Механизм сопряжения дыхания и фосфорилирования в митохондриях 3 страница

Активный аэробный гликолиз считался даже характерным именно для опухолей, но впоследствии был обнаружен в йекоторых нормальных тканях (например, в сетчатке глаза).

Обычно же оба процесса, производящих энергию, — гликолиз и дыха­ние — работают согласованно. Клетки млекопитающих способны произво­дить энергии больше, чем это необходимо для жизнедеятельности. Однако производство энергии не самоцель, поэтому образование АТФ путем гликолиза и окислительного фосфорилироваиия в клетках организма подчинено просто­му принципу: спрос диктует предложение. Энергии производится столько, сколько требуется для потребляющих ее процессов. Как только уровень АТФ в митохондриях и цитоплазме достигает определенного значения, дальнейшее его производство в дыхательной цепи и гликолизе прекращается, т. е. продует (АТФ) регулирует свое образование. Снижение содержания АТФ, сопровож­дающееся обычно увеличением концентрации АДФ, АМФ и Ф_я, активирует гликолиз и окислительное фосфорилирование н уровень АТФ восстанав­ливается.

Энергетические посредники в клетках. Прежде всего необходимо остано­виться на энергетических посредниках, которые являются связующим звеном между процессами, поставляющими и потребляющими энергию. Таким уни­версальным энергетическим посредником'в живых организмах всегда считался АТФ, в фосфатных связях которого аккумулируется энергия, освобождающая­ся при распаде веществ, и затем расходуется на различные процессы. Другие нуклеозидтрифосфаты (УТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ) — всего лишь родственные соединения, к тому же образующиеся из АТФ.

Представление об АТФ как единственной энергетической «валюте», было нарушено в связи с открытием протонного потенциала, возникающего на мембране митохондрий. Оказалось, что протонный потенциал используется не только для синтеза АТФ, т. е. химической работы, но и способен заменить АТФ во многих процессах.

Как уже говорилось, за счет протонного потенциала возможно образо­вание теплоты и обратный транспорт электронов, в результате чего стано­вятся возможными восстановительные синтезы в матриксе митохондрий. Тран­спорт всех веществ, необходимых для дыхания (органические кислоты) и фосфорилироваиия (АТФ, Ф_в), и даже отмачивание АТФ из матрикса во вне- митохондрнальное пространство протекают за счет энергии протонного по­тенциала. Кроме того, транспорт некоторых других веществ и ионов кальция также определяется протонным потенциалом. У жгутиковых бактерий энергия Дцн+ способна использоваться на совершение механической работы. Значит, протонный потенциал может потребляться на совершение химической, осмо­тической, механической работы и образование теплоты.

Все это позволяет говорить, что в живой клетке два вида энергетических посредников — АТФ и протонный потенциал, которые способны превращаться в другие формы энергии. Располагая обоими посредниками, клетка может использовать как источник энергии в водной среде АТФ (хорошо растворимое в воде вещество), а в гидрофобном слое биологических мембран — протонный потенциал (как электрохимический источник энергии). Не исключено, что ка- лнй-натриевый градиент и, возможно, другие ионные градиенты, создающиеся на клеточной мембране за счет энергии АТФ, можно рассматривать как тре­тий вид энергетических' посредников. Например, энергия калий-натриевого градиента, создаваемого на клеточной мембране К⁺, 1Ча⁺-АТФазы, способна использоваться иа синтез АТФ (ионное фосфорилирование), т.е. химическую работу. Активный транспорт аминокислот, глюкозы и некоторых других ве­ществ также обеспечивается энергией калий-натриевого градиента на клеточ­ной мембране.

Рис. 42. Схема креатинкиназного механизма переноса энергии внутри клетки (по В. А. Саксу н др.)

Перенос энергии внутри клеток. В митохондриях образуются оба энерге­тических посредника — АТФ и протонный потенциал, а в гиалоплазме (в гли­колизе) — только АТФ. Митохондриальный АТФ преодолевает мембранный барьер за счет специальных транспортных белков, обменивающих его иа внешний АДФ. В водной среде АТФ переносится путем диффузии к местам потребления. Есть и другой способ переноса энергии АТФ внутри клеток, который имеет место в мышечных органах (в сердце, в скелетных и гладких мышцах). В этом процессе участвуют креатин и изоферменты креатннкиназы. В митохондриях концевая фосфатная группа от АТФ переносится на креатин (Кр) с помощью митохондриального изофермента креатннкиназы. Образую­щийся креатинфосфат (КрФ) диффундирует к сократительным элементам цитоплазмы — миофибриллам, где передает свой фосфат на АДФ с помощью цитоплазм этической креатннкиназы. АТФ расходуется на месте на сокраще­ние миофибрилл (рис. 42).

Возможно, что в клетке имеет место кабельный механизм передачи протонного потенциала, подобно то­му, как в технике передается на рас­стояние электрическая энергия. Ми- тохондриальные сети, существующие в клетках, можно сравнить с клеточ­ной электропроводкой, по которой передается электрическая энергия, образующаяся при дыхании. Воз­можность подобного механизма пере­дачи электричества была показана на цианобактериях. Не исключена его вероятность и в клетках млеко­питающих.

Пути потребления энергии. Схе­матически пути потребления энергии в виде протонного потенциала, обра­зуемого в митохондриях животных клеток при окислении веществ или в хлоропластах растительных клеток при поглощении световой энергии, н АТФ представлены на рис. 43. АТФ, помимо общих с Д(1н+ путей потребления энергии, может расходоваться на образование электрических импульсов в нерв­ных волокнах и на синтез различных химических веществ. Протонный потенциал расходуется иногда на обратный перенос электронов и образование, напрткр, восстановленного НАД или НАДФ.

2. Вещества, влияющие на энергетический обмен в клетках

Многие вещества, среди которых имеются яды и препараты, применяющиеся в лечебных целях, могут изменять энергетику клеток, влияя на образование энергии в ходе гликолиза н окислительного фосфорилирования.

Среди веществ, влияющих на гликолиз, можно выделить активаторы и ингибиторы. Глюкоза и ее фосфорилированные производные — глюкозо-6- фосфат и фруктозо-1, 6-биофосфат, применяемые в медицинской практике, улучшают энергетический обмен в тканях организма, вовлекаясь в гликолиз, а затем в окислительные реакции митохондрий. Ингибиторами гликолиза являются моноиодацетат, фторид натрия или калия, арсенат. Фториды бло­кируют енонлгндратазу, а моноиодацетат — глицеральдегид-3-фосфатдегид- рогеназу, связывая ее SH-rpyraiy. Арсенат действует как разобщитель окис­ления и фосфорилирования на стадии превращения глицеральдегид-3-фосфата специфической дегидрогеназой, тем самым ннгибируя дальнейший ход гли­колиза.

Рис. 43. Пути потребления протонного потен­циала и АТФ в клетке

Обширную группу веществ, влияющих на окислительное фосфорилиро­ваниё, можно ни механизму действия разделить на четыре группы: I) инги­биторы дегидрогеназ; 2) ингибиторы дыхания; 3) разобщители окислитель­ного фосфорилирования; 4) ингибиторы фосфорилирования. 246

s—H, S—H, «-ФАЛ-Н,

1 jt J

НАД-Н_г-»-< 1> П-»- FeS—ПР, ¹ KoQ— b —- FeS—II l\—»

О

АТФ If

Рис. 44. Схема действия ингибиторов дыхания (по Метцлеру)

Ингибиторы дегндрогеназ препятствуют окислению субстратов и снижают поступление водорода в дыхательную цепь. Среди нйх можно назвать различ­ные производные НАД, гидразиды нзоникотиновой кислоты (противотуберку­лезные препараты ГИНК, фтивазид и др.), являющиеся конкурентными ингибиторами НАД-зависимых дегндрогеназ. Арсенаты н ионы тяжелых ме­таллов блокируют тиоловые группы дегндрогеназ, окисляющих субстраты (например, пнруватдегндрогеназы, сукцинатдегидрогеназы и т. д.). Мало- нат — конкурентный ингибитор сукцинатдегидрогеназы. Смесь ингибиторов НАД- и ФАД-зависимых дегидрогейаз может значительно угнетать дыхание, не влияя на образование протонного.потенциала.

