Фотосинтез у прокариот

Под фотосинтезом понимают происходящее в клетках фототрофных организмов преобразование световой энергии в биохимически доступную энергию (АТФ) и восстановительные эквиваленты в форме НАДФН, а также связанный с этими процессами синтез клеточных компонентов.

Фотосинтез начинается с поглощения квантов света молекулами хлорофилла, бактериохлорофилла и другими пигментами. Молекула пигмента, воспринявшая квант света, переходит в возбужденное состояние, которое длится очень недолго (≤ 10^–9 с) и заканчивается возвращением ее к исходному, стабильному уровню. Этот переход сопровождается либо передачей возбужденного состояния другой молекуле пигмента, либо потерей сообщенной энергии в виде тепла, флуоресценции или фосфоресценции. Если энергия электронных возбужденных состояний передается по комплексу пигментов, то некоторое ее количество может достигать фотохимических реакционных центров, где происходит превращение световой энергии в химическую (табл. 9).

Молекулы хлорофилла или бактериохлорофилла (первичные доноры электронов) фотохимического реакционного центра тесно сопряжены с молекулами первичного акцептора электронов, и поэтому возбужденная молекула хлорофилла или бактериохлорофилла может отдавать им электрон. Отдав электрон, молекула хлорофилла или бактериохлорофилла приобретает способность акцептировать электрон. Чтобы предотвратить возвращение электрона на молекулу донора, вторичный акцептор принимает электрон от первичного акцептора и стабилизирует таким способом разделение зарядов. Реакции обратимого окисления-восстановления хлорофилла под воздействием света происходят в фотосинтетическом реакционном центре и являются «первичными» химическими реакциями фотосинтеза.

Таблица 9. Фотохимические реакционные центры фототрофных бактерий

(по М. В. Гусеву и Л. А. Минеевой, 2003)

Группы фотосинтезирующих эубактерий		Состав фотохимических реакционных центров
		Первичный донор электронов	Первичный акцептор электронов	Вторичный акцептор электронов
Пурпурные серные и несерные бактерии		Б/хл а (П870) Б/хл b (П960)	Б/феоф а Б/феоф b	Убихинон, менахинон
Зеленые бактерии	нитчатые	Б/хл a (П865)	Б/феоф a	Менахинон
	серные	Б/хл a (П840)	Б/хл с (П663)	FeS
Гелиобактерии		Б/хл g (П798)	Б/хл g (П670)	Хинон в комплексе с FeS
Цианобактерии	ФС I	Хл а (П700)	Хл а	FeS
	ФС II	Хл a (П680)	Феоф a	Пластохинон
Прохлорофиты	ФС I	Хл а (П700)	Информация отсутствует	Информация отсутствует
	ФС II	Хл a (П680)	Информация отсутствует	Информация отсутствует

П р и м е ч а н и я: ФС – фотосистема; б/хл – бактериохлорофилл; хл – хлорофилл; б/феоф – бактериофеофитин; феоф – феофитин; П – фотохимически активные формы хлорофилла с указанием длины волны, при которой происходит индуцированное светом изменение поглощения пигмента; FeS – железосеросодержащие белки.

Электрон со вторичного акцептора поступает в фотосинтетическую электронтранспортную цепь и по ее переносчикам может возвращаться на хлорофилл или бактериохлорофилл фотохимического реакционного центра. Последними переносчиками фотосинтетической электронтранспортной цепи, т. е. непосредственными донорами, с которых электроны поступают на хлорофилл или бактериохлорофилл реакционного центра, у фотосинтезирующих организмов в большинстве случаев служат цитохромы типа с. Возвращение электрона на хлорофилл фотохимического реакционного центра – темновой процесс. Электрон перемещается по цепи переносчиков в соответствии с электрохимическим градиентом. Такой транспорт электронов получил название циклического.

