Фотобиологические процессы

Однако возможность фотоокислительных  эффектов в условиях функционирования фотосинтетического аппарата довольно низка, во-первых, из-за чрезвычайно короткого ( 10 п с) времени пребывания хлорофилла в возбужденном состоянии и, во-вторых, из-за защиты клеток от фотоокисления каротиноидами

Гаффрон находит, что низкая чувствительность фотосинтетического аппарата у некоторых штаммов Scenedesmus к цианиду не относится к механизму, разлагающему перекись водорода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Процессы протонного транспорта в фотосинтетических системах

Фундаментальной особенностью живой клетки является то, что она  представляет собой совершенную  биоэнергетическую машину. Растительные и некоторые бактериальные клетки осуществляют процесс превращения  световой энергии в электрическую — фотосинтез. Такие клетки можно назвать биологическими электростанциями, генерирующими энергоемкое соединение — аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), которая является универсальным биологическим топливом. Создание трансмембранной разности потенциалов сопряжено с процессом разделения зарядов, т.е. с переносом электронов и протонов через мембрану. Перенос зарядов осуществляется не только в ходе фотосинтеза и дыхания; в той или иной степени процесс переноса зарядов, главным образом электронов и протонов, представлен во многих биохимических реакциях. Изучение физических механизмов, благодаря которым осуществляется перенос зарядов в макромолекулярных биологических системах, представляет актуальную задачу современной биофизики.

Глубокое понимание молекулярных механизмов различных биологических  процессов невозможно без широкого использования фундаментальных  представлений современной физики, в том числе квантовой механики. Например, основу механизма элементарного  акта переноса электрона в биологических  структурах представляет туннельный эффект — чисто квантовое явление, не имеющее аналога в классической, т.е. не квантовой, механике. Суть его  состоит в том, что в квантовом  мире вероятность того, что электрон преодолеет энергетический барьер, не равна нулю, даже если его энергия меньше высоты этого барьера. В этой связи в практику описания биологических систем и процессов все более широко внедряются современных компьютерные методы численного моделирования. При описании молекулярных процессов необходимо учитывать многие факторы, определяющие эффективность биологических процессов. К таким факторам в первую очередь относится внутримолекулярная конформационная динамика взаимодействующих молекул. Например, скорость и эффективность переноса электрона при первичном разделении зарядов в фотосинтезе существенно зависит от конформационной динамики молекул переносчиков. Для компьютерного моделирования молекулярных процессов используются различные методы квантовой механики, квантовой химии и молекулярной динамики. В настоящее время эти методы являются основными инструментами теоретического изучения сложных молекулярных процессов.

Одним из наиболее важных структурных  факторов, определяющих строение и  конформационную динамику биологических  макромолекул, являются водородные связи (особый тип химической связи). Изучение роли водородных связей в конкретных биологических процессах представляет актуальную задачу, в решении которой  также помогают методы компьютерного  моделирования. С помощью этих методов  можно исследовать динамические свойства молекулярных систем, которые  недоступны прямому наблюдению.

Молекулярные структуры  с сильно развитой системой водородных связей — сеткой водородных связей — обладают способностью проводить  электрический ток, причем носителем  заряда является протон — ядро атома  водорода. Перенос протона осуществляется по так называемому эстафетному  механизму. В мембранах существуют специальные каналы, которые переносят  протоны с одной стороны мембраны на другую, т.е. осуществляют протонный  транспорт. Такой канал представляет собой специальную пору, в которой  находится вытянутая цепочка  молекул воды, связанных друг с  другом водородными связями. Перенос  протона через мембрану происходит таким образом, что один протон присоединяется к этой водной цепочке, например, со стороны цитоплазмы и инициирует сдвиг протонов в водородных связях этой цепочки. В результате этого  с внешней поверхности мембраны от водной цепочки отщепляется протон, который находился на внешнем конце этой цепочки. Таким образом, перенос протона на расстояние, равное толщине мембраны, происходит в результате поэтапного смещения отдельных протонов на существенно меньшие (примерно в 200 раз) расстояния.

При изучении конкретных молекулярных процессов, протекающих в биосистемах, необходимо принимать во внимание все  возможные факторы и взаимодействия, так как в молекулярных системах (впрочем, как и в нашей жизни) «все влияет на все». Рассмотрим, например, такой фактор, как температура  среды. Всем известно, что температура  человеческого организма должна быть порядка 36 — 37°С. Возникает вопрос, какими особенностями биологических  структур определяется такое значение температуры? Что происходит при  нарушении нормального функционирования организма из-за увеличения или понижения  внутренней температуры тела человека? Этот вопрос относится и к любым  другим живым системам, хотя температурный  диапазон может немного варьировать.