Ингибиторы дыхания блокируют одно из трех звеньев образования про­тонного потенциала, прерывая поток электронов на участках дыхательной цепи (рис. 44). Первая группа, препаратов блокирует первое звено сопряжения на участке между железосерным белком-1 и KoQ. К этим препа- паратам относятся амитал, или барбамил (снотворный препарат барбитуро­вого ряда), ротенон (рыбный яд), прогестерон (женский половой гормон). Эти вещества прерывают поступление водорода на дыхательную цепь от субстратов', окисляющихся через НАД-зависимые дегидрогеназы, но не ^меша­ют использованию субстратов, окисляющихся через ФАД (например, сукци­ната). Выключается также первое из трех звеньев фосфорилирования.

Вторая группа ингибиторов дыхания, к которым относится аити- мицин А (антибиотик, выделенный из стрептомицетов), блокирует дыхатель­ную цепь.на уровне второго звена сопряжения (образования протонного по­тенциала) и выводит из строя участок цепи до блока. Дыхание возможно только при поступлении электронов и протонов на участок цепи после блока, т.е. на цитохромы с,, е. Например, аскорбиновая кислота является тем веще­ством, которое окисляется цитохроном с. Поэтому в ее присутствий дыхание в митохондриях продолжается даже несмотря на то, " fro дыхательная цепь «отравлена» антнмнцнном А.

Третья группа ингибиторов дыхания, к которым относятся Цианиды (например, NaCN, KCN), азиды (NaN₃), оксид углерода (II), блокирует цнтохромоксидазу и делает невозможным сам процесс дыхания. Эти вещества вызывают ситуацию кислородного голода для дыхательной цепи митохондрий, хотя кислород находится в изобилии. Полное прекращение дыхания, вызван­ное этой группой препаратов, выключает образование протонного потенциала и связанного с ним фосфорилирования. Наступает энергетический «голод», а с ним и прекращение жизнедеятельности клеток. Поэтому ингибиторы цнто- хромоксидазы являются сильнейшими ядами, отравление которыми вызывает быструю гибель организма.

Разобщители окислительного фосфорилироваиия — обширная группа веществ, влияющих на сопрягающее звено между дыханием и фосфорилиро- ванием, т. е. на протонный потенциал. Однако разобщители никоим образом не влияют на создание протонного потенциала. Они лишь способствуют его расходованию в обход АТФ-синтетазы — основного потребителя энергии протонов для образования АТФ.

Механизм действия разобщителей заключается в том, что они являются переносчиками катионов (протонов или других ионов) через мембрану. Этим они вызывают своеобразное «короткое замыкание» между разнозаряженнымв поверхностями митохондриальной мембраны, переводя энергию мембранного потенциала (дц>) или разности концентраций ионов Н ¹ (ДрН) в теплоту. Иначе говоря, разобщители в той или иной степени отключают фосфорили­рование от дыхания. При их действии дыхание усиливается, а фосфорилиро­вание подавляется. Все разобщители относятся к мембранотропным вещест­вам..Они делятся на протонофоры и прочие ионофоры.

Лротонофоры способствуют переносу через мембрану протонов, выравни­вая их концентрацию и разность зарядов по обе стороны мембраны. Протоно­форы в соответствующих концентрациях могут полностью разобщать дыхание и фосфорилирование, так как ликвидируют оба компонента протонного потен­циала (Дф и ДрН), созданного дыханием. Фосфорилирующее окисление пол­ностью переходит на свободное, и митохондрии начинают выполнять роЛь «нагревательного прибора» в клетках.

К разобщителям этого типа относятся природные вещества — свобод­ные жирные кислоты, которые в форме аниона (R—СОО^-) связывают прото­ны на внешней стороне мембраны, переносят их в недиссоциированной форме (R—СООН) и затем, диссоциируя, отдают протон на внутренней стороне мембраны (R—COOH-*-R—СОО~ + Н⁺). Разобщают дыхание и синтез АТФ такие вещества-протонофоры, как 2, 4-динитрофенол, пер фтор пин акол, произ­водные бензимидазола и фенилгидразона, а также ряд лекарственных пре­паратов — салицилаты (противовоспалительные средства), дикумарол и фе- нилин (оба препарата относятся к противосвертывающим средствам непря­мого действия) и т. д. Разобщающие свойства проявляют гормоны щито­видной железы — тироксин и трииодтиронин, которые применяются и как препараты.

Все протонофоры-разобщители липофильны и содержат в молекуле легко отщепляемый протон. Протонофоры, как и другие ионофоры, понижают сопро­тивление искусственных липидных мембран, помещенных в водную среду, за счет увеличения их проводимости для протонов. Чем сильнее понижается сопротивление, тем сильнее разобщитель.

Ионофоры увеличивают проводимость мембран или одновременно для протонов н других катионов, или только для какого-нибудь одного катиона (например, Na⁺ или К⁺)- Механизм действия ионофоров на окислительное фосфорилирование можно рассмотреть на примере действия полипептидных антибиотиков — валиномнцнна, нигерицина, грамицидина А. Валиномицин представляет собой циклическую молекулу (состоит из неполярных амино­кислот), растворимую в липидах. Его связывающие группы как бы смотрят наружу, а молекула напоминает форму раскрытого тюльпана, Валиномицин 238 избирательно связывает К⁺. при этом молекула принимает форму «бутона», в центре которого спрятан ион К⁺. В таком виде К⁺ легко пересекает любую мембрану. Перенос К⁺- валиномнцином из внешней среды внутрь митохонд­рий полностью компенсирует разность зарядов (электрический потенциал) на мембране, но не ликвидирует избыток Н⁺ во внешней среде, т. е. ДрН, так как переносит не Н⁺, а К⁺- Поэтому валиномицин вызывает сильное (на вели­чину Дф), но не полное разобщение дыхания и фосфорилироваиия.

- Другой антибиотик — нигерицин — устроен таким образом, что пере­носит также ион К⁺, но только в обмен на протоны. Ои устраняет, выравни­вает разницу концентраций ионов Н⁺ между внутренней средой митохондрий, где их недостаток, и внешней, где их избыток, т. е. устраняет ДрН, не влияя на электрический потенциал. Разобщающий эффект нигерицина слабее, чем валйномицина, так как ДрН составляет лишь ^; /_s протонного потенциала. Полностью разобщить дыхание и фосфорилирование можно с помощью одно­временного применения обоих ионофоров: валиномицина и нигерицина.

Грамицидин А, полипептидный скелет которого состоит из неполярных аминокислот, образует в мембране канал, состоящий из двух спиральных мо­лекул антибиотика. По этому каналу проникают положительно заряженные ноны Н⁺, К⁺, Na⁺. Грамицидин А снимает протонный потенциал и разобщает дыхание и фосфорилирование.

Антибиотики-ионофоры выравнивают естественные ионные градиенты на любой, а не только на митохондриальной мембране. В частности, они могут снижать разность концентраций ионов К⁺ и Na⁺ на клеточной мембране и нарушать жизнедеятельность клеток. У аэробных микроорганизмов ферменты дыхательной цепи и фосфорилироваиия находятся в клеточной мембране, по­этому антибиотики-ионофоры, прекращая выработку энергии и выравнивая 'ионные градиенты между внутри- и внеклеточной средой, вызывают быструю гибель микроорганизмов.

Ингибиторы фосфорилирование действуют на АТФ-сннтетазу, препятст­вуя использованию протонного потенциала для синтеза АТФ. К этим веще­ствам относятся, например, дициклокарбодиимид (ДЦКД) и олигомицин. ДЦКД блокирует просачивание протонов по F₀, т. е. как бы «запечатывает» протонный канал Н*-АТФ-синтетазы. Поэтому фосфорилирование становится невозможным. Поскольку в физиологических условиях оно сопряжено с дыха­нием, то постепенно дыхание затухает, так как протонный потенциал, создан­ный дыханием, не используется на фосфорилирование, а расходуется на обращение потока электронов в дыхательной цепи.

Антибиотик олигомицин связывается с белковой субъединицей Н⁺-АТФ- синтетазы в месте соединения F₀ с F,. Тем самым он запечатывает выход канвла и прекращает поступление протонов к F,. одновременно иигибируя синтез АТФ в активном центре F,. Олигомицин полностью останавливает фосфорилирование, что ведет, как в случае с ДЦКД, к остановке дыхания. Нетрудно догадаться, что протонофоры снимают угнетающее действие инги­биторов фосфорилироваиия на дыхание, хотя фосфорилирование остается подавленным.

