2. Регуляция активности ферментов

1. Изостерическая регуляция активности ферментов осуществляется на уровне их каталитических центров. Реакционная способность и направленность работы каталитического центра прежде всего зависят от количества субстрата (закон действия масс). Интенсивность работы фермента определяется также наличием коферментов, кофакторов и активаторов или ингибиторов, действующих на уровне каталитического центра. Активность тех или других ферментов может быть связана с конкуренцией за общие субстраты и коферменты, что является одним из способов взаимодействия различных метаболических циклов.

2. Влияние закона действия масс. В катализируемой ферментом обратимой химической реакции, например А + В <=> С + D, концентрация компонентов реакции и соответственно направление реакции будут регулироваться влиянием закона действия масс.

В реальных условиях реакция обычно протекает в одном направлении, так как образовавшиеся продукты могут оказаться субстратами для действия других ферментов и выводиться из сферы реакции. В этих случаях устанавливается скорее устойчивое (стационарное) состояние, чем истинное равновесие.

3. Важным способом регуляции ферментативной активности является трансформация латентной формы фермента (зимогена) в активную форму. Это достигается разрушением некоторых ковалентных связей с помощью протеаз, восстановлением дисульфидных групп, фосфорилированием протеинкиназами за счет АТР или ассоциацией неактивных субъединиц. Инактивация ферментов осуществляется путем их связывания специфическими ингибиторами белковой природы, а также разрушения протеиназами.

4. Изменение количества фермента. В клетках прокариот и эукариот имеются ферменты, концентрация которых не требует добавления индуктора; это так называемые конститутивные ферменты. Количество фермента в клетке зависит от наличия продукта реакции, катализируемой данным ферментом, причем продукт реакции вызывает торможение синтеза фермента в результате репрессии.

5. Некоторые ферменты, кроме каталитических (изостерических) центров, имеют также аллостерические, т.е. расположенные в других местах рецепторные участки, которые служат для связывания аллостерических эффекторов (регуляторов). В качестве эффекторов могут выступать определенные метаболиты, гормоны или даже молекулы субстрата. В результате присоединения положительно или отрицательно действующего эффектора к аллостерическому центру происходит изменение всей структуры фермента (конформация), что приводит соответственно к активации или торможению функциональной активности каталитического центра.

3. Миграция энергии и транспорт электронов при фотосинтезе.

Две фотосистемы.

В состав ФС I в качестве реакционного центра входит димер пигмента П700 (хлорофилл а с максимумом поглощения 700 нм), а также хлорофиллы а675-695, играющие роль антенного компонента фотосистемы I.

Первичным акцептором электронов в этой системе является мономерная форма хлорофилла а695 (Аг), вторичными акцепторами — А2 и Ав.

Комплекс ФС I под действием света восстанавливает водорастворимый белок ферредоксин (Фд) и окисляет медьсодержащий водорастворимый белок пластоцианин (Пц).

Белковый комплекс ФС II включает в себя реакционный центр, содержащий хлорофилл а П680, а также антенные пигменты - хлорофиллы а670-683.

Первичным акцептором электронов в этой фотосистеме выступает феофетин а (Фф), передающий электроны на первичный пластохинон и дальше на вторичный пластохинон.

В состав ФС II входят также белковый комплекс S-системы, окисляющий воду, и переносчик электронов 2, связанный с системой S и служащий донором е~ для П680. Этот комплекс функционирует с участием марганца, хлора и кальция. В ФС II локализован цитохром Ь559. ФС II восстанавливает пластохинон (PQ) и окисляет воду с выделением О2 и протонов.

Связующим звеном между ФС II и ФС I служат белковый цитохромный комплекс b6 — f и пластоцианин.

Антенные комплексы и миграция энергии в пигментных системах.

в хлоропластах растений на каждый реакционный центр приходится от 200 до 400 молекул хлорофилла, функции которых связаны с поглощением света и передачей энергии возбужденного состояния на реакционные центры. Молекулы хлорофилла а и дополнительные пигменты — хлорофилл Ь, каротиноиды, фикобилины — входят в состав антенных, или светособирающих, комплексов (ССК).

Из ламелл хлоропластов выделены светособирающий белковый комплекс с хлорофиллами а и b (ССКа_б тесно связанный с ФС II, и антенные комплексы, непосредственно входящие в фотосистемы I и II (фокусирующие антенные компоненты фотосистем).

Антенный белковый комплекс ФС II содержит 40 молекул хлорофиллов а с максимумами поглощения 670 — 683 нм на один П680 и ?-каротин.

