в различные тона голубого цвета) формируют внутримембранное пространство, которое наполнено цепями молекул пигментов (несколько пигментов, которые не принимают непосредственного участия в электронном транспорте, опущено). Принцип фотосинтетического электронного транспорта обсуждается на с. 130.


В Rh. viridis энергию света поглощают две соседние молекулы хлорофилла, образующие «специальную пару» (зеленого цвета, а ион Mg2+ красного). Максимум поглощения этих молекул находится при 870 нм, поэтому бактериальный реакционный центр обозначается также P870 .


После возбуждения электрон переносится реакционным центром на смежную свободную от магния молекулу феофитина (оранжевого цвета) всего за несколько пикосекунд (1 пс = 10-12 с), а затем в течение примерно 200 пс передается на прочно связанный хинон QA (слева наверху, желтого цвета). В то же самое время снова заполняется электронная дыра в «специальной паре». Через примерно 0,2 мс возбужденный электрон достигает обмениваемого хинона QB (справа наверху, желтого цвета), с которым покидает фотосистему.

Метаболизм. Энергетика

Дегидрогеназы кетокислот

В промежуточном метаболизме имеются мультиферментные комплексы, катализирующие сложную многостадийную реакцию окислительного декарбоксилирования 2-кетокислот и переноса образующегося ацильного остатка на кофермент А. В качестве акцептора электронов выступает НАД+. Кроме того, в реакции участвуют тиаминдифосфат, липоамид и ФАД. К дегидрогеназам кетокислот относятся:
а) пируватдегидрогеназный комплекс (ПДГ, пируватацетил-КоА),
б) 2-оксоглутаратдегидротеназный комплекс цитратного цикла (ОГД, 2-оксоглутаратсукцинил-КоА) и
в) участвующий в катаболизме разветвленных цепей валина, лейцина и изолейцина дегидрогеназный комплекс (см. с. 402).
В качестве примера здесь рассмотрен ПДГ-комплекс.






А. Пируватдегидрогеназа: реакция


В пируватдегидрогеназной реакции участвуют три различных фермента [1-3]. Пируватдегидрогеназа (Е1) катализирует декарбоксилирование пирувата, перенос образованного гидроксиэтильного остатка на тиаминдифосфат (TPP, 1а), а также окисление гидроксиэтильной группы с образованием ацетильного остатка. Этот остаток и полученные восстановительные эквиваленты переносятся на липоамид (1б). Следующий фермент, дигидролипоамидацетилтрансфераза (Е2) переносит ацетильный остаток с липоамида на кофермент А (2), при этом липоамид восстанавливается до дигидролипоамида. Последний снова окисляется до липоамида третьим ферментом, дигидролипоамиддегидрогеназой (Е3) с образованием НАДН + Н+ (NADH + Н+) (3). Электроны переносятся на растворимый НАД+ через ФАД и каталитически активный дисульфидный мостик субъединицы Е3.


Пять разных коферментов этой реакции различными способами ассоциированы с белковыми компонентами ферментов. Тиаминдифосфат нековалентно связан на Е1, Липоамид ковалентно связан с остатком лизина Е2, а ФАД прочно ассоциирован в виде простетической группы на Е3. НАД+ (NAD+) и кофермент А взаимодействуют с комплексом в виде растворимых коферментов.


Б. Пируватдегидрогеназный комплекс Escherichia coli


Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДГ-комплекс) бактерии Escherichia coli достаточно подробно исследован. Он имеет молекулярную массу от 5,3 · 106 Да и диаметр больше 30 нм, т. е. ПДГ-комплекс крупнее, чем рибосома. Комплекс состоит из 60 полипептидов (1,2): 24 молекулы Е2 (8 тримеров) образуют ядро комплекса кубической формы. Каждая из 6 граней этого куба занята димерами (возможно, тетрамерами) компонентов Е3, в то время как на 12 ребрах куба лежат димеры молекул Е1. Другие дегидрогеназы кетокислот построены аналогично, но могут отличаться числом субъединиц и молекулярной массой.


