Фотосинтез - Холл Д., Рао К.

Author: Холл Д. Рао К.

Tags: физиология растений ботаника биология фотосинтез

Year: 1983

Similar

Большой практикум по фотосинтезу

Фотосинтез C3-и С4-растений механизмы и регуляция

Физиология и биохимия низших растений

Физиология растений

Text

Д. ХОЛЛ К.РАО
ФОТОСИНТЕЗ
Издательство «Мир» Москва
ОГЛАВЛЕНИЕ
PHOTOSYNTHESIS
Third edition
D. O. HALL
Ph. D.
Professors of Biology,
King’s College,
University of London
К. K. RAO
Ph. D.
Honorary Lecturer,
King’s College, University of London
Edward Arnold
Д. Холл, К. Рао
ФОТОСИНТЕЗ
Перевод с английского
каид. физ.-мат. наук
А. О. ГАНАГО
под редакцией
д-ра бнол. наук
Ф. Ф. ЛИТВИНА
Москва «МИР» 1983
ББК 28.57
X 72
УДК 581.132
Холл Д., Рао К.
X 72 Фотосинтез: Пер. с англ. — М.: Мир, 1983.—
134 с., ил.
В книге в краткой и ясной форме изложены современные пред-
ставления о биофизике, биохимии и физиологии фотосинтеза, основные
этапы истории проблемы и перспективы ее исследования.
Предназначена для широкого круга читателей: студентов, аспи-
рантов и преподавателей университетов, педагогических и сельскохо-
зяйственных вузов, а также для специалистов различных направле-
ний, интересующихся фотосинтезом.
2001040000—416 X , 136—84 ч. 1 041(01)—83 ББК 28.57 581.4
Редакция литературы по биологии
© D. О. Hall and К. К. Rao, 1981. «This edition of Hall
and Rao: Photosynthesis 3е is published by arrange-
ment with Edward Arnold (Publishers) Limited».
© Перевод на русский язык, «Мир», 1983
Предисловие редактора перевода
Перед авторами этой книги стояла весьма трудная за-
дача— охватить столь сложную, многоплановую и мас-
штабную проблему, как фотосинтез, в рамках небольшой
книги и изложить материал в форме, доступной даже для
читателя, ранее незнакомого с этой областью науки.
И нужно признать — авторы успешно справились с этой
задачей.
Книга восполняет пробел, который оставался в ли-
тературе по фотосинтезу между фундаментальными мо-
нографиями (такими, как труд Е. Рабиновича «Фото-
синтез» т. 1, М.: ИЛ, 1951; т. 2, М.: ИЛ, 1953; т. 3, М.:
ИЛ, 1959), специальными монографиями по отдельным
областям проблемы и популярными изданиями. Более
того, она вполне может служить и учебным пособием к
краткому курсу по фотосинтезу для студентов и специа-
листов, работающих в смежных областях биологии, и,
кроме того, может быть использована в качестве вводно-
го курса для начинающих серьезно интересоваться этой
проблемой.
Особенно впечатляют лаконизм и простота изложе-
ния трудных вопросов- в сочетании с рациональным от-
бором материала. В каждом разделе основное внимание
сосредоточено на главном — на экспериментах и идеях,
ставших классическими, известных как вехи на пути раз-
вития науки о фотосинтезе и, с другой стороны, на но-
вых интересных фактах, перспективных гипотезах и на-
правлениях. При этом, что очень важно, авторы пока-
зывают не только результаты исследования, но и путь
познания — методику проведения экспериментов. Насы-
щенности изложения во многом способствуют рисунки и
6
Предисловие редактора перевода
схемы, которые служат не только для иллюстрирования
текста, но и для обобщения материала, а также дают
возможность читателю еще раз обдумать его, выйти за
узкие рамки написанного.
Разумеется, на пути к максимальной краткости нель-
зя обойтись без жертв, возможно не всегда оправданных.
Некоторые аспекты проблемы хотелось бы видеть более
полно и глубоко освещенными. На наш взгляд, это в
первую очередь касается первичных процессов фотосин-
теза и в особенности вопроса о реакционных центрах
фотосинтеза и механизме их действия. Фотосинтез как
специфический фотоэнергетический процесс отличается
от других биохимических темновых процессов прежде
всего теми первоначальными звеньями, благодаря кото-
рым энергия кванта трансформируется в энергию хи-
мической связи. Это — поглощение квантов молекулами
пигмента, перенос энергии электронного возбуждения в
фотосинтетической единице, разделение зарядов и пер-
вичная стабилизация энергии в реакционных центрах.
Именно здесь, в этих звеньях, преодолеваются наиболь-
шие и специфические для фотосинтеза трудности, свя-
занные с необходимостью сопряжения столь различных
процессов, как поглощение электромагнитного излуче-
ния и биохимические реакции. И современные исследова-
ния шаг за шагом вскрывают механизм этих процессов,
показывая, каким образом природа преодолела эти труд-
ности и, создав уникальную молекулярную организацию
фотосинтетических единиц реакционных центров, обеспе-
чила высокую скорость и эффективность запасания
энергии света (увы, пока еще не достигнутые в искус-
ственных фотохимических системах!). Неудивительно
поэтому, что изучение первичных процессов и в особен-
ности реакционных центров фотосинтеза — одно из наи-
более быстро развивающихся направлений, успехи кото-
рого основаны на использовании самых современных
физических методов исследования (в частности, «сверх-
быстрой» (пикосекундной) лазерной спектроскопии) и
на объединении идей целого ряда наук от молекулярной
биологии до квантовой механики. Несомненно этим до-
стижениям должно быть уделено большее внимание не-
смотря на те очевидные трудности, которые возникают
при изложении физических аспектов фотосинтеза в кни-
Предисловие редактора перевода
7
ге, предназначенной в основном для биологов. По-види-
мому, более детальной и глубокой интерпретации заслу-
живает и такая важная характеристика фотосинтеза, как
световая кривая, форма которой отражает и структурно-
функциональную организацию фотосинтетических еди-
ниц, и миграцию энергии между ними, и взаимоотноше-
ния между лимитирующими световыми и темновыми
стадиями процесса. Специалисты, изучающие различные
области фотосинтеза, возможно, могут указать и на дру-
гие «белые пятна», однако очевидно, что полностью
исключить их невозможно, особенно в книге такого
объема.
Авторы отразили труды многих исследователей, уча-
ствовавших в создании современных научных пред-
ставлений о фотосинтезе в прошлом и настоящем. Спи-
сок литературы, приведенный ими соответственно мас-
штабу книги, будет весьма полезен читателям. Нельзя,
однако, не подосадовать, что вне поля зрения авторов
почему-то остались работы наших отечественных иссле-
дователей, которые, как известно, внесли существенный
вклад в развитие фотосинтеза, особенно в познание пер-
вичных фотохимических и фотофизических стадий, а
также в физиологию фотосинтеза. Международное при-
знание получили труды академиков А. Н. Теренина и
А. А. Красновского, их учеников и последователей, раз-
вивающих традиции, заложенные еще К- А. Тимирязе-
вым. Минимальный список (работы общего характера,
монографий и сборники), лишь частично восполняющий
этот пробел, приведен ниже.