Кроме циклического транспорта электронов у фотосинтезирующих прокариот существует нециклический путь переноса электронов. При этом электрон, «оторванный» от молекулы хлорофилла реакционного центра (первичного донора), по электронтранспортной цепи, состоящей из переносчиков электронов, не возвращается к молекуле хлорофилла реакционного центра, а передается на такие центральные метаболиты клетки, как НАДФ⁺ или окисленный ферредоксин. Таким образом электрон, покинувший молекулу хлорофилла, выводится из «системы». Возникает однонаправленный незамкнутый электронный поток, получивший название нециклического пути переноса электронов.

Показано, что у пурпурных и зеленых нитчатых бактерий функционирует только циклический светозависимый поток электронов. У остальных групп фотосинтезирующих прокариот фотоиндуцируется как циклический, так и нециклический перенос электронов.

Поток электронов по цепи переносчиков при фотосинтезе на определенных этапах сопряжен с направленным перемещением протонов через мембрану, что приводит к созданию протонного градиента, который при участии фермента АТФ-синтазы используется для синтеза молекул АТФ.

Фосфорилирование, сопряженное с циклическим потоком электронов, получило название циклического фотофосфорилирования. Соответственно нециклическим фотофосфорилированием называют синтез АТФ, сопряженный с нециклическим электронным транспортом.

Рассмотрим, как происходит оксигенный и аноксигенный фотосинтез.

Оксигенный фотосинтез характерен для цианобактерий и прохлорофит. При оксигенном фотосинтезе работают две пигментные системы, включающиеся последовательно. Пигментную систему цианобактерий, возбуждаемую более длинноволновым светом (λ < 730 нм), называют фотосистемой I. Она содержит хлорофилл (хл а₁) (П₇₀₀) – первичный донор электронов в первой фотореакции. Световая энергия, поглощаемая светособирающими пигментами фотосистемы I, передается в реакционный центр и переводит в возбужденное состояние хл а₁. Далее хл а₁ отдает один электрон, при этом он окисляется и превращается в хл а . Вторичным акцептором отданного электрона служит железосерный белок. Он обладает еще более отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом и в свою очередь способен отдавать электрон ферредоксину, а с восстановленного ферредоксина восстановительный эквивалент может передаваться на НАДФ⁺ или другие акцепторы. Наряду с этим возможен и циклический перенос электронов, при котором электрон от железосодержащего белка передается на пластохинон, цитохромы и пластоцианин обратно к хлорофиллу а реакционного центра.

Реакционный центр фотосистемы II содержит хлорофилл а₂ (хл а₂) (П₆₈₀*), который служит первичным донором электронов во второй фотосистеме. Получив энергию, поглощенную светособирающими пигментами фотосистемы II, хлорофилл а₂ переходит в возбужденное состояние. Электрон принимает молекула первичного акцептора феофитина а, а затем он передается на молекулу пластохинона, который при этом восстанавливается до семихинона. Донором электронов для фотосистемы II служит вода. «Дырка», образовавшаяся в хл а в результате потери электрона, заполняется одним из электронов, освобождающихся в результате образования О₂ при разложении Н₂О:

2Н₂О О₂ + 4Н⁺ + 4е^–.

Разложение воды происходит при участии ионов марганца.

Две описанные выше пигментные системы связаны между собой электронтранспортной цепью, важным звеном которой является пластохинон, который находится в большом избытке и выполняет функцию накопителя (депо) электронов. Этот накопитель может связывать не менее 10 электронов. Окисление пластохинона осуществляет фотосистема I, т. е. электроны «накопителя» расходуются на заполнение «дырок» в хл а . От пластохинона электроны передаются последовательно железосерному белку, комплексу b₆/f, затем пластоцианину и, наконец, хлорофиллу а . Таким образом, пластохинон выполняет важную функцию накопления и дальнейшей передачи электронов, поступающих из нескольких электронтранспортных цепей. Схематически пространственную ориентацию электронтранспортной системы внутри тилакоидной мембраны можно изобразить следующим образом (рис. 43).

Фотосистема I

Е₀, мB

П₇₀₀*

Фотосистема II

А₁

–1000

П₆₈₀*

FeS

Феоф

Фд

Фд

е^–

ПХ

е^–

Фп

Фвд

НАДФ⁺

ПХ

Свет

НАДФН

FeS

0

комплекс b₆/f

е^–

ПЦ

Свет

П₇₀₀

c₅₅₃

Протонный

градиент

Н₂О

1/2О₂

П₆₈₀

е^–

+1000

Рис. 43. Организация фотосинтетического аппарата у цианобактерий:

феоф – феофитин; FeS – железосеросодержащий белок; Фд – ферредоксин; Фвд – флаводоксин; Фп – флавопротеин; ПХ – пластохинон; ПЦ – пластоцианин; с₅₅₃, b_6, f – цитохромы; П₇₀₀* – хл а₁ реакционного центра; П₆₈₀* – хл а₂ реакционного центра; А₁ – первичный акцептор электрона

Таким образом, две фотосистемы вместе со связывающей их электронтранспортной цепью обеспечивают направленный поток электронов от воды (с внутренней стороны тилакоидной мембраны) к НАДФ⁺ (с внешней стороны). В результате происходит восстановление НАДФ⁺ и образование заряда на мембране. Иными словами, световые реакции выступают в роли протонного насоса, который работает за счет энергии света и создает положительный заряд внутри тилакоида, мембрана аккумулирует энергию в форме протонного градиента, и эта энергия используется для синтеза АТФ.

Аноксигенный фотосинтез характерен для пурпурных и зеленых бактерий, гелиобактерий, в клетках которых содержатся пигменты для функционирования только одной фотосистемы, а в процессе фотосинтеза кислород не выделяется, хотя фотореакции у них различаются.

Рассмотрим фотореакции у пурпурных и зеленых нитчатых бактерий (рис. 44).

б/хл а* или b*

б/хл а или b

П₈₇₀ или П₉₆₀

б/феоф а или b

МХ или УХ

МХ

b/с

с₅₅₅

Фп

НАД⁺

с₅₅₂

с₅₅₂/Фп

S^2–

Е₀, мB

–1000

0

+1000

свет

е^–

Рис. 44. Организация фотосинтетического аппарата у пурпурных бактерий:

б/хл – бактериохлорофилл; б/феоф – бактериофеофитин; Фп – флавопротеин; MX – менахинон; УХ – убихинон; b, с, с₅₅₂, с₅₅₅ – цитохромы

Энергия, поглощенная светособирающими пигментами (бактериохлорофиллом и каротиноидами) передается бактериохлорофиллу фотохимического реакционного центра. Первичным акцептором электронов служит бактериофеофитин а или b. Далее электроны возвращаются с участием ряда переносчиков электронтранспортной цепи на молекулы бактериохлорофилла фотореакционного центра. В результате такого циклического транспорта электронов синтезируется энергия, аккумулируемая в молекулах АТФ. Восстановленные формы переносчиков восстановительных эквивалентов (НАДН или НАДФН) образуются в результате обратного транспорта электронов (переноса против электрохимического градиента) по электронтранспортной цепи за счет энергии, генерируемой в процессе циклического транспорта электронов

Это темновой процесс, донорами электронов которого являются экзогенные вещества (Н₂S, тиосульфат, молекулярный водород, органические соединения).

Таким образом, у пурпурных и зеленых нитчатых бактерий имеется циклический транспорт электронов, в процессе которого образуется АТФ, и обратный транспорт электронов, при котором синтезируются восстановленные формы переносчиков восстановительных эквивалентов НАДН или НАДФН.

У зеленых серобактерий и гелиобактерий в результате фотохимической реакции одного типа индуцируется как циклический транспорт электронов, приводящий к образованию АТФ, так и нециклический, при котором образуется восстановитель (рис. 45).

б/хл а*

П₆₆₃*

б/хл а

П₈₄₀

FeS

Фд

МХ

b/с

Фп

НАД⁺

с₅₅₃

с

S^2–

Е₀, мB

–1000

0

+1000

свет

е^–

b

Рис. 45. Организация фотосинтетического аппарата у зеленых серобактерий:

б/хл – бактериохлорофилл; FeS – железосеросодержащий белок; Фд – ферредоксин; Фп – флавопротеин; MX – менахинон; b, с, с₅₅₃ – цитохромы

Таким образом, в процессе фотохимических реакций у различных представителей фототрофных бактерий, осуществляющих оксигенный и аноксигенный фотосинтез, образуются молекулы АТФ и восстановленные формы преносчиков восстановительных эквивалентов НАДН или НАДФН. Эти первые стабильные продукты фотосинтеза используются в конструктивном метаболизме бактерий для ассимиляции углекислого газа (фотоавтотрофы) и других соединений (фотогетеротрофы).

«Бесхлорофилльный фотосинтез» способны осуществлять экстремально галофильные бактерии.

В группу экстремально галофильных бактерий входят бактерии с разной морфологией клеток. Например, к роду Halococcus относятся грамвариабельные неподвижные кокки, к роду Halobacterium – грамположительные подвижные палочки с полярно расположенными жгутиками. Грамположительные бактерии рода Haloarcula имеют форму плоских квадратных пластинок и коробочковидных клеток. К этой группе относятся также представители родов Natronobacterium и Natronococcus, которые являются к тому же алкалофилами, растущими только при рН 9–11.

Галобактерии распространены там, где есть подходящие для этого условия: высокое содержание NaCl и других необходимых ионов, т. е. в природных соленых водоемах, в бассейнах для выпаривания соли, в белковых материалах, консервируемых с помощью соли (рыба, мясо, шкуры). Они могут расти в насыщенном растворе NaCl (около 30 %). Нижний предел концентрации соли для роста большинства видов составляет 12–15 %; оптимальное содержание – между 20 и 26 %. Высоки потребности галобактерий и в других ионах – ионах Mg²⁺ и K⁺. Установлено, что ионы Na⁺ необходимы для поддержания клеточной стабильности. Они взаимодействуют с отрицательно заряженными молекулами клеточной стенки галобактерий и придают ей необходимую жесткость. Ионы К⁺ (наряду с другими ионами) необходимы для поддержания ионного равновесия внутри и снаружи клетки, стабилизации ферментов, мембран и других клеточных структур.

При недостатке в среде молекулярного кислорода в цитоплазматической мембране галобактерий индуцируется синтез хромопротеина – бактериородопсина, белка, соединенного ковалентной связью с каротиноидом ретиналем:

Хромопротеин откладывается в виде отдельных пурпурных областей (бляшек) красного цвета на цитоплазматической мембране. Цвет бляшек обусловлен высоким содержанием каротиноидов. При выращивании клеток на свету в условиях недостатка О₂ пурпурные участки могут составлять до 50 % поверхности мембраны. В них содержатся 20 – 25 % липидов и только один белок – бактериородопсин.

Экстремальные галофилы имеют сложные пищевые потребности. Для роста большинства видов в состав сред должны входить дрожжевой экстракт, пептон, гидролизат казеина, набор витаминов. Основным источником энергии и углерода служат аминокислоты и углеводы. Метаболизм глюкозы осуществляется по модифицированному пути Энтнера – Дудорова (рис. 46). Этот путь отличается у галобактерий тем, что глюкоза без фосфорилирования окисляется в глюконовую кислоту. Последняя превращается в 2-кето-3-дезоксиглюконовую кислоту, которая расщепляется на два С₃-фрагмента: пировиноградную кислоту и глицериновый альдегид. Из глицеринового альдегида в результате нескольких ферментативных реакций также образуется пировиноградная кислота. Дальнейшее ее окисление происходит в замкнутом цикле Кребса.

Глюконовая Пировиноградная

Глюкоза кислота 2-Кето-3-дезоксиглюконовая кислота

кислота

НАДФ⁺ НАДФН Н₂О Глицериновый

альдегид

Глицериновая 2-Фосфоглицериновая Фосфоенолпировино-

кислота кислота градная кислота

НАДФ⁺ НАДФН АТФ АДФ АДФ

АТФ

Пировиноградная

кислота

Рис. 104. Схема модифицированного пути Энтнера-Дудорова

Рис. 46. Схема модифицированного пути Энтнера – Дудорова

Основной способ получения энергии экстремальными галофилами – аэробное дыхание. В цитоплазматической мембране обнаружены цитохромы b и c, а также цитохромоксидаза о. В анаэробных условиях в темноте источником энергии может служить анаэробное дыхание с использованием NO в качестве конечного акцептора электронов, а также процесс сбраживания аргинина и цитруллина. Свет служит дополнительным источником энергии, аппарат для использования которого подключается при недостатке О₂. Использование световой энергии для создания трансмембранного градиента протонов происходит с участием бактериородопсина и не связано с переносом электронов по цепи переносчиков. Этот хромопротеин имеет молекулярную массу 26 кД и содержит полипептидную цепь, построенную из 248 аминокислотных остатков и на 75 % состоящую из α-спиральных участков. Последние образуют семь тяжей, ориентированных перпендикулярно плоскости мембраны. Ретиналь расположен параллельно плоскости мембраны и, следовательно, перпендикулярно белковым тяжам (рис. 47).

NH

COO^–

Полипептидная цепь

Ретиналь

Фосфолипид

Рис. 47. Организация бактериородопсина в пурпурной мембране

(из http://courses.cm.utexas.edu/jrobertus/ch339k/overheads-2.htm)

Связь между ретиналем и полипептидной цепью осуществляется через Шиффово основание, образованное в результате взаимодействия альдегидной группы ретиналя с ε-аминогруппой 216 остатка лизина:

R ′–NH₂ + O = CH–R′′ R′ –N=CH–R′′ + H₂O

Лизин Ретиналь Шиффово

основание

Шиффово основание в темноте находится в протонированной форме. Поглощение кванта света бактериородопсином вызывает изменение конформации ретиналя и приводит к отщеплению Н⁺ от Шиффова основания:

H+ R ′ – N = CH – R′′ R′ – N = CH – R + H+ В темноте На свету

Протон, отделившийся на свету от Шиффова основания, переходит во внеклеточное пространство, а Н⁺, протонирующий Шиффово основание, поглощается из цитоплазмы. Таким образом, под действием света бактериородопсин «перебрасывает» протоны с одной стороны мембраны на другую.

В результате работы циклического механизма, получившего название бактериородопсиновой протонной помпы, при освещении по разные стороны мембраны возникает градиент концентрации Н⁺, достигающий 200 мВ (рис. 48). Разрядка протонного градиента с помощью Н⁺-АТФ-синтазы приводит к синтезу АТФ. Таким образом, бактериородопсин – простейший из известных генераторов протонного градиента.

Бактериородопсиновая

протонная помпа

Н⁺

Свет

Н⁺

Н⁺

Н⁺

Н⁺

Н⁺-АТФ-синтаза

Цитоплазматическая мембрана

Н⁺

АТФ

АДФ

Рис. 48. Схема работы бактериородопсиновой протонной помпы:

(из http://www.steve.gb.com/science/membranes.html)

Вопрос о происхождении «бесхлорофилльного фотосинтеза», обнаруженного у экстремально галофильных архебактерий, неясен. Большинство исследователей считают, что этот тип фотосинтеза – сформированное в «кислородную эпоху» приспособление к существованию в условиях недостатка О₂. В то же время нельзя полностью исключить возможность сохранения древней формы фотосинтеза, основанного на светозависимых превращениях каротиноидных пигментов.