Пространственная организация составных частей комплекса очень важна для катализа. Кофермент, липоевая кислота, очень подвижен благодаря образованию связи с лизиновым остатком фермента Е2. "Ручка" липоамида длиной примерно 1,4 нм в процессе катализа перемещается между E1 и Е3 (3). Липоамид таким способом может взаимодействовать как со связанным в Е1 тиаминдифосфатом, так и с растворимым коферментом А и акцептирующим электроны ФАД в Е3. Белковый домен ацетилтрансферазы, который связывает липоевую кислоту, очень гибок. Это дополнительно повышает дальность действия липоамидной «ручки».


Регуляция ПДГ-комплекса организма животных обсуждается на с. 152.

Метаболизм. Энергетика

Цитратный цикл: реакции

В цитратном цикле (цикл лимонной кислоты; метаболический процесс, протекающий в матриксе митохондрий) ацетильные остатки (CH3CO) окисляются до диоксида углерода (CO2). Полученные при этом восстановительные эквиваленты переносятся на НАД+ или убихинон и включаются в дыхательную цепь (см. с. 142). Центральная роль цитратного цикла в метаболизме клетки рассматривается на с. 140.






А. Цитратный цикл


Большая часть потребляемого в цитратном цикле ацетил-КоА получает ацетильные остатки, образовавшиеся в результате
·-окисления жирных кислот (см. с. 166) и окислительного декарбоксилирования пирувата, катализируемого пируватдегидрогеназой (см. с. 136). Оба процесса протекают в матриксе митохондрий.


Окисление ацетильных остатков включает ряд промежуточных стадий, образующих цикл: сначала ацетильная группа в реакции, катализируемой цитрат-синтазой [1], конденсируется с молекулой оксалоацетата с образованием цитрата (цикл получил свое название по продукту этой реакции). На следующей стадии [2] цитрат изомеризуется в изоцитрат с переносом гидроксильной группы внутри молекулы. При этом промежуточный продукт реакции, ненасыщенный аконитат, остается во время реакции связанным с ферментом (на схеме не показано). Поэтому фермент, катализирующий реакцию, называют аконитат-гидратазой [2] («аконитазой»).


Свойства аконитат-гидратазы обеспечивают абсолютную стереоспецифичность изомеризации. В то время как цитрат не обладает хиральностью, изоцитрат содержит два асимметрических центра и может существовать в четырех изомерных формах. Однако в цитратном цикле образуется только один из стерео изомеров, (2R,3S)-изоцитрат (см. с. 16).


На следующей стадии изоцитратдегидрогеназа (3) окисляет гидроксигруппу изоцитрата в оксогруппу с одновременным отщеплением одной из карбоксильных групп в виде CO2 и образованием 2-оксоглутарата. Последующее образование сукцинил-КоА [4], включающее реакции окисления и декарбоксилирования, катализируется мультиферментным комплексом, 2-оксоглутаратдегидрогеназой (дегидрогеназы кетокислот рассмотрены на предыдущей странице). Расщепление тиолсложноэфирной связи сукцинил-КоА с образованием сукцината и кофермента А, катализируемое сукцинат-КоА-лигазой («тиокиназой» (5)], высокоэкзоэргическая реакция, энергия которой используется для синтеза фосфоангидридной связи («субстратного фосфорилирования», см. с. 126). В цитратном цикле синтезируется не АТФ, как в большинстве таких реакций, а гуанозинтрифосфат [ГТФ (GTP)], который легко превращается в АТФ нуклеозиддифосфаткиназой (на схеме не показано).


В приведенных реакциях ацетильный остаток полностью окисляется до CO2. Однако одновременно молекула переносчика оксалоацетата восстанавливается в сукцинат. В трех последующих реакциях цикла сукцинат снова превращается в оксалоацетат. Вначале сукцинатдегидрогеназа [6] окисляет сукцинат в фумарат. В отличие от других ферментов цикла сукцинатдегидрогеназа является интегральным белком внутренней митохондриальной мембраны. Поэтому ее относят также к комплексу II дыхательной цепи. Сукцинатдегидрогеназа содержит ФАД (FAD) в качестве простетической группы, однако фактическим акцептором электронов является убихинон. Затем к двойной связи фумарата с помощью фумарат-гидратазы («фумаразы», [7]) присоединяется вода и образуется хиральный (2S)-малат. На последней стадии цикла малат окисляется малатдегидрогеназой (8) в оксалоацетат с образованием НАДН + Н+. Эта реакция замыкает цитратный цикл.