На первый взгляд несколько необычным кажется раз-
дел «Лабораторные работы», представленный в книге в
виде «микропрактикума» по фотосинтезу. Этот раздел
изложен еще более сжато, чем основная часть, и вряд
ли он может быть непосредственно использован в ка-
честве методического руководства для выполнения задач
студентами. Однако сам подбор задач, вероятно, будет
полезным для преподавателей, стремящихся к усовер-
шенствованию и развитию практикумов по физиологии
растений и фотосинтезу. Слабо представленные спектро-
скопические методы исследования фотосинтеза читатель
может найти в отечественных руководствах и практику-
мах (см. ниже).
8
Предисловие редактора перевода
Можно не сомневаться, что эту книгу с пользой и
удовольствием прочтут не только новички в области
фотосинтеза, но также и аспиранты, преподаватели, спе-
циалисты-исследователи. Если они даже и не встретят
здесь много новых для себя сведений, то несомненно за-
интересуются способом их лаконичного и простого из-
ложения, получат возможность взглянуть на все здание
фотосинтеза с высоты птичьего полета, оглядеть его но-
вые, еще воздвигаемые этажи и, может быть, еще раз
подумать о месте своих собственных исследований и о
их перспективе.
Ф. Ф. Литвин
Литература
Белл Л. И. Энергетика фотосинтезирующей растительной клетки. —
М.: Наука, 1981.
Биофизика фотосинтеза/Под ред. А. Б. Рубина. — М.: Изд-во МГУ,
1975.
Кондратьева Е. Н. Фотосинтезирующие бактерии и бактериальный
фотосинтез. — М.: Изд-во МГУ, 1972.
Конев В. С., Болотовский И. Д. Фотобиология. — Минск, Изд-во
БГУ им. В. И. Ленина, 1974.
Красновский А. А. Преобразование энергии света при фотосинтезе.
Молекулярные механизмы. 29-е Баховское чтение. — М.: Наука,
1974.
Современные проблемы фотосинтеза (к 200-летию открытия фото-
синтеза Джозефом Пристли). — М.: Изд-во МГУ, 1973.
Тарчевский И. А. Основы фотосинтеза. — М.: Высшая школа, 1977.
Физиология фотосинтеза/Под ред. А. А. Ничипоровича. — М.: Наука,
1982.
Хлорофилл/Под ред. А. А. Шлыка. — Минск: Наука и техника, 1974.
Шувалов В. А., Красновский А. А. Фотохимический перенос электро-
на в реакционных центрах фотосинтеза, Биофизика, 26, 544—556
(1981).
Предисловие к третьему изданию
С каждым днем мы получаем все новые доказательства
важнейшей роли фотосинтеза. Именно этот процесс по-
ставляет нам пищу и все топливо, как ископаемое, так и
биологическое (биомассу). Продукты фотосинтеза при-
влекают все большее внимание в связи с насущной не-
обходимостью прокормить и обеспечить энергией расту-
щее население Земли, а также в связи с перспективой
.получения в будущем химических продуктов и техни-
ческого волокна с использованием фотосинтетического
процесса. Таким образом, в наши дни понимание фун-
даментальных и прикладных аспектов фотосинтеза при-
обретает важное значение для широкого круга специа-
листов, работающих в самых разных областях науки и
техники — от сельского хозяйства, лесоводства, экологии
и биологии до химии и машиностроения. Именно эта ши-
рота проблемы объясняет появление столь многочислен-
ных подходов к изучению фотосинтеза и делает работу
в этой области интересной и увлекательной для людей
самых различных специальностей. Мы надеемся, что,
прочтя нашу книгу, читатель может сам убедиться в
этом.
В настоящем, третьем издании сохранены те особен-
ности предыдущих изданий, которые, мы надеемся, де-
лают книгу одинаково интересной как для студентов,
так и для преподавателей, а именно: приведены важ-
нейшие сведения о процессе фотосинтеза, изложена
вкратце история получения необходимой информации,
показаны направления развития современных исследова-
ний. Мы переработали в соответствии с новейшими дан-
ными разделы о строении мембран хлоропластов, о
10
Предисловие к третьему изданию
транспорте электронов и фосфорилировании у растений
и бактерий, о метаболизме углерода по Сстипу и по ти-
пу толстянковых; глава об исследовании фотосинтеза до-
полнена новыми фактами, доложенными на Междуна-
родном конгрессе по фотосинтезу в 1980 г. Переработа-
ны также иллюстрации, а список литературы составлен
заново.
Мы выражаем благодарность читателям и критикам
за предложения, позволившие улучшить книгу, и готовы
обсуждать новые замечания и комментарии и искать
пути разрешения возникающих сомнений и вопросов.
Д. Холл
К. Рао
Лондон, 1981 г.
1. Значение и роль фотосинтеза
1.1. Основной источник энергии
Слово «фотосинтез» означает буквально создание или
сборку чего-то под действием света. Обычно, говоря о
фотосинтезе, имеют в виду процесс, посредством которо-
го растения на солнечном свету синтезируют органиче-
ские соединения из неорганического сырья. Все формы
жизни во Вселенной нуждаются в энергии для роста и
поддержания жизни. Водоросли, высшие растения и не-
которые типы бактерий улавливают непосредственно
энергию солнечного излучения и используют ее для син-
теза основных пищевых веществ. Животные не умеют
использовать солнечный свет непосредственно в каче-
стве источника энергии, они получают энергию, поедая
растения или других животных, питающихся растения-
ми. Итак, в конечном счете источником энергии для
всех метаболических процессов на нашей планете слу-
жит Солнце, а процесс фотосинтеза необходим для
поддержания всех форм жизни на Земле.
Мы пользуемся ископаемым топливом — углем, при-
родным газом, нефтью и т. д. Все эти виды топлива—•
не что иное, как продукты разложения наземных и мор-
ских растений или животных, и запасенная в них энер-
гия была миллионы лет назад получена из солнечного
света. Ветер и дождь тоже обязаны своим возникнове-
нием солнечной энергии, а следовательно, энергия ве-
тряных мельниц и гидроэлектростанций в конечном
счете также обусловлена солнечным излучением.
Важнейший путь химических реакций при фотосинте-
зе— это превращение углекислоты и воды в углеводы
и кислород. Суммарную реакцию можно описать урав-
нением
Солнечный свет
СО2 + Н2О----------> [СН2О] + О2. (1.1)
Растения углевод
Углеводы, образующиеся в этой реакции, содержат боль-
ше энергии, чем исходные вещества, т. е. СОг и Н2О. Та-
12
1. Значение и роль фотосинтеза
ким образом, за счет энергии Солнца энергетически бед-
ные вещества СОо и НгО превращаются в богатые энер-
гией продукты — углеводы и кислород. Энергетические
уровни различных реакций, описанных суммарным урав-
нением (1.1), можно охарактеризовать величинами окис-
лительно-восстановительных потенциалов, измеряемых в
вольтах. Значения потенциалов показывают, сколько
энергии запасается или растрачивается в каждой из
реакций; подробнее мы познакомимся с этим в гл. 4.
Итак, фотосинтез можно рассматривать как процесс пре-
образования лучистой энергии Солнца в химическую
энергию растительных тканей.
1.2. Цикл двуокиси углерода
Содержание СОг в атмосфере остается почти постоян-
ным, несмотря на то, что углекислый газ расходуется в
процессе фотосинтеза. Дело в том, что все растения и
животные дышат. В процессе дыхания (в митохондриях)
кислород, поглощаемый из атмосферы живыми тканями,
используется для окисления углеводов и других компо-
нентов тканей с образованием в конечном счете двуоки-
си углерода и воды и с сопутствующим выделением
энергии. Высвобождающаяся энергия запасается в виде
высокоэнергетического соединения — аденозинтрифосфа-
та (АТР), который и используется организмом для вы-
полнения всех жизненных функций. Таким образом, ды-
хание приводит к расходованию органических веществ и
кислорода и увеличивает содержание СОг на нашей
планете. На процессы дыхания во всех живых организ-
мах и на сжигание всех видов топлива, содержащего
углерод, в совокупности расходуется в масштабах всей
Земли в среднем около 10 000 тонн Ог в секунду. При та-
кой скорости потребления весь кислород в атмосфере
должен бы иссякнуть примерно через 3000 лет. К сча-
стью для нас, расход органических веществ и атмосфер-
ного кислорода уравновешивается созданием углеводов
и кислорода в результате фотосинтеза. В идеальных ус-
ловиях скорость фотосинтеза в зеленых тканях расте-
ний примерно в 30 раз превышает скорость дыхания в
тех же тканях. Таким образом, фотосинтез служит очень
важным фактором, регулирующим содержание Ог и СОг
1. Значение и роль фотосинтеза
13
и животных
Рис. 1.1. Циклы СО2 и О2 в атмосфере и в клетке. [Печатается с лю-
безного разрешения проф. Ф. Уотли (F. R. Whatley).]
в атмосфере Земли. Весь цикл взаимосвязанных процес-
сов можно схематически изобразить, как показано на
рис. 1.1. В ходе фотосинтеза вся имеющаяся в атмосфере
двуокись углерода проходит через растения в среднем за
300 лет, а весь кислород совершает свой цикл за
2000 лет.
Следует пояснить, что энергия, высвобождающаяся
при дыхании, в конечном счете рассеивается живыми ор-
ганизмами в виде тепла и поэтому непригодна для по-
вторного использования в рассмотренном выше цикле.
Следовательно, в течение многих миллионов лет энергия
14
1. Значение и. роль фотосинтеза
постоянно поступала от Солнца и терялась в земной
атмосфере в виде тепла. Но и той энергии, которая еще
остается в Солнце, достаточно, чтобы процесс фотосин-
теза продолжался в течение грядущих миллионов лет.
1.3. Превращения энергии и эффективность
фотосинтеза
Солнечная энергия, достигающая в течение года атмо-
сферы Земли, составляет примерно 56-1023 Дж. Около
половины этой энергии отражается облаками и газами
в верхних слоях атмосферы и не попадает на Землю. Из
той энергии, которая достигает поверхности Земли, лишь
50% приходится на спектральный диапазон, соответ-
ствующий видимому излучению, которое способно выз-
вать фотосинтез, а другая половина — это инфракрасное
излучение. Таким образом, годовое поступление энергии
в виде фотосинтетически активной радиации, т. е. в ви-
де света от фиолетового до красного, составляет в
масштабах всей Земли около 15-1023 Дж. Однако при-
мерно 40% этой энергии отражается поверхностью
океанов, попадает в пустыни и т. п., и лишь оставшаяся
доля может быть поглощена наземными и водными
растениями. Согласно приведенным в последнее время
данным, аутотрофные растения производят за год при-
мерно 2-Ю11 тонн биомассы, что эквивалентно энергии
3-1021 Дж. Около 40% этого органического материала
синтезируется фитопланктоном, мельчайшими растения-
ми, обитающими вблизи поверхности океанов. Ежегодное
потребление продуктов питания всем населением Земли
(если считать численность населения равной 4,3 млрд, че-
ловек) составляет около 800 млн. тонн, или 13-1018 Дж.
Таким образом, получается, что средний коэффициент
использования фотосинтетически активной радиации
всей флорой нашей планеты составляет всего лишь 0,2%
(3-1021/15-1023), но и из той энергии, которая была по-
глощена в процессе фотосинтеза, человечество потребля-
ет в виде энергии питательных веществ менее 0,5%
(13-1018/3-1021). Интересно отметить, что в 1976 г. по-
требление энергии в мировом масштабе составило
3-1020 Дж, или одну десятую долю энергии, запасенной
за год благодаря фотосинтезу! По сути дела, энергия,
1. Значение и роль фотосинтеза
15
содержащаяся в биомассе, имеющейся на сегодняшний
день на поверхности Земли (90% этой биомассы со-
ставляют деревья), эквивалентна всем нашим разведан-
ным запасам ископаемого топлива, т. е. угля, нефти и га-
за; а эти запасы по запасенной в них энергии прибли-
зительно соответствуют чистой продукции фотосинтеза
всего лишь за 100 лет.
1.4. Спектр солнечного излучения
Свет — это один из видов электромагнитного излучения.
Любое электромагнитное излучение имеет волновые
свойства и распространяется (в пустоте) с одной и той
же скоростью, равной 3-108 м/с (скорость света обозна-
чается буквой с). При этом разные виды электромагнит-
ного излучения различаются по длине волны, т. е. по рас-
стоянию между ее соседними максимумами. Длины
волн, соответствующие гамма-излучению и рентгенов-
ским лучам, очень малы (меньше 10-11 м), в то время
как длины радиоволн могут составлять сотни метров.
Длины волн видимого света принято выражать в нано-
метрах. Один нанометр — это одна миллиардная часть
метра (1 hm=10~9 м). Со времен Исаака Ньютона из-
вестно, что, пропуская белый свет через призму, можно
разложить его в спектр, напоминающий радугу. Види-
мый участок спектра простирается от фиолетовых лучей
с длиной волны около 380 нм до красных лучей с дли-
нами волн до 750 нм (рис. 1.2).
Атмосфера Солнца состоит в основном из водорода.
Энергия, излучаемая Солнцем, выделяется при слиянии
четырех ядер водорода с образованием одного ядра
гелия:
4 }Н-> аНе -ф 2е~ -f- hv (энергия). (1.2)
Эта энергия, высвобождающаяся при слиянии ядер,
поддерживает температуру поверхности Солнца на уров-
не около 6000 К. Электромагнитное излучение Солнца
охватывает очень широкий диапазон. Но атмосфера Зем-
ли прозрачна лишь для небольшой его части — она про-
пускает часть ультрафиолетового, часть инфракрасного
излучения и весь видимый свет. Ультрафиолетовое излу-
чение, длины волн которого несколько меньше, чем у
16
1. Значение и роль фотосинтеза
Длина волны, см
1(Г12 10-Ю 10-б 10-Б ш-4 w0 ]02
J
Космичес-
кие лучи
1
Гамма-лучи
Рентгеновское
Ультра-
фиоле-
товое
излу-’
чение
Г—I | | I
•Солнечное излучение,
_JL. достигающее поверхности
Инфракрасный
Земли
излучение
Види-
мый
свет
диапазон
Радиоволны
Рис. 1.2. Спектр электромагнитного излучения.
фиолетовых лучей видимого спектра, поглощается ки-
слородом и озоном в верхних слоях атмосферы. Это
можно считать благоприятным обстоятельс|твом, по-
скольку ультрафиолетовые лучи вредоносны для живых
организмов. При температуре поверхности Солнца
(6000 К) наибольшая интенсивность излучения прихо-
дится на оранжевую часть видимого света с длинами
волн около 600 нм.
1.5. Квантовая теория
В 1900 г. Макс Планк сформулировал теорию, согласно
которой перенос энергии в нагретых телах осуществля-
ется дискретными порциями, называемыми квантами.
Теорию Планка можно выразить математически с по-
мощью равенства

(1-3)
1. Значение и роль фотосинтеза
1,7
где Е— энергия одного кванта, v — частота излучения
(т. е. число волн, распространяющихся за единицу вре-
мени), h — постоянная величина. Постоянная Планка h
имеет размерность произведения энергии на время, и в
системе СИ она равна 6,626-10-34 Дж-с. По теории
Планка, осциллятор, имеющий основную частоту v, мо-
жет принять энергию, равную hv, 2-hv, 3-hv, n-hv, но
не может поглотить энергию, меньшую чем энергия це-
лого числа квантов. Пятью годами позднее Альберт
Эйнштейн обобщил теорию Планка применительно к
свету и предположил, что световая энергия передается
не непрерывным потоком, а дискретными порциями, или
квантами. Энергия одного кванта света, или фотона,
равна произведению постоянной Планка на частоту
света, т. е.
E — h't. (1.3)
Поскольку частота v обратно пропорциональна длине
волны, фотоны, соответствующие коротковолновому из-
лучению, имеют более высокую энергию, чем фотоны
больших длин волн, т. е. фотоны синего света, соответ-
ствующие коротковолновой части спектра, несут боль-
шую энергию по сравнению с фотонами красного длин-
новолнового участка спектра.
Для осуществления фотосинтеза пигменты в тканях
растений должны поглощать энергию фотонов нужных
длин волн и затем использовать эту энергию для запус-
ка цепи химических реакций фотосинтеза. Позднее мы
покажем, что электрон отрывается от молекулы пиг-
мента практически сразу после поглощения кванта све-
та соответствующей энергии. Следует подчеркнуть, что
фотон не может отдать свою энергию двум или больше-
му числу электронов и, с другой стороны, энергии двух
или нескольких фотонов не могут складываться для то-
го, чтобы высвободить электрон. Следовательно, чтобы
возбудить электрон молекулы пигмента и запустить про-
цесс фотосинтеза, фотон должен иметь энергию, пре-
вышающую некоторую критическую величину. Этим
объясняется низкая эффективность инфракрасного из-
лучения для фотосинтеза растений: энергия кванта ин-
фракрасного света слишком мала. Однако некоторые
бактерии содержат пигменты, поглощающие инфракрас-
18
1. Значение и роль фотосинтеза
ное излучение: у этих организмов происходит процесс
фотосинтеза, который в отличие от фотосинтеза у расте-
ний не приводит к выделению кислорода (см. гл. 7).
(1-4)
1.6. Единицы энергии
Согласно закону фотохимической эквивалентности, сфор-
мулированному Эйнштейном, одна молекула вступает
в реакцию только при поглощении одного кванта света
(hv). Поэтому один моль (грамм-молекула) вещества
должен поглотить N фотонов (Лг — чидло Авогадро, рав-
ное 6,023-1023), или N-hv энергии, для того, чтобы каж-
дая молекула могла вступить в реакцию. Общая энер-
гия фотонов, поглощенных одним молем вещества, назы-
вается эйнштейн 4.
Вычислим энергию моля квантов (т. е. энергию
1 эйнштейн, или 6,023-1023 фотонов) красного света с
длиной волны 650 нм (6,5- 1(Д7 м). Частота v равна ско-
рости света, деленной на длину волны:
с з 108 м • с-1
v = — =--------------= 4,61 • 1014 с-1,
л 6,5 • 10~7 м
Искомая энергия Е равна произведению числа молекул
в моле на постоянную Планка и на частоту:
Е = N.h-v= 6,023 • 10а3 • 6,626 • 10’34 Дж-с-4,61 • 1014с-1=
= 18,40 • 104 Дж = Энергия 1 эйнштейн красного
света, т. е. (1.5)
Е = 18,40 • 104 Дж = -18’40 ' 104 ккал = 43,98 ккал (1.6)
4,184 -10s
(одна килокалория (1 ккал) =4,184-103 Дж). Итак,
1 моль красного света с длиной волны 650 нм содержит
18,40-104 Дж энергии.
Энергию фотонов можно выразить также и в других
единицах — электронвольт. Один электронвольт, 1 эВ,—
это энергия, которую приобретает электрон, прошедший
1 В фотобиологии и фотохимии единицу измерения эйнштейн
часто используют для обозначения не энергии, а количества квантов:
1 эйнштейн=1 моль квантов (N квантов, где N — число Авогадро).—
Прим. ред.
1. Значение и роль фотосинтеза
19
через разность потенциалов в 1 В; 1 эВ = 1,6-10~19 Дж.
Если каждая молекула поглощает энергию 1 эВ, то об-
щая энергия, поглощенная 1 молем вещества
(6,023• 1023 молекул), равна, как нетрудно рассчитать,
9,64-104 Дж. Поэтому энергия 1 моля квантов света
для длины волны 650 нм равна 1,91 эВ (18,40-104/
9,64-104).
