Синтез АТФ

Перенос электрона по ЭТЦ сопровождается запасанием энергии, которая затем используется для синтеза АТФ. Существует несколько теорий, объясняющих механизм образования АТФ, сопряженный с транспортом электронов. Наибольшим признанием пользуется хемиосмотическая теория английского биохимика П. Митчелла (1961), включающая два основных положения: 1) энергия, освобождаемая в окислительно-восстановительных реакциях, сначала запасается в форме протонного градиента (АрП); 2) необходима сопрягающая мембрана, содержащая ЭТЦ и непроницаемая для протонов. В хлоропластах такими мембранами являются тилакоидные мембраны. Сопрягающие мембраны обогащены белком и содержат уникальный фосфолипид — кардиолипин, который делает мембран}' более жидкой и менее проницаемой для ионов.

Согласно этой теории, пластохинон, присоединив два электрона от П₆₈₀, присоединяет еще два протона из стромы хлоропласта и переносит их через мембрану в люмен; протоны накапливаются в люмене и в результате фотоокисления воды (рис. 4.12).

Благодаря неравномерному распределению протонов по обе стороны мембраны создается разность химических потенциалов протонов, и возникает электрохимический мембранный потенциал ионов водорода (Др_||+). Энергия Ар„+ используется для обратного транспорта протонов из люмена в строму хлоропласта по особым каналам. С обратным транспортом протонов и сопряжено фосфорилирование АДФ.

Сопряжение обратного транспорта протонов и фосфорилирования АДФ происходит при участии Н⁺-АТФ-синтетазы, расположенной в тилакоидных мембранах и состоящей из двух частей: водорастворимой каталитической части (Fj), обращенной к строме хлоропласта, и мембранной части (F₀), пронизывающей бислой липидов (рис. 4.13). Последняя представляет собой протонный канал, но которому протоны могут возвращаться в строму хлоропласта. С F₀ связывается олигомицин, поэтому она получила такое название. Олигомицины — это смесь антибиотиков, продуцируемых актиномицетом из рода Streptomyces. ^[1]

Рис. 4.12. Схема расположения комплексов электронтранспортной цепи и Н⁺-АТФ-синтазы в мембране тилакоида¹

Рис. 4.13. Н⁺-АТФ-синтетаза²

АДФ и фосфат соединяются с ферментом в его каталитической части F_v Два протона, перемещаясь по градиенту электрохимического потенциала по протонному каналу (F₀), соединяются с кислородом фосфата. Образуется вода. Потеря кислорода активирует фосфатную группу, и она присоединяется к АДФ с образованием АТФ.

Фермент Н⁺-АТФ-синтетаза активен, пока транспортируются протоны. Протоны двигаются, если их концентрация в люмене больше. На каждые два электрона, переданных по электронтранспортной цепи, внутри тилако- ида накапливается четыре Н⁺. При возвращении обратно в строму хлоропласта трех протонов синтезируется одна молекула АТФ.

Ротационная теория П. Бойера (1997). Как было сказано выше, фермент АТФ-синтаза состоит из двух белковых комплексов, которые обозначают как комплекс F, и комплекс /',) (см. рис. 4.13). /•', — гидрофильный сферический комплекс, расположен около гилакоидной мембраны и на фотографиях выглядит как шляпка гриба. Это каталитический центр фермента, на котором происходит синтез АТФ. Комплекс /'| состоит из пяти разных субъединиц. Основу составляют субъединицы аир, чередующиеся друг с другом и расположенные вокруг у-субъединицы, которая представляет собой стержень, проходящий через каталитический центр и связывающий /'| и F₀. F[ содержит три каталитических центра синтеза АТФ, расположенных на Р-субъединицах, и выполняет также структурную функцию, закрывая протонный канал.

Гидрофобный комплекс F₀ встроен в тилакоидную мембрану и образует канал, по которому протоны могут пересекать мембрану, двигаясь обратно по градиенту своего потенциала из люмена в строму хлоропласта.

Работу каждого каталитического центра можно разделить на три этапа: 1) непрочное связывание АДФ и Ф„ (Г.-состояиие); 2) прочное связывание субстратов с образованием АТФ и выделением воды (Г-состояние); 3) энергозависимое освобождение молекулы АТФ и выход АТФ (О-состояние) (рис. 4.14). Когда каталитический центр р-субъединицы связан с АТФ и АДФ, он закрыт, а когда не связан, — открыт. При функционировании фермента происходит переход от закрытой конформации к открытой.

Итак, в результате конформационных изменений каталитического центра между р-фосфатом молекулы АДФ и неорганическим фосфатом возникает фос- фоэфирная связь, и синтезируется молекула АТФ. Синтез одной молекулы АТФ сопряжен с транспортом 3—4 протонов через /у,-канал. ^[2]

Рис. 4.14. Этапы синтеза АТФ (но ротационной теории П. Бойера)¹

Каталитические центры работают кооперативно. Каждый из них в течение каталитического цикла последовательно проходит через три различных конфирмационных состояния; L —> Т; Т —» О; О —> L. Конформационные изменения каталитических центров сопряжены с обратным током протонов по каналу АТФазы и с вращением р-субъединиц вокруг у-субъединицы.

Согласно теории Бойера, энергия Др_н+ используется для конформационных преобразований структур каталитического центра АТФ-синтазы и выхода АТФ из активных центров.

Итак, фотохимические процессы в реакционных центрах ФС—I и ФС—II приводят к быстрому первичному запасанию энергии квантов света в форме лабильных соединений с высоким энергетическим потенциалом. Дальнейшие реакции фотосинтеза направлены на преобразование энергии света в более стабильную форму НАДФН и АТФ, а затем при использовании этих продуктов в реакциях следующей, темновой, фазы — в форму углеводов и других стабильных органических соединений. Образованная в процессах фотосинтеза АТФ обеспечивает энергией в основном процессы следующей — темновой — фазы фотосинтеза.

Изучение световой фазы фотосинтеза и, в частности, процесса разложения воды зелеными растениями с помощью света имеет важное значение, в том числе и для решения энергетического кризиса на нашей планете. Моделирование этого процесса в искусственных условиях позволило бы человечеству получать водород из воды и использовать его в качестве экологически чистого топлива.

Контрольные вопросы

• 1. В чем состоит суть световой фазы фотосинтеза?
• 2. Как происходит циклический транспорт электронов?
• 3. Как происходит нециклический транспорт электронов?
• 4. Как происходит псевдоциклический транспорт электронов?
• 5. Из чего состоит электронтранспортная цепь фотосинтеза?
• 6. Для чего нужен свет?
• 7. Что такое фотосистема?
• 8. Из чего состоят ФС—I и ФС—II?
• 9. Где находятся ФС—I и ФС—II?
• 10. Что такое фотосинтетическое фосфорилирование?
• 11. Какое фосфорилирование называется циклическим, нециклическим?
• 12. Что такое псевдоциклический транспорт электронов? В каких условиях он происходит?
• 13. Какая фотосистема участвует в циклическом и нециклическом транспорте электронов?
• 14. Какое вещество является донором электронов в циклическом и нециклическом транспорте электронов?
• 15. Какое вещество является акцептором электронов в циклическом и нециклическом транспорте?
• 16. Как происходит фотоокисление воды?
• 17. Что такое активные формы кислорода? Как они образуются и чем опасны?
• 18. Как можно охарактеризовать световую фазу фотосинтеза?
• 19. Какие вещества являются продуктами этой фазы фотосинтеза?
• 20. В какой части хлоропласта происходит световая фаза?

• 21. Почему фотосинтез не может идти в растворе?
• 22. Как образуется АТФ?

Авторы: Кузнецов Владимир, Дмитриева Галина

• [1] Цит. с изм. по: Хелдт Г.-В. Биохимия растений. С. 86. 2 Цит. с изм. по: Plant Physiology / ed. by L. Taiz, E. Zeiger. P. 182.
• [2] Boyer Р. D. The binding change mechanism for ATP synthase — some probabilities andpossibilities // Biochim. Biophys. Acta. 1993. V. 1140. P. 215—250.