ГЛАЗА 2в. ОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ Б ФОТОСИНТЕЭЙРУГОШИХ ОРГАНИЗМАХ

Фотосинтезирующие организмы (фотоавтотрофы) преобразуют световую энер­гию в химическую и используют ее для синтеза углеводов и других веществ. Фотосинтезирующие клетки имеют аппарат для улавливания и трансформа­ции энергии и ферментные системы усвоения С0₂. Фотосинтезирующие орга­низмы многообразны. К ним относятся многоклеточные организмы (высшие зеленые растения и низшие их формы — зеленые, бурые и красные водоросли) и одноклеточные (эвгленовые, динофлагелляты и диатомовые водоросли). Большую группч гоотосин^езнруюших организмов составляют прокариоты — сине-зеленые водоросли, зеленые ч пурпурные бактерии. Примерно половика работы по фотосинтезу на Земле осуществляется высшими зелеными расте­ниями, а остальная половина — главным образом одноклеточными водо­рослями.

I. Фотосинтезирующие структуры

У бактерий фотосинтезирующие структуры представлены в виде впячивания клеточной мембраны, образуя пластинчатые органоиды мезосомы. Изолиро­ванные мезосомы, получаемые при разрушении бактерий, называются хрома- тофорами, в ннх сосредоточен светочувствительный аппарат. У эукариотов фотосинтетический аппарат расположен в специальных внутриклеточных органоидах — хлоропластах. Хлоропласта, подобно митохондриям, содержат также ДНК, РНК и аппарат для синтеза белка, т. е. обладают потенциальной способностью к самовоспроизведению. По размерам хлоропласта в несколько раз больше митохондрий. Число хлоропластов колеблется от одного у водо­рослей до 40 на клетку у высших растений. В клетках зеленых растений помимо хлоропластов имеются и митохондрии, которые используются для образования энергии в ночное время за счет дыхания, как в гетеротрофных клетках.

Хлоро.пласты имеют шаровидную или уплощенную форму. Они окружены двумя мембранами — наружной и внут­ренней (рис. 45). Внутренняя мембрана укладывается в виде стопок уплощенных пузырьковидных дисков. Эта стопка назы­вается граной. В водорослях находится не более одной граны в каждом хлоро­пласте, а в высших растениях — до 50 гран, которые соединены между собой мембран­ными Перемычками. Водная среда между гранами — это строма хлоропласта. Пу­зырьковидные структуры, из которых со­стоит грана, называются тилактоидами. В гране от 10 до 20 тилактоидов.

Рис. 45 Схема ультраструктуры хлоро­пласта (по Уайту и др.)

Элементарная структурная и функ­циональная фото синтетически и единица мембран тилактоидов, содержащая необ­ходимые светоуланливаюЩие пигменты и
компоненты аппарата трансформации энергии, называется квантосомой. Эта частииа имеет массу порядка 2 • 10⁶ дальтон и размеры около 17, 5 нм.

2. Стадии фотосинтеза

Фотосинтез — это процесс преобразования лучистой энергии в химическую с использованием последней в синтезе углеводов из углекислого газа. Сум­марное уравнение фотосинтеза:

6С0₂ + 12Н, 0 -^-С_вН, ₂0₆ + 6Н₂0 + 60₂ + 2& 61 кДж/моль Процесс этот эндергонический и требует значительного количества энергии Поэтому суммарный процесс фотосинтеза складывается из двух стадий, кото­рые принято называть световой (или энергетической) и темповой (или мета­болической). В хлоропласте эти стадии пространственно разобщены — свето­вая осуществляется в квантосомах мембран тилактоидов, а темновая — вне тилактоидов, в водной среде стромы. Взаимосвязь между световой и темновой стадиями можно выразить схемой

*---, 6 н, о

1 >

6 COj—т С₆Н]₂О_ь

12 Н₂0 6 Оз 12 НАДФ'Н+Н ⁺-

V V_____ /

/%

Сеет 18 АТФ

Световая стадия протекает на свету. Энергия света трансформируется на-этой стадии в химическую энергию АТФ, а бедные энергией электроны воды пере­ходят в богатые энергией электроны НАДФ • Н₂- Побочным веществом, обра­зующимся в ходе световой стадии, является кислород. Богатые энергией продукты световой стадии АТФ и НАДФ • Н₂ используются в следующей ста­дии, которая может проходить в темноте. В темновой стадии наблюдается восстановительный синтез глюкозы из СОг. Без световой стадии темновая невозможна.