Антенный белковый комплекс ФС I состоит из молекул хлорофиллов а с максимумами поглощения 680 — 695 нм на один П700 и ?-каротин.

Передача энергии по пигментам антенных комплексов происходит по принципу индуктивного резонанса. Природа индуктивного резонанса состоит в следующем. Каждая молекула хлорофилла, поглотившая квант света и перешедшая в возбужденное состояние, является молекулярным осциллятором. Возникающее вокруг возбужденной молекулы переменное электрическое поле с определенной частотой колебаний индуцирует осцилляцию диполя (электрон — ядро) соседней молекулы. При этом молекула-донор переходит в основное состояние, а молекула-акцептор — в возбужденное.

Условиями для резонансного переноса энергии электронного возбуждения служат малые расстояния между молекулами. Миграция энергии осуществляется от коротковолновых пигментов в сторону все более длинноволновых.

В антенных комплексах перенос энергии осуществляется в ряду: каротин (400 — 550 нм) --> хлорофилл Ь (650 нм) --> хлорофиллы а (660 — 675 нм) --> П680 (ФС II).

Эффективность переноса между молекулами хлорофилла достигает 100%, а между молекулами каротина и хлорофилла — лишь 40%.

Реакционные центры.

Белки, содержащие длинноволновые формы хлорофиллов (П680 в ФС II и П700 в ФС I) в количестве одна молекула на 200 — 400 молекул других хлорофиллов и способные к первичному фотохимическому разделению зарядов, называют реакционными центрами.

Первичное разделение зарядов в реакционных центрах происходит между молекулами хлорофилловой природы и связано с транспортом электронов. Функцию первичного донора электронов выполняет молекула хлорофилла, находящаяся в возбужденном состоянии.

В реакционном центре ФС II, перешнуровывающем мембрану, первичным донором электронов служит П680, а первичным акцептором - феофетин. В реакционном центре ФС I первичный донор электронов — П700, а акцептор — хлорофилл а695.

Последовательный ход событий в реакционном центре ФС II можно представить в виде следующей схемы:

Порядок реакций в этих процессах определяется продолжительностью того или иного состояния молекул. Первичные акцепторы феофитин или А695 получают электроны от своих доноров (П680 или П700 соответственно). То же самое относится к последующим парам взаимодействующих молекул (вторичные акцепторы с более стабильным состояниям). В реакционных центрах энергия возбужденного состояния хлорофилла преобразуется в энергию разделенных зарядов, т. е. превращается в химическую энергию.

Нециклический и циклический транспорт электронов.

Для восстановления одной молекулы NADP+ в процессе фотосинтеза необходимы два электрона и два протона, причем донором электронов является вода. Фотоиндуцированное окисление воды осуществляет ФС II, восстановление NADP+ — фотосистема I. Следовательно, эти две фотосистемы должны функционировать во взаимодействии.

схема нециклического транспорта электронов - Z-схема.

В ФС II димер П680, поглотив энергию, эквивалентную 2 квантам красного света, и перейдя в возбужденное состояние, отдает 2 электрона феофетину (Фф). От Фф электроны, теряя энергию, последовательно передаются на пластохиноны ФС II и на пластохинона (PQ), переносящих через липидную фазу мембраны электроны и протоны, на железосерный белок FeS/; и цитохром, цитохромного комплекса b6 — f. восстанавливая Cu-содержащий белок пластоцианин (Пц). Вакантные места («дырки») в П680 заполняются двумя электронами из содержащего Мп переносчика электронов Z, который в свою очередь восстанавливается с участием системы S. Окисленный белковый комплекс S связывает воду и восстанавливается за счет электронов воды. Для осуществления этой реакции в белковом комплексе S необходимы Мп и С1~, а также Са2 + .

На вакантные места в П-500 переходят электроны с Пц, и нециклическая цепь переноса электронов таким образом замыкается. Z-схема убедительно объясняет «эффект усиления Эмерсона», так как только при совместном использовании коротковолновых (ФС II) и длинноволновых (ФС I) лучей красного света интенсивность фотосинтеза будет оптимальной.

Энергия, освобождающаяся при движении электронов от П680 используется для синтеза АТР из ADP и неорганического фосфата (фотофосфорилирование).

Наряду с нециклическим в мембранах хлоропластов функционирует циклический транспорт электронов, включающий в себя только ФС I и комплекс цитохромов b6 — f. В этом случае возбужденные молекулы П*700 последовательно отдают электроны на А1, А2, Ав, Фд, PQ, цитохром b6, FeSR, цитохром f, Пц и, наконец, П700. При этом NADP+ не восстанавливается. Освобождающаяся энергия используется для фосфорилирования ADP.