Изучение температурной  зависимости эффективности электронного переноса в конкретных молекулярных процессах позволяет находить ответы или делать те или иные предположения  о механизмах влияния температуры  на свойства белковых молекул. В этом случае процесс электронного транспорта является зондирующим процессом, с  помощью которого тестируются гипотезы о возможных изменениях в конформационном  состоянии молекул, участвующих  в электрон-транспортном процессе. Использование процесса электронного транспорта в качестве инструмента  для изучения микро- и макроконформационных состояний макромолекул, а также тех релаксационных процессов, которые ответственны за структурную перестройку молекулярной системы, является весьма эффективным. Особое значение приобретают методы компьютерного моделирования, с помощью которых можно рассчитывать конфигурации молекул, соответствующие минимуму энергии системы, т.е. такие конфигурации, которые в реальных структурах реализуются с наибольшей вероятностью.

Динамику биомакромолекул, изменение их пространственной структуры и локальные электрические взаимодействия невозможно описать только с помощью традиционных дифференциальных уравнений. Здесь используются имитационные подходы, которые называют прямым многочастичным моделированием. Этот тип моделирования стал возможным недавно в связи с развитием компьютерной техники. Применяют его для описания наиболее хорошо изученных процессов в биомембранах. Сюда относятся как структурные данные о биомолекулах, мембранах и других субклеточных наноструктурах, так и физические законы их взаимодействия. Постановка задачи моделирования, формулировка модели и идентификация параметров — предмет совместной работы специалистов в области биологии, физики, математики, программирования и собственно моделирования. В настоящее время ведутся работы по кинетическому и компьютерному моделированию процессов в растительной клетке на молекулярном, субклеточном и клеточном уровне.

Кинетические модели процессов  в фотосинтетической мембране описывают  с помощью дифференциальных уравнений  процессы переноса электрона и трансмембранного переноса ионов. Модели отражают представления  о механизмах процессов и о  скоростях отдельных реакций, описывают кинетику окислительно-восстановительных превращений компонентов электрон- транспортной цепи (ЭТЦ). Результаты численных экспериментов численно воспроизводят кривые индукции флуоресценции и кинетику электрического потенциала, наблюдаемые в эксперименте на суспензиях хлоропластов и клеток водорослей, а также на листьях зеленых растений. Анализ экспериментальных кривых для разных условий в эксперименте и в природе позволяет сделать выводы о том, как меняются внутренние параметры фотосинтетического аппарата при изменении светового режима, при серном и азотном голодании, в присутствии токсичных агентов.

Катализатором фотосинтеза  АТФ служит ферментная система, образующая протонный насос, который наряду с квантосомой сосредоточен в тилакоидной мембране. Эта ферментная система (Н-зависимая АТФаза) сопрягает электронный транспорт в квантосоме с конвертированием свободной энергии в концевой фосфатной связи АТФ. Поэтому ее называют сопрягающим фактором (CF). В этом сопряжении участвует также концентрационный градиент Н+-ионов (протонный градиент) на тилакоидной мембране. Энергия, переносимая возбужденными электронами по квантосоме, отчасти расходуется на создание и поддержание протонного градиента посредством расщепления воды внутри тилакоида, где всегда pH ниже, чем в цитозоле . Как полагают, протонный градиент на тилакоидной мембране поддерживается и посредством работы протонного насоса, который в темноте обеспечивает активный транспорт Н+-ионов через нее.

Источником энергии для  переноса Н+ из цитозоля в тилакоид служит АТФ, гидролиз которого активируется Н-АТФазой. В свою очередь, протонный градиент на тилакоидной мембране является движущей силой пассивного транспорта Н+ через нее. При таком движении протонов Н-АТФ фаза катализирует не гидролиз АТФ, а синтез его из АДФ и ортофосфата, т. е. служит АТФсинтетазой. Происходит обращение протонной помпы. Следовательно, энергия протонного градиента является промежуточной формой преобразования солнечной энергии в химическую энергию макроэргических связей АТФ.

Существование протонного градиента  на тилакоидной мембране подтверждено прямыми измерениями. При длительном освещении зеленых растений pH внутри тилакоидов становится на 3,5 единицы ниже, чем в цитозоле. В обычных условиях на свету эта разница меньше, но существует всегда. Транспорт одного электрона по обеим фотосистемам (ФС II и ФС I), принадлежащим одной квантосоме, приводит к образованию внутри тилакоида одного протона. Следовательно, протонный градиент на тилакоидной мембране непосредственно обеспечивается энергией, освобождающейся при переносе возбужденных электронов между ее молекулярными компонентами. За счет протонного градиента на мембране тилакоида поддерживается разность потенциалов (А1Т) порядка 100 мВ. Именно электрическая энергия, заключенная в разности потенциалов на тилакоидной мембране (как в конденсатор видимо, является промежуточной формой преобразования свободной энергии при фотосинтезе: солнечная энергия -» энергия возбужденных электронов - электрическая энергия на тилакоидной мембране - химическая энергия связей АТФ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Регуляция фотосинтеза