Механизм световой (фотохимической)

стадии фотосинтеза

В мембранах тилактоидов имеются два фотохимических центра, или фото­системы, которыё обозначаются как фотосистемы I и II (рис. 46). Каждая из фотосистем не может заменить друг друга, ибо функции их различны В состав фотосистем входят различные пигменты: зеленые — хлорофиллы а и Ь, желтые — каротиноиды и красные или синие — фикобилины. Фотохимически активен среди этого комплекса пигментов только хлорофилл а. Остальные пигменты играют вспомогательную роль, являясь лишь собирателями световых квантов (своеобразные светособирающие линзы) и проводниками их к фото­химическому центру..Функцию фотохимических центров выполняют особые формы хлорофилла с, а именно: в фотосистеме I —пигмент 700 (Р700) > погло- щаюший свет с длиной волны около 700 нм, в фотосистеме II — пигмент 680 (Р₆₈₀), поглощающий свет с длиной волны 680 нм. На 300—400 молекул светособирающих пигментов в фотосистемах I и II приходится только одна молекула фотохимически активного пигмента — хлорофилла а. Поглощение световых квантов фотосистемой I переводит яигмент Р₇₀₀ из основного состоя-

Циклический перенос электронов Рнс. 46. Схема циклического я нециклического перекоса электронов между фото­системами I и II (по Уайту и др.)

ния в возбужденное — PJqq, в котором он легко теряет электрон. Потеря элек­трона вызывает образование электронной дырки в виде Р^ по схеме

Электронная дырка способна легко заполняться электроном.

Итак, поглощение световых квантов фотосистемой I приводит к разделе­нию зарядов: положительного в виде электронной дырки (Р^₅) н отрицатель­но заряженного электрона, который сначала акцептируется специальными железосерными белками (FeS-цвнтр), а затем или транспортируется но одной из цепей переносчиков обратно к Р^®, заполняя электронную дырку, или по другой цепи переносчиков через ферредоксин н флавопротеид к постоянному акцептору — НАДФ • Н₂. В первом случае происходит замкнутый циклический транспорт электронна во втором —нециклический. Возвращение возбужден­ных электронов на Р_т связано с освобождением энергии (при переходе с вы­сокого на низкий энергетический уровень), которая аккумулируется-в фосфат­ных связях АТФ. Этот процесс называется фотофосфорилированием; при циклическом переносе происходит циклическое фотофосфорилирование, при нециклическом — соответственно нециклическое. В тнлактоидах идут оба про­цесса, хотя второй более сложный. Он сопряжен с работой.фотосистемы И.

Поглощение световых квантов фотосистемой Н вызывает разложение (фотоокисленне) воды в фотохимическом центре Рш'по схеме н, о —2Н⁺ +• ы + 7_so,

Фотолиз воды называется реакцией Хилла. Электроны, образующиеся при разложении воды, первоначально акцептируются веществом, обозначаемым Q (иногда его называют цитохромом С₅₆о по максимуму поглощения, хотя оно не является цитохромом). Затем от вещества Q через цепь переносчиков, похожую по составу на митохондриальную, электроны направляются к заполняя электронную дырку.

Следовательно, утраченные P^qq электроны восполняются за счет электро­нов воды, разлагаемой под действием света в фотосистеме II. Нециклический поток электронов от Н_гО к НАДФ • Н₂, происходящий при взаимодействии двух фотосистем и связывающих их электронно-транспортных цепей, наблюда­ется вопреки значениям редокс-потенциалов: Е° для /г0₂/Н₂0 = +0, 81 В. а Е° для НАДФ/НАДФ • Н= —0, 32 В. Энергия света обращает поток элек­тронов «вспять». Существенно то, что при переносе от фотосистемы II к фото­системе I часть энергии электронов аккумулируется в виде протонного по­тенциала на мембране тилактоидов, а затем в энергию АТФ.

Механизм образования протонного потенциала в цепи переноса электро­нов и его использование на образование АТФ в хлоропластах сходен с тако­вым в митохондриях. Однако в механизме фотофосфорилирования имеются некоторые особенности. Тилактоиды представляют собой как бы вывернутые наизнанку митохондрии, поэтому направление переноса электронов и протонов через мембрану противоположно направлению его в митохондриальной мембране (рис. 47). Электроны движутся к внешней стороне, а протоны концентрируются внутри тнлактоидного матрикса. Матрикс заряжается поло­жительно, а внешняя мембрана тилактоида — отрицательно, т. е. направление

Рис. 47. Схема фотофосфорилирования в тилактондах хлоролластов (ПХ — олас- тохинои)

протонного градиента противоположно направлению его в митохондриях. Другой особенностью является значительно большая доля рН в протонном потенциале по сравнению с митохондриями. Тилактоидный матрикс сильно закисляется, поэтому ДрН может достигать 0, 1—0, 2 В, в то время как Дф со­ставляет около 0, 1 В. Общее значение Дцн*> 0, 25 В.

