Трухан Э.М. Введение в биофизику

• Энергетические валюты могут превращаться друг в друга. По-

этому получения хотя бы одной из них за счёт внешнего ресурса

достаточно для поддержания жизнедеятельности клетки.

На рисунках 3.14- 3.17 приведены схемы взаимосвязи разных видов

свободной энергии в клетках различных организмов, которые иллю-

стрируют эти законы.

Рис. 3.14. Морские анаэробные бактерии.

Основной источник энергии – субстратное фосфорилирова-

ние при расщеплении углеводов. Часть АТФ при этом расходуется на

создание Δμ

Η+

, на внешней мембране, которое в свою очередь может

обмениваться на Δμ

Na+

. У пресноводных анаэробов, живущих в среде

с дефицитом Νа+, последний процесс отсутствует. У некоторых мор-

ских анаэробов μ

Η+

совсем не используется и АТФ сразу расходуется

на создание Δμ

Na+

Рис. 3.15. Морские аэробные бактерии.

Основной источник энергии - протонная помпа во внешней

мембране, создающая Δμ

Η+

на ней за счёт энергии света или окисле-

ния субстратов дыхания (углеводов, жиров или белков) кислородом,

как в митохондриях. АТФ также синтезируется и через мембранную

АТФ-синтазу, и посредством субстратного фосфорилирования в объ-

ёме клетки. Δμ

Η+

так же может с помощью ионообменника конверти-

роваться в Δμ

Na+

. В пресноводных бактериях последний путь отсутст-

вует. У бактерий, не имеющих протонной фотопомпы, основным ис-

точником энергии является Δμ

Na+

, на внешней мембране, возникаю-

щий при дыхательном окислении неорганических субстратов.

Рис. 3.16. Энергетика животной клетки отличается большим разнооб-

разием энергоносителей.

Основным носителем служит Δμ

Η+

, возникающий на мито-

хондриальной мембране дыхательном окислении. Он легко превраща-

ется в АТФ с помощью мембранной АТФ-синтазы. Другим источни-

ком АТФ служит субстратное фосфорилирование в объёме. АТФ в

свою очередь широко используется во внутриклеточных процессах и

может конвертироваться в протонный потенциал на мембранах секре-

торных гранул или в Δμ

Na+

на внешней клеточной мембране

Рис.3.17. Энергетика растительной клетки.

Здесь первичным источником энергии служит свет, создаю-

щий Δμ

Η+

на мембране тилакоидов и синтезируемая за счёт него АТФ.

Другим источником энергии являются углеводы, создаваемые посред-

ством фотосинтеза и окисляемые в митохондриях с созданием про-

тонного потенциала и синтезом АТФ. АТФ используется для создания

Δμ

Η+

на мембранах вакуолей.

В дальнейшем, рассматривая вопросы переноса и преобразо-

вания вещества и информации в живой системе, мы неизбежно столк-

нёмся с конкретными источниками и механизмами преобразования

свободной энергии в этих диссипативных процессах.

Выше неоднократно упоминалась важная роль световой энер-

гии, которую может использовать живая система. Действительно, оп-

тическое возбуждение

электронной системы биомакромолекул и по-

следующие электрохимические и конформационные процессы явля-

ются эффективным инструментом использования фотонов живым

организмом. Оставляя информационный (сигнальный) аспект этого

явления для жизнеобеспечения организма до изложения вопросов

биорецепции, остановимся здесь лишь на биоэнергетической стороне

проблемы. Учитывая исключительное значение световой энергии для

биоэнергетики в целом, мы вынесем рассмотрение этого вопроса в

отдельный раздел.

4. Биофизика фотосинтеза.