Таблица 1.1. Энергия видимого света
Длина волны, нм Цвет Энергия в расчете на 1 моль Энергия 1 кванта, эВ
Дж ккал
700 Красный 17,10 • 104 40,87 1,77
650 Оранжево-красный 18,40 • 104 43,98 1,91
600 Желтый 19,95 • 104 47,68 2,07
500 Синий 23,95 • 104 57,24 2,48
400 Фиолетовый 29,93 • 104 71,53 3,10
2. История и развитие идей
2.1. Первые открытия
В начале XVII в. фламандский врач ван Гельмонт
(van Helmont) вырастил в кадке с землей дерево ивы,
которое он поливал только дождевой водой. Он заметил,
что спустя пять лет дерево выросло до больших разме-
ров, хотя количество земли в кадке практически не
уменьшилось. Ван Гельмонт, естественно, сделал вывод,
что материал, из которого образовалось дерево, произо-
шел из воды, использованной для полива. В 1727 г. анг-
лийский ботаник Стивен Хейлс (Stephen Hales) опубли-
ковал книгу, в которой сообщалось, что в качестве пита-
тельного вещества, необходимого для роста, растения
используют главным образом воздух. В период с 1771
по 1777 г. знаменитый английский химик Джозеф При-
стли (Joseph Priestley) (он был одним из первооткры-
-вателей кислорода) провел серию опытов по горению
и дыханию и пришел к выводу о том, что зеленые рас-
тения способны обращать те дыхательные процессы,
которые были обнаружены в тканях животных. Пристли
сжигал свечу в замкнутом объеме воздуха и обнаружил,
что получавшийся при этом воздух уже не мог поддер-
живать горение. Мышь, помещенная в такой воздух,
умирала. Однако веточка мяты продолжала жить в этом
воздухе неделями. В заключение Пристли обнаружил,
что в воздухе, восстановленном веточкой мяты, могла
вновь гореть свеча, могла дышать мышь. Теперь мы знаем,
что свеча, сгорая, потребляла кислород из замкнутого
объема воздуха, но затем воздух снова насыщался ки-
слородом благодаря фотосинтезу, происходившему в зе-
леной мяте. Спустя несколько лет голландский врач Ян
Ингенхауз (Jan Ingenhousz)< обнаружил, что растения
выделяют кислород лишь на солнечном свету и что толь-
ко их зеленые части обеспечивают выделение кислорода.
Жан Сенебье (Jean Senebier), занимавший в Швей-
царии пост министра, подтвердил данные Ингенхауза и
продолжил исследование, показав, что в качестве пита-
2. История и развитие идей
21
тельного вещества растения используют двуокись угле-
рода, «растворенную в воде». В начале XIX века другой
швейцарский исследователь де Соссюр (de Saussure)
изучал количественные взаимосвязи между, поглощен-
ной растением углекислотой, с одной стороны, и синте-
зированными органическими веществами и кислоро-
дом— с другой. В результате своих опытов он пришел
к выводу, что вода также потребляется растением при
ассимиляции СО2. В 1817 г. два французских химика,
Пельтье (Pelletier) и Каванту (Caventou), выделили из
листьев зеленое вещество и назвали его хлорофиллом.
Следующей важной вехой в истории изучения фотосин-
теза было сделанное в 1845 г. немецким физиком Ро-
бертом Майером (Robert Mayer) утверждение о том,
что зеленые растения преобразуют энергию солнечного
света в химическую энергию. Представления о фотосин-
тезе, сложившиеся к середине прошлого века, можно вы-
разить следующим соотношением:
Зеленое
СО2 -|- Н2О + Свет------> О2 4- Органические вещества +
растение
+ Химическая энергия. (2-1)
Отношение количества СО2, поглощенного при фото-
синтезе, к количеству выделенного О2 точно измерил
французский физиолог растений Бусэнго (Boussingault).
В 1864 г. он обнаружил, что фотосинтетическое отноше-
ние, т. е. отношение объема выделенного О2 к объему
поглощенной СО2, почти равно единице. В том же году
немецкий ботаник Закс (Sachs) (открывший также у
растений дыхание) продемонстрировал образование зе-
рен крахмала при фотосинтезе. Закс помещал зеленые
листья на несколько часов в темноту для того, чтобы
они израсходовали накопленный в них крахмал. Затем
он выносил листья на свет, но при этом освещал лишь
половину каждого листа, оставляя другую половину ли-
ста в темноте. Спустя некоторое время весь лист цели-
ком обрабатывали парами иода. В результате освещен-
ная часть листа становилась темно-фиолетовой, что
свидетельствовало об образовании комплекса крахмала
с йодом, тогда как цвет другой половины листа не из-
менялся.
22
2. История и развитие идей
Прямую связь между выделением кислорода и хлоро-
пластами в зеленых листьях, а также соответствие спект-
ра действия фотосинтеза спектру поглощения хлорофил-
ла (см. гл. 4) установил в 1880 г. Зигельман (Engel-
mann). Он поместил нитевидную зеленую водоросль
Spirogyra (рис. 2.1), имеющую спирально расположен-
ные хлоропласты, на предметное стекло микроскопа.
Spirogyra с помощью подвижных бактерий. Водоросль содержиг
спиральный хлоропласт; бактерии движутся к области большей кон-
центрации кислорода. Слева: освещение узким лучом белого света.
В середине: освещение широким лучом белого света. Справа: осве-
щение узкими лучами красного и зеленого света. Заметьте, что на
зеленом свету кислород не выделяется.
Вместе с водорослью на предметное стекло наносилась
суспензия клеток подвижных бактерий, потребляющих
кислород. Предметное стекло помещали в закрытую ка-
меру без воздуха и освещали. В этих условиях подвиж-
ные бактерии должны были перемещаться туда, где-
концентрация Ог была выше. Поцле освещения в тече-
ние некоторого времени образец рассматривали под ми-
кроскопом и подсчитывали распределение бактериальной
популяции. Оказалось, что бактерии концентрировались
вокруг зеленых полосок в нитевидной водоросли. В дру-
гой серии опытов Зигельман освещал водоросль светом
разного спектрального состава, установив призму меж-
ду источником света и предметным столиком микроско-
2. История и развитие идей
23
па. Наибольшее число бактерий в этом случае скапли-
валось вокруг тех участков водоросли, которые освеща-
лись синим и красным областями спектра. Находящиеся
в водорослях хлорофиллы .поглощали синий и красный
свет. Поскольку к тому времени было уже известно,
что для фотосинтеза необходимо поглощение света, Эн-
гельман заключил, что хлорофиллы участвуют в фото-
синтезе в качестве пигментов, являющихся активными
фоторецепторами. Уровень знаний о фотосинтезе в нача-
ле нашего века можно представить следующим урав-
нением:
(СО2)П + Н2О + Свет--------> (О2)п + Крахмал +
растение
+ Химическая энергия (2-2)
2.2. Дальнейшее развитие методов изучения
фотосинтеза
Итак, к началу нашего века суммарная реакция фото-
синтеза была уже известна. Однако биохимия находи-
лась не на таком высоком уровне, чтобы полностью
раскрыть механизмы восстановления двуокиси углерода
до углеводов. К сожалению, следует признать, что и те-
перь еще некоторые аспекты фотосинтеза изучены до-
вольно плохо. Издавна делались попытки исследовать
влияние интенсивности света, температуры, концентра-
ции углекислоты и т. л. на общий выход фотосинтеза.
И хотя в этих работах исследовались растения самых
разных видов, большинство измерений было выполнено
на одноклеточных зеленых водорослях Chlorella и
Scenedesmus и на одноклеточной жгутиковой водоросли
Euglena. Одноклеточные организмы удобнее для коли-
чественного исследования, поскольку их можно выра-
щивать во всех лабораториях при вполне стандартных
условиях. Они могут быть равномерно суспендированы,
т. е. взвешены в водных буферных растворах, и нужный
объем такой суспензии, или взвеси, можно брать пипет-
кой точно так же, как при работе с обычными раствора-
ми. Хлоропласты для опытов лучше всего выделять из
листьев высших растений. Чаще всего используют шпи-
нат, потому что его легко выращивать и свежие листья
24
2. История и развитие идей
обычно можно купить на рынке; иногда используются
листья гороха и салата-латука.
Поскольку СОг хорошо растворяется в воде, а О?
относительно нерастворим в воде, то при фотосинтезе в
замкнутой системе давление газа в этой системе должно»
Соединение
на резьбе
Раствор
ксг
Реакционная
смесь —
Вращающийся
стержневой
магнит
Вода из
термостата
Кольцевой
анод из
серебра
Зажимное
кольцо
Резиновое
кольцо
+ К блоку управ-
—ления электродом и
к регистрирую-
щему устройству
электрод
(катод)
Тефлоновая
мембрана
Рис. 2.2. Кислородный электрод (производится фирмой Rank Bros.»
Bottisham, Cambridge).
изменяться. Поэтому влияние света на фотосинтетичес-
кие системы часдю исследуют с помощью респирометра
Варбурга (Warburg), позволяющего регистрировать из-
менения объема О2 в системе. Впервые респирометр
Варбурга был использован применительно к фотосинте-
зу в 1920 г. (подробнее эти вопросы описаны в книге
Manometric Techniques; Umbreit, Burris, Stauffer;
Burgess Publ. Co., USA).
Для измерения потребления или выделения кислоро-
да в ходе реакции удобнее пользоваться другим прибо-
ром— кислородным электродом (рис. 2.2). В основе его
устройства лежит использование полярографического ме-
тода. Кислородный электрод обладает достаточно высо-
кой чувствительностью для того, чтобы обнаружить О?
в таких низких концентрациях как 10-8 моль-см-5
(0,01 ммоль в 1 л). Прибор состоит из катода — платино-;
2. История и развитие идей
25
вой проволоки, герметично впрессованной в пластик, и
анода, представляющего собой кольцо из серебряной
проволоки, погруженной в насыщенный раствор КС1.
Электроды отделены от смеси, в которой .протекает реак-
ция, мембраной, проницаемой для Ог. Реакционная смесь
находится в пластмассовом или стеклянном сосуде и по-
стоянно перемешивается вращающимся стержневым ма-
гнитом. Когда к электродам приложено напряжение и
платиновый электрод становится отрицательным .по от-
ношению к стандартному электроду, кислород в растворе
электролитически восстанавливается. При напряжениях
от 0,5 до 0,8 В величина электрического тока линейно
зависит от парциального давления кислорода в раство-
ре. Обычно с кислородным электродом работают при
напряжении около 0,6 В. Электрический ток измеряют,
.присоединив электрод к подходящей регистрирующей си-
стеме. Электрод вместе с реакционной смесью термоста-
тируют потоком воды от термостата. С помощью кисло-
родного электрода измеряют действие света и различных
химических веществ на фотосинтез. Преимущество ки-
слородного электрода перед аппаратом Варбурга состоит
в том, что кислородный электрод позволяет быстро и не-
прерывно регистрировать изменения содержания Ог в
системе. С другой стороны, в приборе Варбурга можно
одновременно исследовать до 20 образцов с различными
реакционными смесями, тогда как при работе с кисло-
родным электродом образцы приходится анализировать
поочередно.
2.3. Лимитирующие факторы
Интенсивность, или скорость процесса фотосинтеза в
растении, зависит от ряда внутренних и внешних факто-
ров. Из внутренних факторов наиболее важное значение
имеют структура листа и содержание в нем хлорофилла,
накопление продуктов фотосинтеза в хлоропластах,
влияние ферментов, а также наличие малых количеств
необходимых неорганических веществ. Внешние факто-
ры — это количество и качество света, попадающего на
листья, температура окружающей среды, концентрация
углекислоты и кислорода в атмосфере вблизи растения.
26
2. История и развитие идей
2.3.1. Влияние интенсивности света
Влияние интенсивности света на фотосинтетическую ак-
тивность суспензии интактных клеток Chlorella пока-
зано на рис. 2.3. При низких интенсивностях света ско-
рость фотосинтеза, измеренная по выделению кислорода,
Рис. 2.3. Влияние внешних факторов на скорость фотосинтеза.
А •— влияние интенсивности света при температуре 25°С и концент-
рации углекислоты 0,4%; Б-—то же при 15°С и 0,4% СО2; В — то
же при 25°С и 0,01 % СО2. Интенсивность света и скорость фотосин-
теза отложены по осям в относительных единицах.
возрастает линейно, или прямо пропорционально увели-
чению интенсивности света. Соответствующий участок на
графике, обозначенный буквой X, называют начальным
участком, или областью, в которой скорость фотосинтеза
лимитируется светом. По мере дальнейшего увеличения
интенсивности света нарастание фотосинтеза становится
все менее и менее выраженным, и, наконец, когда осве-
щенность достигает определенного уровня (около
10 000 лк, или около 1000 фут-свечей), дальнейшее уве-
личение интенсивности света уже не влияет на скорость
фотосинтеза. На рисунке это соответствует горизонталь-
ным участкам кривых, или плато. Область плато, обоз-
наченная буквой Y, называется областью светового на-
сыщения. Если нужно увеличить скорость фотосинтеза
2. История и развитие идей
27
в этой области, следует изменять не интенсивность све-
та, а какие-либо другие факторы. Интенсивность солнеч-
ного света, попадающего в ясный летний день на поверх-
ность земли, во многих местах нашей планеты составля-
ет примерно 100000 лк, или около 1000 Вт-м~2.
Следовательно, растениям, за исключением тех, которые
растут в густых лесах и в тени, падающего солнечного
света бывает достаточно для насыщения их фотосинтети-
ческой активности. Энергия квантов, соответствующих
крайним участкам видимого диапазона — фиолетовому
(около 400 нм) и дальнему красному (короче 800 нм),
различается всего лишь в два раза, и все фотоны в этом
диапазоне в принципе способны осуществить запуск фо-
тосинтеза, хотя, как мы увидим далее, пигменты листа
избирательно поглощают свет определенных длин волн.
2.3.2 Влияние температуры
Сравнение кривых А и Б на рис. 2.3 показывает, что в
случае низких интенсивностей света скорость фотосинте-
за при 15 и 25°С одинакова. Реакции, протекающие при
таких интенсивностях света, которые соответствуют об-
ласти лимитирования светом, подобно истинным фотохи-
мическим реакциям, не чувствительны к температуре.