 

Регуляция фотосинтеза, как  и подавляющего большинства других процессов в природе и технике, осуществляется по принципу обратной связи. Суть этого принципа заключается в том, что скорость регулируемого процесса зависит от результата этого процесса. Как правило, в сложной системе регулируемым процессом является стадия, которая ограничивает скорость работы всей системы. Например, скорость химической реакции может контролироваться концентрацией конечного или какого-либо промежуточного продукта, образующегося в ходе реакции. Если этот продукт является ингибитором одной из ключевых стадий химического процесса, то накопление данного продукта будет замедлять общую скорость реакции. Одним из классических примеров регуляторных устройств в технике, хорошо известных из школьного курса физики, является центробежный регулятор Ватта, который обеспечивает нормальную работу паровой машины. По мере возрастания давления пара в котле скорость вращения оси регулятора увеличивается. После того как скорость вращения достигнет определенного уровня, открывается клапан регулирующего устройства, в результате чего сбрасывается избыточное давление пара. Таким образом скорость работы машины поддерживается на заданном уровне. Несмотря на существенное различие регулируемых систем в технике и биологии, тот же принцип обратной связи лежит в основе регуляции биологических процессов. С помощью каких молекулярных механизмов осуществляется обратная связь в биоэнергетических системах и как это позволяет обеспечить исключительно высокую эффективность преобразования энергии мы рассмотрим на примерах регуляции световых стадий фотосинтеза.

 

 

 

 

4.1 Явление фотосинтетического контроля

В биоэнергетике хорошо известны такие  регуляторные явления, как фотосинтетический  контроль (в хлоропластах) и дыхательный  контроль (в митохондриях). Их проявление состоит в том, что скорости переноса электронов в фотосинтетической  цепи электронного транспорта хлоропластов и дыхательной цепи митохондрий  зависят от соотношения между  количеством субстратов и продуктов  реакции синтеза АТР (ADP + Pi ATP + H2O). При избытке субстратов этой реакции (ADP и Pi) скорости переноса электронов поддерживаются на максимальных уровнях. В этих условиях идет интенсивный синтез молекул АТР (принято говорить, что при этом хлоропласты и митохондрии находятся в метаболическом состоянии 3). После того как наступает истощение молекул ADP и появляется избыток АТР, скорость электронного транспорта замедляется .Торможение электронного транспорта, обусловленное образованием избыточного количества конечного продукта (АТР), связывают с переходом хлоропластов и митохондрий соответственно в состояния фотосинтетического и дыхательного контроля. Ключевую роль в явлениях фотосинтетического и дыхательного контроля играют процессы протонного транспорта, сопряженного с реакциями синтеза АТР. Механизмы этих явлений в хлоропластах и митохондриях имеют сходную природу, поэтому рассмотрим лишь процессы регуляции электронного переноса и синтеза АТР в хлоропластах.

Как мы уже отмечали, работа фотосинтетической  цепи электронного транспорта приводит к накоплению ионов водорода внутри тилакоидов и, следовательно, к уменьшению внутритилакоидного рН. Специальные измерения показали, что значение рН внутритилакоидного пространства (рНin) при освещении хлоропластов может понижаться на 2,5-3 единицы рН. Закисление внутритилакоидного пространства вызывает торможение электронного транспорта. Это происходит на самом медленном участке в цепи переноса электронов от воды к NADP+ - на стадии окисления пластохинола. Скорость окисления пластохинола зависит от концентрации ионов водорода внутри тилакоидов: чем выше их концентрация (ниже значение рНin), тем медленнее происходит окисление QH2 . Связано это с тем, что переносу электронов от пластохинола (QH2) и его полувосстановленной формы пластосемихинона (QHJ) к b / f-комплексу:

QH2 QH- + H+,

QH- QНJ + е-,

QНJ QJ- + H+,

QJ- Q + е-

Заряженные формы пластохинола (QH-) и пластосемихинона (QJ-) являются непосредственными донорами электрона для b / f-комплекса. Реакции диссоциации, в ходе которых образуются активные формы восстановленного пластохинона QH- и QJ-, зависят от рН внутри тилакоидов. По мере увеличения концентрации ионов водорода во внутритилакоидном пространстве вероятность диссоциации протона уменьшается, так как в этом случае за счет повышенного давления протонов равновесие в реакциях (1) и (3) сдвигается влево, то есть в сторону образования неактивных протонированных форм пластохинола (QH2) и пластосемихинона (QHJ). Именно поэтому накопление ионов водорода внутри тилакоидов вызывает замедление скорости электронного транспорта.