Фотосинтез в прямом смысле это – синтез углеводов под

действием видимого света. В более широком и ставшем популярным

смысле – это весь комплекс процессов ассимиляции фотонов и хими-

ческих субстратов в растительном организме, которые приводят к его

росту и развитию. Сюда, разумеется, входят и процессы синтеза пиг-

ментов, обеспечивающих поглощение фотонов и

первичные фотохи-

мические реакции, и других соединений, отвечающих за формирова-

ние органов растительного организма и его приспособление к услови-

ям окружающей среды. Наблюдения за загадочным процессом фото-

синтеза продолжаются уже несколько веков. Однако лишь период

конца XVIII века, когда на смену ошибочным гипотезам об опреде-

ляющей роли почвенных минеральных элементов, а позже

– почвен-

ной воды, как пластических материалах для образования биомассы

растений, пришло представление об атмосферных газах как о главных

участниках процесса фотосинтеза (Д. Пристли, К. Шееле и Я. Инген-

хауз), можно считать началом познания научной сущности фотосинте-

за. За последние 200 с лишним лет фотосинтез из биологической, а

затем и физиологической науки

превратился в науку биофизическую,

составившую значительную часть всей современной биофизики. Уча-

стниками создания современных представлений о природе фотосинте-

за стал целый ряд выдающихся учёных, достижения которых были

отмечены многими Нобелевскими премиями. Изложить сколько ни-

будь полно состояние этого раздела биофизики в данном кратком по-

собии не представляется возможным. Поэтому мы опустим

описание

удивительно интересной и поучительной истории изучения фотосин-

теза и ограничимся кратким очерком современных представлений о

биофизической сущности процессов фотосинтеза, которые обеспечи-

вают его высокую энергетическую эффективность.

4.1. Элементы физиологии фотосинтеза

Многие живые организмы способны к фотосинтезу. Даже в

кожном слое млекопитающих идёт под действием света синтез хими-

ческих соединений (вспомним синтез витамина D у детей и меланина,

отвечающего за загар). Но основными объектами исследований фото-

синтеза и практического использования его продуктов являются рас-

тения и водоросли, в том числе микроорганизмы. У высших растений

основная масса синтезируемых соединений производится в листьях.

Но и в других частях растений идут фотосинтетические процессы,

управляющие развитием цветков, семян, изменением формы растений

их пространственной ориентацией. Участники и механизмы этих

процессов изучены пока недостаточно, хотя подобное сигнальное дей-

ствие света представляет большой научный и практический интерес.

Фотосинтетические процессы в листьях растений локализова-

ны в специальных органеллах, называемых хлоропластами (зелёными

тельцами). Внутреннее пространство хлоропласта, показанное на рис.

4.1., заполнено пластинчатыми гранулами зелёного цвета (граны).

Граны

представляют собой стопки сильно сплюснутых мешочков –

тилакоидов. Стенки тилакоидов (ламеллы) представляют собой тон-

кие (около 5 нм толщиной) фосфолипидные мембраны, внутри кото-

рых находятся липотропные участники первичных процессов фото-

синтеза (пигменты, белки, переносчики электронов и протонов).

Внутреннее межмембранное пространство тилакоидов (толщиной 3-5

нм) является водной средой, содержащей водорастворимые участники

процесса. В межгранальном (

стромальном) пространстве, представ-

ляющем собой водную среду, находятся менее упакованные отдель-

ные тилакоиды и ламеллы.

Грана

Тилакоид

Оболочка

хлоропласта

Ламелла

граны

Ламелла

стромы

Строма

Межмембранное

пространство

Внешняя

мембрана

Межгранный

тилакоид

Рис. 4.1. Внутреннее устройство хлоропласта

У фотосинтезирующих бактерий нет хлоропластов, а участники про-

цесса фотосинтеза расположены в мембранах, подобных ламеллам

высших растений, но расположенных под внешней оболочкой микро-

организма и образующих замкнутое пространство. Замкнутая тополо-

гия мембранных образований и в хлоропластах, и в бактериях – важ-

ное условие, поскольку при функционировании фотосинтетического

аппарата на этих мембранах

, как и в митохондриях, возникает элек-

трохимический потенциал для протонов.

4.2. Квантовая биофизика фотосинтеза

Основная продукция фотосинтеза, это – соединения с высо-

ким восстановительным потенциалом – углеводы, в первую очередь

глюкоза и её высокомолекулярные производные (типа крахмала). Ра-

бочим телом фотосинтетической машины в высших растениях и неко-

торых водорослях является вода. Физическая сущность первичного

процесса фотосинтеза – это разложение воды с помощью квантов све-

та на кислород

и водород. Однако прямое одноквантовое разложение

молекулы воды возможно лишь с помощью ультрафиолетовых кван-

тов (энергия связи О–Н составляет около 4,4 эВ, что соответствует

кванту с длиной волны около 280 нм), которых практически нет в

спектре солнечного излучения у поверхности Земли. Вспомним, что

молекула воды (рис. 4.2.) – электронейтральное, но сильно поляризо-

ванное соединение

. В силу высокого сродства атомов кислорода к

электронам водородные электроны в молекуле воды сильно смещены

к атому кислорода. Разложение изолированной молекулы воды на

компоненты требует их возврата к водороду, а это возможно лишь

при участии высоковозбужденных состояний электронов. Промежу-

точные продуты этого процесса (свободные радикалы) химически

агрессивны и способны быстро

разрушить химический комплекс, ко-

торый рискнул бы обеспечить подобный процесс прямого фотолиза

воды.

Рис. 4.2. Схема молекулы воды

В то же время разность окислительно-восстановительных потенциа-

лов водорода и кислорода (таблица 2) равна 1,23 В. Это означает, что

в стабильных продуктах разложения воды запасается в расчёте на пе-

ренос одного электрона всего 1,23 эВ свободной энергии, т. е. значи-

тельно меньше, чем затрачивается на активацию переноса квантом

света. Значит, должен существовать более экономный способ разло-

жения воды другим путём. И природа нашла этот путь. Это путь фо-

толиза воды

, сенсибилизированного к видимой области солнечного

спектра с помощью фотокатализатора.

Сущность процесса фотосенсибилизации состоит в отделении

процесса оптического возбуждения от самого процесса разложения

воды и в использовании для этого более мягких квантов, удовлетво-

ряющих термодинамической оценке, приведенной выше. Простейшая

схема такого процесса изображена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Схема фотокатализа окислительно-восстановительного

процесса

Здесь возбуждение сенсибилизатора сопровождается перено-

сом электрона с верхнего возбуждённого энергетического уровня на

акцептор

А, а электронная вакансия на нижнем основном уровне за-

полняется от донора

Д. После этих актов молекула сенсибилизатора

возвращается в исходное состояние. Электрон от акцептора

может

использоваться в темновых реакциях восстановления последующих

реагентов, а дырка на доноре

может участвовать в темновых про-

цессах окисления, например, воды, т. е. с помощью некоего дополни-

тельного катализатора вытаскивать электроны из потенциальной

ямы на кислороде воды без образования высоко возбуждённых про-

межуточных продуктов. Последнее, в принципе, возможно, если этот

катализатор способен накапливать дырки до такого количества, кото-

рое достаточно для аккордного

разложения воды с образованием сра-

зу стабильного конечного продукта разложения, например, молеку-

лярного кислорода О

из двух молекул воды.

2 Н

О – 4 е

= О

+ 4 Н

(4.1.)

Требования, предъявляемые к сенсибилизатору достаточно

простые. Прежде всего это должна быть молекула, способная к воз-

буждению электронов квантами видимого света (их энергия лежит в

диапазоне 1,75÷3 эВ>1,23 эВ). Время жизни этого возбуждённого со-

стояния, определяемого скоростью излучательных и без излучатель-

ных переходов электрона в основное состояние, должно быть доста-

точно велико, чтобы перенос зарядов на

А и Д, успевал произойти до

его релаксации. Энергетическое положение основного и возбуждён-

ного уровней сенсибилизатора должно термодинамически позволять

электрону и дырке переходить на

А и Д спонтанно. И, наконец, сен-

сибилизатор должен быть достаточно стабильным материалом по от-

ношению к действию света и целевых и побочных продуктов фоторе-

акций. Этим условиям удовлетворяет множество химических соеди-

нений. Природа выбрала одно из соединений ряда тетрапиролов, а

именно хлорофилл. Формула хлорофилла а приведена на рис. 4. 4.