Н⁺-АТФ-синтетаза, обозначаемая в хлоропластах как комплекс «CFj + F₀», ориентирована тоже в противоположном направлении. Головка ее (F,) смот­рит наружу, в сторону стромы хлоропласта. Протоны выталкиваются через CF₀+F, из матрикса наружу, и в активном центре F, образуется АТФ за счет энергии протонного потенциала.

В отличие от митохондриальной цепи в тилактоидной имеется, по-видимо­му. только пвя участка сопряжения, поэтому ня синтез одной молекулы АТФ требуется вместо двух три протона, т.е. соотношение 3 Н⁺/1 моль АТФ.

Механизм темновой стадии фотосинтеза

Продукты световой стадии АТФ и НАДФ • Н₂, находящиеся в строме хло­ропласта, используются здесь же для синтеза глюкозы из С0₂. Ассимиляция диоксида углерода (фотохимическое карбоксилирование) представляет собой циклический процесс, который называется также лентозофосфатным фотоснн- тетнческим циклом или циклом Кальвина (рис. 48). В нем можно выделить три основные фазы: ¹

1) фиксация С0₂ рибулозодифосфатом;

2) образование триозофосфатов при восстановлении З-фосфогЛицерата;

3) регенерация рибулозодифосфата.

Фиксация С0₂ рибулозодифосфатом катализируется ферментом рибуло- зодифосфаткорбоксилазой:

Рнбулозоди фосфат + С0₂ ► З-Фосфоглицерат

Далее 3-фосфоглицерат восстанавливается с помощью НАДФ • Hj и АТФ до глицеральдегнд-3-фосфата. Эта реакция катализируется ферментом — глице-

Рис. 46. Схема фотосиктетического цикла образования углеводов (цикл Кальвина)

Глюко зо-6-фосфат

Попнсахариды

ральдегид-3-фосфат-дегидрогенаэой. Глицеральдегид-З-фосфат легко изоме- рнзуется в дигидрокснацетонфосфат. Оба триозофосфата используются в об­разовании фруктозобисфосфата (обратная реакция, катализируемая фрукто- зобисфосфат-альдолазой). Часть молекул образовавшегося фруктозобисфос­фата участвует вместе с триозофосфатами в регенерации рибулозодифосфата (замыкают цикл), а другая часть используется для запасания углеводов в фо- тосинтезирующих клетках, как показано на схеме.

Подсчитано, что для синтеза одной молекулы глюкозы из С0₂ в цикле Кальвина требуется 12 НАДФ • Н + Н⁺ и 18 АТФ (12 молекул АТФ расходу­ются иа восстановление 3-фосфоглицерата, а 6 молекул — в реакциях регенера ции рибулозодифосфата). Минимальное соотношение — 3 АТФ г 2 НАДФ»Н₂ Можно заметить общность принципов, лежащих в основе фотосинтетиче ского н окислительного фосфорилироваиия, причем фотофосфор илирование представляет собой как бы обращенное.окислительное фосфорилирование

АТФ и о,

SH, д.» ^ * if окислительное

² 2 М^ фосфорилирование

~С/. О,

Энергия света является движущей силой фосфорилироваиия и синтеза органических веществ (S-H₂) при фотосинтезе и, наоборот, энергия окисле­ния органических веществ — при окислительном фосфорилировании. Поэтому именно растения обеспечивают жизнь животным и другим гетеротрофным организмам:

н₂о

Свет—1

животные

Углеводы, образующиеся при фотосинтезе, служат для построения угле­родных скелетов многочисленных органических веществ растений. Азоторгани- ческие вещества усваиваются фотосинтезирующими организмами путем вос­становления неорганических нитратов или атмосферного азота, а сера — вос­становлением сульфатов до сульфгидрильных групп аминокислот. Фотосинтез в конечном итоге обеспечивает построение не только обязательных для жизни белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, кофакторов, но и многочис­ленных продуктов вторичного синтеза, являющихся ценными лекарственными веществами (алкалоиды, флавоноиды, полифенолы, терпены, стероиды, орга­нические кислоты и т.д.).