Однако при более высоких интенсивностях скорость фо-
тосинтеза при 25°С гораздо выше, чем при 15°С. Следо-
вательно, в области светового насыщения уровень фото-
синтеза зависит не только от поглощения фотонов,
но и от других факторов. Большинство растений в уме-
ренном климате хорошо функционируют в интервале тем-
ператур от 10 до 35°С, наиболее благоприятные усло-
вия— это температура около 25°С.
2.3.3. Влияние концентрации СО2. Компенсационный пункт
В области лимитирования светом скорость фотосинтеза
не изменяется при уменьшении концентрации СОг (В на
рис. 2.3). Отсюда можно сделать вывод, что СОг не уча-
ствует непосредственно в фотохимической реакции. В то
же время при более высоких интенсивностях освещения,
лежащих за пределами области лимитирования светом,
фотосинтез существенно возрастает при увеличении кон-
28
2. История и развитие идей
центрации СОа. У некоторых зерновых культур фотосин-
тез линейно возрастал .при увеличении концентрации
СО2 до 0,5% (эти измерения проводили в кратковремен-
ных опытах, поскольку длительное воздействие столь
высоких концентраций СО2 повреждает листья). Очень
высоких значений скорость фотосинтеза достигает при
содержании СО2 около 0,1%. Средняя концентрация уг-
лекислоты в атмосфере составляет от 0,03 до 0,04%.
Поэтому в обычных условиях растениям не хватает С02
для того, чтобы с максимальной эффективностью исполь-
зовать попадающий на них солнечный свет. Если лист,
помещенный в замкнутый объем, освещать светом на-
сыщающей интенсивности, то концентрация СО2 в этом
объеме воздуха будет постепенно уменьшаться и наконец
достигнет постоянного уровня, ивзестного под названи-
ем «С02-комиенсационного пункта». В этой точке потреб-
ление СО2 при фотосинтезе уравновешивается выделе-
нием СО2 в результате дыхания (темнового и светового).
У растений разных видов положения компенсацион-
ных пунктов различны. Они очень низки (меньше 10 ч. на
млн., или 0,001%) у растений типа С4 (см. гл. 6) и срав-
нительно высоки у растений типа С3 (превышают 50 ч.
на млн., или 0,005% СО2).
2.4. Световые и темновые реакции.
Опыты со вспышками света
Еще в 1905 г. английский физиолог растений Ф. Ф. Блэк-
мэн (F. F. Blackman), интерпретируя форму кривой све-
тового насыщения фотосинтеза, высказал .предположе-
ние, что фотосинтез представляет собой двухстадийный
процесс, включающий фотохимическую, т. е. световую,
реакцию и нефотохимическую, т. е. темновую, реакцию.
Темновая реакция, будучи ферментативной, протекает
медленнее, чем световая реакция, и поэтому при вы-
соких интенсивностях света скорость фотосинтеза пол-
ностью определяется скоростью темновой реакции. Све-
товая реакция либо вообще не зависит от температуры,
либо зависимость эта выражена очень слабо, тогда как
темновая реакция, как и все ферментативные процессы,
зависит от температуры в довольно значительной степе-
ни. Следует ясно представлять себе, что реакция, назы-
2. История и развитие идей-
29
ваемая темновой, может протекать как в темноте, так
и на свету.
Световую и темновую реакции можно разделить, ис-
пользуя вспышки света, длящиеся краткие доли секун-
ды. Вспышки света длительностью меньше одной мил-
лисекунды (10-3 с) можно получить либо с помощью
механического приспособления, поставив на пути пучка
постоянного света вращающийся диск со щелью, либо
электрически, заряжая конденсатор и разряжая его че-
рез вакуумную или газоразрядную лампу. В качестве
источников света пользуются также рубиновыми лазе-
рами с длиной волны излучения 694 нм. В 1932 г. Эмер-
сон (Emerson) и Арнольд (Arnold) освещали суспензию
клеток Chlorella вспышками света от газоразрядной
лампы с длительностью около Ю 5 с. Они измеряли ско-
рость выделения кислорода в зависимости от энергии
вспышек, длительности темнового промежутка между
вспышками и температуры суспензии клеток. При уве-
личении интенсивности вспышек насыщение фотосинтеза
в нормальных клетках наступало, когда выделялась од-
на молекула О2 на 2500 молекул хлорофилла. Эмерсон
и Арнольд сделали вывод, что максимальный выход фо-
тосинтеза определяется не числом молекул хлорофилла,
поглощающих свет, а числом молекул фермента, ката-
лизирующего темновую реакцию. Они также обнаружи-
ли, что при увеличении темновых интервалов между
последовательными вспышками за пределы 0,06 с выход
кислорода в расчете на одну вспышку уже не зависел
от длительности темнового интервала, тогда как при бо-
лее коротких промежутках он возрастал с увеличением
длительности темнового интервала (от 0 до 0,06 с). Та-
ким образом, темновая реакция, которая определяет
уровень насыщения фотосинтеза, завершается примерно
за 0,06 с. На основе этих данных было рассчитано, что
среднее время, характеризующее ркорость реакции, со-
ставило около 0,02 с при 25<(С.
2.5. Важные открытия. Формирование новых
представлений
Состояние знаний в области фотосинтеза в начале наше-
го века можно было бы выразить уравнением
30
2. История и развитие идей
СО2 + Н2О---——>- (СН2О) + О2 (ДО = 48 • 10* Дж =
Хлорофилл
= 114 ккал)- (2-3)
Примерно до начала 1930-х годов многие исследователи
в этой области полагали, что первичная реакция фото-
синтеза заключается в расщеплении двуокиси углерода
под действием света на углерод и кислород с последую-
щим восстановлением углерода до углеводов с участием
воды в ходе нескольких последовательных реакций. Эта
точка зрения изменилась в 1930-х годах в результате
двух важных открытий. Во-первых, были обнаружены
разновидности бактерий, способных ассимилировать СО2
и синтезировать углеводы, не используя для этого энер-
гию света. Затем голландский микробиолог ван Нил
(van Niel) сравнил процессы фотосинтеза у растений и
бактерий и показал, что некоторые бактерии могут ас-
симилировать СО2 на свету, не выделяя при этом О2.