Рис. 4.4. Химическая формула хлорофилла а

Хлорофилл b отличается от хлорофилла a наличием группы

CН

вместо отмеченной кружочком группы СН

. Плоская гемогруппа, от-

меченная жирной линией, является высокосопряженной системой, в

которой делокаолизованы электроны., обладает гидрофильными свой-

ствами. Гидрофобный фитольный хвост, показанный на рисунке в

сложенном состоянии, обеспечивает связывание хлорофилла с фосфо-

липидами мембраны и с гидрофобными областями хлорофилл-

связывающих белков. Эти амфотерные свойства хлорофилла способ-

ствуют самосборке агрегатов хлорофилла на

границе липид-вода и на

поверхности белков, где чередуются гидрофильные и гидрофобные

участки. Структура центральной части хлорофилла аналогична гемму

железа в молекуле гемоглобина или цитохромах и обеспечивает по-

глощение света в видимом диапазоне. Спектры поглощения хлоро-

филлов а, b и с качественно похожи. Их типовой вид изображён на

рис. 4.5. Явно выражены две полосы поглощения: в красной области

(в районе 660–680 нм) и в синей области (в районе длин волн 450 нм).

Они обусловлены соответственно возбуждением в

450

660

700

Рис. 4.5. Типичный вид спектров поглощения хлорофиллов –

сплошная кривая, спектр поглощения хлоропластов – пунк-

тирная кривая.

первое и второе синглетные состояния. Энергетические уровни, уча-

ствующие в возбуждении, показаны на рис. 4. 6.

Рис. 4.6.Уровни энергии хлорофилла и β-каротина. S

, – основ-

ное и возбуждённые синглетные состояния хлорофилла, S*– синглет-

но-возбужденное состояние каротина, Т

и Т

– триплетно возбуждён-

ные состояния пигментов. Сплошные восходящие стрелки – оптиче-

ские переходы, сплошные нисходящие стрелки – без излучательные

переходы в молекуле хлорофилла, волнистая стрелка – флуоресцен-

ция хлорофилла, пунктирные стрелки – оптически запрещённые пере-

ходы, наклонные стрелки – межмолекулярные переносы энергии

– коротко живущее состояние, за время короче 10

-12

с электрон

опускается с него в состояние S

, собственное время жизни которого

значительно больше (несколько наносекунд), откуда электрон успе-

вает захватиться акцептором (на рисунке не показано). Если акцептор

занят, то электрон может опуститься на основной уровень или, изме-

нив свой спин, перейти на триплетный уровень. Оптический переход с

триплетного уровня в основное состояние запрещён, поэтому это со-

стояние

долгоживущее, и пребывающий в нём электрон может вы-

звать нежелательные химические реакции. От этого деструктивного

процесса хлорофилл защищён присутствием β-каротина, (рис. 4.7.)

который перехватывает эту энергию на свой триплетный уровень.

CH CH C

CH CH

CH C

CH CH

Рис. 4.7. β- каротин (провитамин А)

Каротин и некоторые другие пигменты играют и другую важную

роль. Они поглощают свет в зелёной части спектра, где хлорофиллы

имеют относительно малое поглощение и передают энергию своего

возбуждения индуктивно-резонансным образом на синглетный уро-

вень хлорофилла. Это выравнивает спектр поглощения фотосинтети-

ческого аппарата по отношению

к спектру поглощения хлорофилла

(рис. 4.5.). Это обстоятельство, а также существование нескольких

химически и физически различающихся форм хлорофиллов значи-

тельно сглаживает спектр действия фотосинтеза в видимом участке

солнечного спектра. Красная граница фотосинтеза как квантового

процесса определяется самыми длинноволновыми формами хлоро-

филла, и у высших растений располагается в районе 700 нм.

Способность молекул

хлорофилла к фотоокислению и фото-

восстановлению по схеме, приведенной на рис. 4.3, показана экспери-

ментально в опытах in vitro с искусственными донорами и акцептора-

ми (реакции Красновского). В природном фотосинтетическом аппара-

те скорость фотоокисления хлорофилла значительно превосходит

скорость его фотовосстановления. Таким образом, молекула хлоро-

филла удовлетворяет всем требованиям, необходимым для выполне-

ния функции сенсибилизатора

. В природном фотосинтетическом ап-

парате функции поглощения света и разделения зарядов разделены и

выполняются разными молекулами хлорофилла. Это обусловлено

Трухан Э.М. Введение в биофизику

Подождите немного. Документ загружается.