Общий баланс цитратного цикла состоит в том, что из одного ацетильного остатка образуются 2 CO2, 3 НАДН + Н+ и одна молекула восстановленного убихинона (QH2). При этом за счет восстановленных форм коферментов путем окислительного фосфорилирования в клетке синтезируются 9, а с учетом трансформации одной молекулы ГТФ 10 молекул АТФ (см. с. 148).

Метаболизм. Энергетика

Цитратный цикл: метаболические функции

Цитратный цикл: функции


Цитратный цикл (см. с. 138) играет центральную роль в промежуточном метаболизме клетки. Наряду с катаболическими и анаболическими цикл выполняет и амфиболические функции. Промежуточные соединения цитратного цикла, включая такие важные метаболиты, как пируват и ацетил-КоА, способные окисляться до CO2, идентичны промежуточным соединениям многих катаболических путей. Образующиеся в цикле восстановительные эквиваленты (см. с. 20) окисляются в дыхательной цепи (окислительное фосфорилирование) с образованием АТФ (АТР) (см. ниже).



Промежуточные соединения цитратного цикла включаются во многие процессы биосинтеза, например в биосинтез глюкозы (глюконеогенез; оксалоацетат и малат), синтез порфиринов (сукцинил-КоА) и синтез аминокислот (2-оксоглутарат, оксалоацетат). Кроме того, цитратный цикл поставляет в цитоплазму ацетил-КоА, необходимый для синтеза жирных кислот и изопреноидов.


Ацетил-КоА, образующийся в матриксе митохондрий при участии пируватдегидрогеназы (см. с. 136), не может проходить через внутреннюю митохондриальную мембрану. Поэтому ацетильный остаток конденсируется митохондриальной цитрат-синтазой с оксалоацетатом с образованием цитрата. Последний переносится в цитоплазму по механизму антипорта с малатом (см. с. 214), где снова расщепляется АТФ-зависимой цитрат-лиазой [4] с образованием ацетил-КоА и оксалоацетата. Образовавшийся оксалоацетат восстанавливается цитоплазматической малатдегидрогеназой [2] в малат, который возвращается в митохондрии за счет антипорта или подвергается окислительному декарбоксилированию «малат-ферментом» [5] с образованием пирувата. Образующийся НАДФН + Н+ принимает участие в биосинтезе жирных кислот.


Промежуточные продукты цитратного цикла присутствуют в митохондриях лишь в очень незначительных количествах. При окислении ацетил-КоА они вновь регенерируются, так что их концентрации остаются практически постоянными. В то же время анаболические процессы быстро истощают пул некоторых промежуточных продуктов цикла. Поэтому их запас постоянно пополняется за счет метаболитов, поступающих из других источников. Ферментативные процессы, пополняющие запас промежуточных продуктов цикла, называются анаплеротическими (возмещающими) реакциями (см. с. 168).


Анаплеротический характер носит деградация большинства аминокислот, так как при этом образуются промежуточные соединения цикла или пируват (глюкогенные аминокислоты, см. с. 156). Фактически глюконеогенез поддерживается в основном за счет деградации аминокислот. Особенно важной анаплеротической стадией в метаболизме животных является превращение пирувата в оксалоацетат. Эта АТФ-зависимая реакция, катализируемая пируваткарбоксилазой [1], позволяет включать в глюконеогенез пируватпоставляющие аминокислоты и лактат.


В отличие от пирувата ацетил-КоА не является анаплеротическим метаболитом у высших животных. Его углеродный скелет полностью окисляется до CO2 и поэтому не принимает участия в биосинтезе. Поскольку при деградации жирных кислот образуется ацетил-КоА, клетки животных не в состоянии превращать жирные кислоты в глюкозу. Поэтому при голодании в организме прежде всего утилизируются не жиры, а белки. Высвободившиеся аминокислоты, напротив, могут превращаться и в жирные кислоты, и в глюкозу и, тем самым, поддерживать уровень сахара в крови (см. с. 300).


Дополнительная информация


В растениях и бактериях ацетил-КоА превращается в сукцинат в так называемом глиоксилатном цикле, тесно связанном с цитратным циклом. Эти организмы способны осуществлять анаплеротическую деградацию нейтральных жиров. В растениях глиоксилатный путь локализован в особых органеллах, глиоксисомах.
Заголовок 1 Заголовок 2 Заголовок 3 Заголовок 415

Приложенные файлы

  • doc 11255296
    Размер файла: 536 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий