Блюменфельд Л.А. Проблемы биологической физики

Подождите немного. Документ загружается.

7.3]

ЦЕПИ ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕНОСА

МЕМБРАНАХ

211

рованы цитохромы 6

и Ь

и отдельно показаны результаты,

найденные для разобщенной ЦЭТ (свободное окисле-

ние) и для фосфорилирующей ЦЭТ (сопряженное окисле-

ние).

В данном

случае

числа на

схеме

означают полупе-

риоды времени электронного переноса

между

соседними

переносчиками в миллисекундах, инициированного в

«анаэробных митохондриях» импульсным введением ки-

слорода (а не периоды полупревращения в окисленную

форму, отсчитываемые от момента введения кислорода,

как

на предыдущем рисунке).

1500 100 1200

е-< с,-« Ь

-< ФП

(а)

100 100 300

с-* с,-* -Ь

~< Ь

~* ФП

(б)

Рис. 7.7.

Кинетическая

схема

окисления

переносчиков

ЦЭТ в

сопря-

женных

(а) и

разобщенных

(б)

митохондриях.

Несколько замечаний по поводу приведенных данных.

Прежде всего, наиболее быстрая реакция с участием

цитохрома а

является процессом бимолекулярным, за-

висящим от концентрации добавляемого кислорода. По

последним результатам той же лаборатории [97], в ми-

тохондриях сердечной мышцы голубя при концентрации

, варьирующей от 4 до 48 мкМ, константа скорости

второго порядка для реакции О

+ цит а

равна

3-10'

молъ~

-сек~

(период полупревращения при концент-

рации

25 мкМ при 21

С составляет примерно 5

•

10~

сек).

Скорость этой реакции слегка меняется (замедляется)

при

переходе от «разобщенных митохондрий» к «сопряжен-

ным». Для остальных реакций электронного переноса в

ЦЭТ

приводить значения констант скоростей бессмыслен-

но.

Формально в конкретных условиях эксперимента,

например при запуске процесса в анаэробных митохонд-

риях импульсным введением кислорода (или фотодиссо-

циацией

комплекса цитохрома а

с СО в атмосфере кис-

лорода), окисление отдельных переносчиков с хорошим

приближением подчиняется кинетическим уравнениям пер-

вого порядке, и авторы часто рассчитывают константы

скорости первого порядка, просто деля In 2 на период по-

лупревращения, как это делается в кинетике газовых реак-

212

ЭЛЕКТРОННЫЙ

ПЕРЕНОС

В БЙОСЙСТЁМАХ |ТЛ. 7

ций

и реакций в растворах.

Следует

помнить, однако, что

случае

реакций, происходящих не в статистическом ан-

самбле реагентов, а

между

фиксированными центрами,

обязательно принадлежащими одной ЦЭТ, скорость про-

цесса зависит не только от общего количества центров дан-

ного типа, но и от состояния соседних именно в тех ЦЭТ,

которые

содержат

данные реакционно-способные центры.

Скорость зависит в свою очередь не только от состояния

ЦЭТ,

но и от пути ее прихода в данное состояние, т. е. от

истории системы. Поэтому, для

того

чтобы константы ско-

рости имели тот же физический смысл, что и в обычной

кинетике,

необходимо почти необозримое количество ус-

ловий. Для характеристики процесса

лучше

пользоваться

непосредственно измеряемыми величинами типа периода

полупревращения, не претендующими на какой-либо тео-

ретический смысл.

Перенос электрона от цитохрома а к цитохрому а

происходит примерно на порядок медленнее, чем в обрат-

ном

направлении (это справедливо для неповрежденных

митохондрий; в изолированной цитохромоксидазе скорос-

ти процессов различаются не более чем вдвое).

Обращает внимание резкая зависимость скоростей пе-

реноса на некоторых

участках

ЦЭТ от сопряженного с

электронным транспортом окислительного фосфорилиро-

вания

(кстати, сравнение рис. 7.7 и рис. 7.6 заставляет

прийти к заключению, что на последнем приведены данные

для разобщенных митохондрий). Детальное исследование

кинетики

окисления цитохрома 6

показало, что на самом

деле

оно происходит весьма сложно и при некоторых ус-

ловиях окислению цитохрома &

после дачи О

в анаэроб-

ные митохондрии может предшествовать его временное

дополнительное восстановление [69].

Сопоставление данных, показанных на рис. 7.6 и 7.7,

с другими фактами, относящимися к функционированию

ЦЭТ

и отдельных переносчиков, приводит к

ряду

проти-

воречий, пути разрешения которых не вполне ясны. Лег-

ко

видеть, что при переносе электронов от НАД-Н (или

сукцината) к кислороду после цитохрома с процессы пе-

реноса резко ускоряются (особенно сильно в

случае

соп-

ряженных митохондрий). Это означает, что в стационар-

ном

состоянии митохондрий, когда кислорода достаточно

он не лимитирует скорость всего процесса, окисление

7.3]

ЦЕПИ

ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕНОСА В МЕМБРАНАХ 213

цитохромов должно происходить гораздо быстрее их вос-

становления

(примерно на два порядка), и поэтому они

должны находиться в практически полностью окисленном

состоянии.

К тому же выводу приходит Чане, сравнивав-

ший

большую скорость окисления цитохрома с с его ма-

лым числом оборотов в стационарном состоянии дыхатель-

ного контроля (см. ниже гл. 8) фосфорилирующих мито-

хондрий [111]. Число оборотов равно только 5

сек~

хотя

стационарном состоянии дыхательного контроля мито-

хондрий значительная доля цитохрома с (около 15%) на-

ходится в восстановленном состоянии. Может быть, это

означает, что скорости электронного переноса

между

ком-

понентами

цитохромной системы в стационарном состоя-

нии

ЦЭТ отличаются от этих скоростей в условиях, в кото-

рых были получены данные, приведенные на рис. 7.6 и

7.7, т. е. при взаимодействии кислорода с анаэробными

митохондриями.

Раз

уж речь зашла о цитохроме с, то нельзя не отме-

тить, что противоречие возникает и при сравнении резуль-

татов, изображенных на рис. 7.6 и 7.7, с тем, что нам из-

вестно сегодня об окислительно-восстановительных пре-

вращениях изолированного цитохрома с. В гл. 5 и 6 мы

видели, что окисление и восстановление цитохрома с сопро-

вождаются существенными конформационными изменения-

ми

макромолекулы. Опыты Пехта и Фараджи [112] показа-

ли,

что при восстановлении феррицитохрома с в растворе

конформационные'

изменения, необходимые для дос-

тижения

равновесного

состояния ферроцитохрома с, длят-

ся

сотни миллисекунд. Вместе с тем из результатов, при-

веденных в настоящем параграфе,

следует,

что при взаи-

модействии кислорода с ЦЭТ анаэробных митохондрий

цйтохром с окисляется (перенос цит с

—>•

цит а) и затем

восстанавливается (перенос цит с

-*- цит с) за несколько

миллисекунд. Это противоречие можно устранить с по-

мощью одного из

двух

допущений. Во-первых, возможно,

что релаксационные конформационные переходы молеку-

лы цитохрома с в мембранной

структуре

митохондрий

происходят гораздо быстрее, чем в растворе. Такое допу-

щение

представляется мне весьма маловероятным. Го-

раздо более правдоподобно второе допущение, согласно

которому при переносе электрона через цйтохром с к кис-

лороду в исходно анаэробных митохондриях в первые

214 ЭЛЕКТРОННЫЙ ПЕРЕНОС

БИОСИСТЕМАХ

[ГЛ. 7

моменты времени конформационные изменения макромоле-

кулы просто не успевают произойти. Действительно, в

анаэробных митохондриях ферроцитохром с находится в

равновесной «восстановленной» конформации. После мгно-

венной

дачи кислорода активный центр цитохрома с от-

дает

электрон и окисляется за несколько миллисекунд,

хотя конформация его белковой части остается

«восста-

новленной». Перенос электрона от следующего перенос-

чика (цитохрома с

) также осуществляется за несколько

миллисекунд, так что время жизни активного центра ци-

тохрома с

в окисленном состоянии при последовательных

актах электронного переноса к нему и от него недостаточ-

но

для реализации конформационного изменения. Так бу-

дет происходить до тех пор, пока не исчерпается резерву-

ар быстрых переносчиков, стоящих по «восстановитель-

ную»

сторону от цитохрома с (на рис. 7.6 и 7.7 цитохром

cj,

после чего акты восстановления активного центра каж-

дой его молекулы

будут

наступать так редко, что в про-

межутках

между

ними молекулы успевают отрелаксиро-

вать до равновесной «окисленной» конформации. Из

опытов в растворе мы знаем, что такая релаксация сопро-

вождается некоторыми спектральными изменениями, и,

значит, высказанное выше предположение можно было бы

в принципе проверить. Если оно верно, то это значит, что

для акцептирования электрона от соседнего переносчика

в ЦЭТ цитохром с не обязательно должен находиться в

равновесной окисленной конформации. К сожалению, по-

добное утверждение связано с отказом от очень краси-

вой идеи о специальном пути для электрона в окисленном

цитохроме с от поверхности белковой глобулы до железа,

проходящем через параллельно расположенные аромати-

ческие кольца тирозинов и триптофана (см. гл. 5). Правда,

эта идея представляется мне слишком красивой, чтобы

быть верной. В следующей главе вопрос о том, когда

можно и когда нельзя ожидать реализации существенных

конформационных переходов отдельных переносчиков

ЦЭТ,

будет

рассмотрен более подробно *).

Следует

отметить, что конформационные изменения цито-

хрома с в мембране

могут

протекать значительно медленнее, чем в

растворе. Это было показано при исследовании кинетических харак-

теристик цитохрома с, иммобилизованного на различных поверхнос-

тях [ИЗ].

7.3]

ЦЕПИ

ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕНОСА В МЕМБРАНАХ 215

На

этом мы закончим пока рассмотрение процессов

электронного

переноса в ЦЭТ митохондрий и перейдем к

анализу фотоиндуцированного транспорта электронов в

хлоропластах и хроматофорах фотосинтезирующих орга-

низмов.

Мы не

будем

здесь касаться вопроса о механизме

первичного акта фотоиндуцированного разделения заря-

дов. Об этом речь пойдет в следующем параграфе. Соб-

ственно,

перенос электронов

между

компонентами ЦЭТ

хлоропластов и хроматбфоров — такой же темновой про-

цесс,

как и электронный транспорт в митохондриях.

Поглощение

света обеспечивает лишь возникновение

компонент

ЦЭТ — доноров и акцепторов электронов с со-

ответствующим образом расположенными электронными

уровнями.

Несмотря

на поистине огромное и все возрастающее

число работ, посвященных процессам электронного тран-

спорта в фотосинтетических системах, точный состав ЦЭТ,

последовательность переносчиков и детали их кинетиче-

ских характеристик остаются невыясненными и

служат

предметом дискуссии многочисленных школ. Мы не

будем

подробно останавливаться на большинстве этих вопросов.

Для постановки проблем, обсуждаемых в данной книге,

не

так уж важно, например, расположен ли медьсодержа-

щий

белок пластоцианин перед, после или параллельно

с цитохромом / в цепи переносчиков электронов от актив-

ного центра фотосистемы II к активному центру фотосисте-

мы I в хлоропластах листьев зеленых растений. Вместе

с тем некоторые особенности фотосинтетических систем,

связанные

с принципиальной возможностью запускать

процессы электронного переноса вспышками света малой

длительности, позволили установить ряд новых важных

экспериментальных данных, но воспроизвести их на ЦЭТ

митохондрий пока не удалось. Мы остановимся здесь

главным образом на этих новых

результатах,

описав сна-

чала

сугубо

схематически построение ЦЭТ хроматофоров

фотосинтезирующих бактерий и хлоропластов зеленых

водорослей и высших растений. Поэтому на рис. 7.8 и

7.9 показаны только те компоненты ЦЭТ, которые необхо-

димы для понимания смысла обсуждаемых далее экспери-

ментов .

На

рис. 7.8 представлена схема ЦЭТ в хроматофорах

серных бактерий, в которых (при нециклическом элект-

216

ЭЛЕКТРОННЫЙ

ПЕРЕНОС В БИОСИСТЕМАХ

[ГЛ. 7

ронном

транспорте) реализуется перенос электрона от

донора — иона гидросульфида (HS~) к акцептору — окис-

ленной

форме НАДФ (НАДФ+). Особое внимание

следует

обратить на

молекулу

бактериохлорофилла Р 890, находя-

щуюся в фотохимическом активном центре ЦЭТ. В воз-

бужденном синглетном электронном состоянии эта

всы

-430

-324

-•т

+360

+ 450

ВС.Ы+

'Р890)

Рис.

7.8.

Схема цепи электронного транспорта

хроматофорах

сер-

ных бактерий.

Числа

уровней означают равновесные значения окислительно-

восстановительных потенциалов соответствующих центров

милли-

вольтах.

Сплошными стрелками указан

путь

циклического элек-

тронного транспорта.

молекула является хорошим донором электрона (ее фор-

мальный окислительно-восстановительный потенциал при-

мерно равен

—930

мв). Поэтому в

результате

поглощения

кванта света с длиной волны, не превышающей

9000

А,

происходит разделение зарядов, и электрон

переходит

на

первичный акцептор, пока еще неизвестной природы.'По

некоторым данным, таким акцептором

служит

пластохинон

(см.,

например, [114]), по

другим

— железосерный белок

типа показанного на рис. 7.8 ферредоксина (Фд) (см., [115]).

Вопрос о первичном электронном акцепторе

будет

до-

полнительно рассмотрен ниже. Ферредоксин безусловно

7.3]

ЦЕПИ

ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕНОСА!В МЕМБРАНАХ

217

является переносчиком, расположенным

в ЦЭТ

между

890 и

конечным акцептором НАДФ

. Образовавшийся

результате

разделения зарядов положительно заряжен-

ный

центр

(Р

890)

является хорошим окислителем (окис-

лительно-восстановительный потенциал примерно равен

-1310

-800

450

700

+800

Chi

Рис.

7.9.

Схема цепи электронного транспорта

хлоропластах

выс-

ших растений.

Числа

уровней означают равновесные значения окислительно-

восстановительных потенциалов соответствующих центров

милли-

вольтах.

Сплошными стрелками указан

путь

циклического транс-

порта.

450

мв) и

через первичный донор

—

молекулу

цитохрома

(по-видимому,

образующую

единый белковый комплекс

Р 890)

забирает электрон

от

окисляемого

субстрата

(сер-

нистые соединения). Таким образом,

при нециклическом

электронном

транспорте квант света

энергией около

1,38 эе

переносит электрон

от

субстрата

на

конечный

ак-

цептор, затрачивая

на

этот процесс около

0,05 эв.

Осталь-

ная

энергия кванта тратится

на

синтез

АТФ

(фотофосфо-

рилирование,

см.

ниже)

рассеивается

виде тепла.

При

некоторых условиях (избыток НАДФ-Н, нехватка

АТФ)

электронный поток

от

ферредоксина может пойти через

218 ЭЛЕКТРОННЫЙ

ПЕРЕНОС

В БИОСИСТЕМАХ [ГЛ. 7

специальную систему переносчиков к первичному доно-

ру — цитохрому с и снова на (Р 890)

{циклический

элект-

ронный

транспорт). В последнем

случае

электроны дви-

жутся

по замкнутому циклу, а энергия, выделяющаяся

на

стадиях, сопровождающихся повышением окислитель-

но-восстановительного потенциала,

расходуется

только

на

образование АТФ и рассеивается в виде тепла.

ЦЭТ

хлоропластов высших растений и зеленых водо-

рослей (см. рис. 7.9) включает две фотосистемы (см. [51,

116]).

Фотосистема I в принципе повторяет ЦЭТ хромато-

форов бактерий, с той разницей, что в фотохимическом

активном центре вместо бактериохлорофилла Р 890 на-

ходится хлорофилл а

, имеющий длинноволновый макси-

мум в спектре поглощения при

7000

А (Р 700) *), а пер-

вичным донором является цитохром /, который, впрочем,

тоже

относится к классу цитохромов с. Окисленный цито-

хром/, однако, при нециклическом электронном транспор-

те

получает

электрон не от

субстрата

(вода), а через цепоч-

ку переносчиков (не показанных на

схеме)

от первичного

акцептора фотосистемы II; окисленный активный центр

последней, хлорофилл а£,

получает

электрон через систе-

му переносчиков от молекулы Н

О. Таким образом, при

нециклическом электронном транспорте для переноса элек-

трона от

субстрата

О к конечному акцептору (НАДФ

)

тратится два кванта света с суммарной энергией около

3,65 эв, из которой непосредственно на перенос использу-

ется примерно 1,12 эв, а остальное

расходуется

на синтез

АТФ и рассеивается в виде тепла **).

ЦЭТ

хлоропластов и хроматофоров — образования,

по-видимому, не статистические, а (по крайней мере функ-

ционально,

если не морфологически) изолированные. Пе-

*) Хотя

все

длины волн приводятся

ангстремах,

книге

сох-

ранены принятые

литературе

обозначения Р700,

Р 890 и т. д.

**) Недавно

Кнафф

Арнон

[117]

предложили новую

схему

ЦЭТ

хлоропластов. Основным отличием

от

обычной схемы является

утверждение, согласно которому ферредоксины, стоящие

на

путях

циклического

нециклического транспорта,—• разные молекулы.

Циклический

электронный транспорт обеспечивается отдельной

фо-

тосистемой

со

своим набором переносчиков,

не

совпадающим

с на-

бором переносчиков

двух

световых реакций, обеспечивающих

не-

циклический транспорт. Независимо

от

справедливости этой точки

зрения,

она не

вносит ничего принципиально нового,

что

могло

бы

отразиться

на

физических аспектах проблемы.

7.3]

ЦЕПИ

ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕНОСА В МЕМБРАНАХ 219

ренос электронов

между

отдельными ЦЭТ реализуется, ве-

роятно,

только с помощью резервуара пластохинона, мо-

лярная

концентрация которого примерно на порядок пре-

вышает концентрации

других

переносчиков [118].

Недавно при исследовании кинетики электронного пе-

реноса в ЦЭТ хлоропластов, индуцированного вспышками

белого света микросекундной длительности, удалось по-

казать существование двухэлектронного

«затвора»

в цепи

переносчиков

между

двумя фотосистемами

[119—121].

Этот затвор пропускает электроны только парами. Веро-

ятно,

роль такого затюра играют молекулы пластохино-

на,

которые должны переносить электроны через гидро-

фобный

слой мембраны тилакоида. Функционирование

затвора основано на различиях растворимости пластохи-

нона

в разных окислительно-восстановительных систе-

мах (хинон, семихинон, гидрохинон) в гидрофобных и гид-

рофильных

средах.

Эти эксперименты также свидетель-

ствуют

о том, что взаимодействие молекул пластохинона,

принадлежащих к разным ЦЭТ, происходит значительно

медленнее, чем в

случае

молекул одной и той же ЦЭТ.

Как

уже было сказано выше, возможность иницииро-

вать реакции переноса светом весьма благоприятна для

кинетических исследований. Наиболее интересны резуль-

таты, полученные при изучении кинетики переноса на от-

дельных участках ЦЭТ в широком интервале температур.

Еще в 1960 г. в лаборатории Чанса [122] было показано,

что у фотосинтезирующих серных бактерий окисление

цитохрома типа с происходит при поглощении света при

температуре жидкого азота. Результаты первых исследо-

ваний

по темновому окислению цитохрома / после инду-

цированного

светом окисления Р 700 в зеленых растениях

были опубликованы в

1961г.

[123J.

В 1963 г. [124]

были получены кинетические данные, свидетельствующие

том, что перенос электрона от цитохрома /к центру

(Р

700)

происходит в ЦЭТ зеленых листьев при 77° К по

крайней

мере столь же эффективно, как и при комнатной

температуре. Подробные исследования были проведены

на

хроматофорах серных бактерий [109,

125—131].

Для одного из штаммов серных бактерий были получе-

ны

следующие кинетические данные по переносу электро-

на

от цитохрома с к ВСЫ

после фотоокисления последне-

го лазерной вспышкой [127]. При комнатной температуре

220 ЭЛЕКТРОННЫЙ

ПЕРЕНОС

В БИОСИСТЕМАХ [ГЛ. 7

период полупревращения Гч, равен

2-10"

сек. При

пони-

жении

температуры Ti/

растет, формально подчиняясь

уравнению Аррениуса с энергией Е

ж 0,14 эв. При

130° К х

~ 2-Ю"

сек, при 100° К т.,, ж 2,3- 1СГ

сек,

после чего период полупревращения остается практиче-

ски

постоянным вплоть до 4° К (Е

<2-10~

эв). Таким

образом, весь температурный интервал от комнатной до

гелиевой температур делится на две части: при температу-

рах выше примерно 100° К скорость электронного перено-

са зависит от температуры, а при более низких не зависит

от нее. Аналогичные результаты были получены Григоро-

вым [129] для

другого

штамма серных бактерий. Период

полупревращения при комнатной температуре составлял

1,5-10~

сек. Скорость переноса падала вплоть до темпера-

тур, примерно равных

200°

К (Е

ш 0,13 эв), после чего

оставалась практически постоянной вплоть до температу-

ры жидкого азота. Интересны данные по температурной

зависимости темпового восстановления фотоокисленного

цитохрома с втом же штамме серных бактерий [130]. Восста-

новление

проходит в две стадии, причем первая, быстрая

стадия, по-видимому, обусловлена переносом электронов

на

цитохром с от фотовосстановленных переносчиков ЦЭТ.

Скорость быстрой стадии обнаруживает сложную темпе-

ратурную зависимость. При понижении температуры от

комнатной

примерно до

230°

К эта стадия замедляется

приблизительно на два порядка, после чего вновь ускоря-

ется, и в интервале температур

170—-77°

К ее скорость

становится практически постоянной. Сравнительно мед-

ленное

темновое восстановление фотоокисленного цитохро-

ма с, слабо зависящее от температуры в интервале 295 —

77° К, было отмечено и при исследовании

другого

штам-

ма серных бактерий [128].

Было

обнаружено также, что некоторые реакции пере-

носа

электронов (окисление одного из цитохромов Ъ и вос-

становление нового центра — пигмента Р 546) в фотоси-

стеме II хлоропластов и зеленых листьев

могут

протекать

при

температуре жидкого азота [132].

Анализируя результаты изучения при гелиевых тем-

пературах фотоиндуцированных изменений сигнала ЭПР

ферредоксина, содержащегося в фотосистеме I хлороплас-

тов, Янг и Блумберг [133] пришли к заключению, что эти

вторичные реакции электронного переноса с участием