Такие бактерии способны к фотосинтезу лишь при нали-
чии подходящего субстрата — донора водорода. Ван Нил
считал, что фотосинтез можно описать общим'' уравне-
нием
СО2 + 2Н2А----——> (СН2О) + Н2О + 2А, (2.4)
Хлорофилл
где Н2А — окисленный субстрат. Ван Нил предположил,
что фотосинтез зеленых растений и водорослей является
частным случаем, когда Н2А — это Н2О и 2А — это
О2. Тогда первичным фотохимическим актом в фотосин-
тезе растений должно быть разложение воды на окисли-
тель (ОН) и восстановитель (Н). Затем первичный вос-
становитель (Н) может вызвать восстановление СО2 до
органических веществ, составляющих клетку, а первич-
ный окислитель (ОН) расходуется в реакции, в кото-
рой высвобождается О2 и снова получается Н2О. Полное
уравнение для фотосинтеза растений по ван Нилу мож-
но записать так:
СО2 + 4Н2О ----——> (СН2О) + ЗН2О + О2. (2.5)
Хлорофилл
Это суммарная реакция, протекающая в три отдельных
этапа;
2. История и развитие идей
3J
(I) 4Н2О -----—------>4(ОН)+4Н, (2.6)
Зеленые пигменты
(II) 4Н + С02 -> (СН2О) + Н20, (2.7)
(III) 40Н 2Н2О + О2. (2.8)
Из этой последовательности реакций отчетливо видно,
что кислород в фотосинтезе происходит из воды, а не из
углекислоты.
Второе важное открытие сделал в 1937 г. Р. Хилл
(R. НШ) в Кембриджском университете. С помощью
дифференциального центрифугирования гомогената тка-
ней листа он отделил фотосинтезирующие частицы (хло-
ропласты) от дыхательных частиц. Полученные Хиллом
хлоропласты при освещении сами по себе не выделяли
кислорода (возможно, из-за того, что они были повреж-
дены при разделении). Однако они начинали выделять
кислород на свету, если в суспензию вносили подходя-
щие акцепторы электрона (окислители), например фер-
риоксалат калия или феррицианид калия. При выделе-
нии одной молекулы Оз фотохимически восстанавлива-
лись четыре эквивалента окислителя. Позднее было
обнаружено, что многие хиноны и красители восстанав-
ливаются хлоропластами на свету. Однако хлоропласты
не могли восстановить СОг, природный акцептор элект-
ронов при фотосинтезе. Это явление, известное теперь
как реакция Хилла, представляет собой индуцируемый
светом перенос электронов от воды к нефизиологическим
окислителям (реагентам Хилла) против градиента хи-
мического потенциала. Значение реакции Хилла состоит
в том, что она продемонцтрировала возможность разде-
ления двух процессов — фотохимического выделения ки-
слорода и восстановления углекислоты при фотосин-
тезе.
Разложение воды, приводящее к выделению свобод-
ного кислорода при фотосинтезе, было установлено Ру-
беном (Ruben) и Каменом (Kamen), в Калифорнии в
1941 г. Они поместили фотосинтезирующие клетки в во-
ду, обогащенную изотопом кислорода, имеющим массу
18 атомных единиц (18О). Изотопный состав кислорода,
выделенного клетками, соответствовал составу воды, но
не СО2. Кроме того, Камен и Рубен открыли радиоак-
32
2. История и развитие идей
тивный изотоп 14С, который впоследствии успешно ис-
пользовали Бассэм (Bassham), Бенсон (Benson) и Каль-
вин (Calvin), изучавшие путь превращения углерода при
фотосинтезе (гл. 6). Кальвин и его сотрудники показа-
ли, что восстановление углекислоты до сахаров проис-
ходит в результате темновых ферментативных реакций,
причем для восстановления одной молекулы СО2 требу-
ются две молекулы восстановленного пиридиннуклеотида
(NADPH) и три молекулы АТР. К тому времени роль
АТР и пиридиннуклеотидов в дыхании тканей уже была
установлена. Возможность фотосинтетического восста-
новления NADP до NADPH выделенными хлоропласта-
ми была доказана в 1951 г. в трех разных лаборатори-
ях. В 1954 г. Арнон (Агпоп), Аллен (Allen) и Уотли
(Whatley) продемонстрировали фотосинтез вне клет-
ки— они наблюдали ассимиляцию СО2 и выделение
О2 выделенными хлоропластами шпината. В течение сле-
дующего десятилетия из хлоропластов удалось выделить
белки, участвующие в переносе электронов (При фото-
синтезе,— ферредоксин, пластоцианин, ферредоксин—
NADP+'редуктазу, цитохромы b и f и т. д.
Таким образом, в здоровых зеленых листьях под дей-
ствием света образуются NADPH и АТР. Восстанови-
тельные эквиваленты NADPH и энергия гидролиза АТР
используются для восстановления СО2 до углеводов в
присутствии ферментов, причем активность некоторых
ферментов регулируется светом.
3. Фотосинтетический аппарат
Фотосинтетический аппарат — это та часть клетки листа
или водоросли, которая содержит все компоненты, необ-
ходимые для поглощения света и использования энер-
гии возбужденных молекул пигментов в последователь-
ных фотохимических и ферментативных реакциях. Опыты
Энгельмана (гл. 2) показали, что пигментами, обес-
печивающими поглощение квантов света, являются хло-
рофиллы. Сведения о субклеточных структурах, содер-
жащих хлорофилл, были получены методами обычной и
электронной микроскопии и методами фракционирования
компонентов клетки. У зеленых водорослей и у высших
Рис. 3.1. Тонкий срез клеток мезофилла шпината. Видны хлоропла-
сты (1} в цитоплазме, расположенные вдоль клеточных стенок (2);
3 — ядра клеток; 4 — межклеточные полости, заполненные воздухом,
в которых происходит свободная диффузия газов к хлоропластам;
5 — вакуоли. [Печатается с любезного разрешения А. Гринвуда
(A. D. Greenwood), Department of Botany, Imperial College, London.]
Грама
3. Фотосинтетический аппарат
35
растений хлорофилл содержится во внутриклеточных
пластидах, называемых хлоропластами. На фотографиях,
полученных а помощью электронного микроскопа, видно,
что хлоропласты высших растений, например шпината
или табака, — это тельца, напоминающие .по форме
блюдце диаметром от 4 до 10 мкм и толщиной 1 мкм
(1 мкм = 10~6 м). Наружная мембрана (оболочка) отде-
ляет хлоропласт от остальной цитоплазмы (рис. 3.1).
В зависимости от вида данного растения и условий рос-
та число хлоропластов в клетке высших растений может
очень сильно различаться — от одного хлоропласта до
сотни и более. У многих растений хлоропласты способ-
ны воспроизводиться путем простого деления.
Внутри хлоропласта находится система ламелл, или
уплощенных тилакоидов, сгруппированных в стопки в
темно-зеленых участках хлоропласта, называемых гра-
нами (рис. 3.2). В каждой ламелле хлоропласта можно
различить две двуслойные мембраны. Граны погружены
в бесцветный матрикс, называемый стромой, а весь хло-
ропласт окружен двуслойной мембраной, или оболочкой
хлоропласта. Внутри хлоропласта граны связаны между
собой свободно расположенными мембранами — ламел-
лами стромы. Строение тилакоидов подробно показано
па рис. 3.3 и 3.4. Приведенные на этих рисунках модели
основаны на данных электронной микроскопии, получен-
ных способом замораживания — скалывания, суть кото-
рого вкратце изложена в подписи к рис. 3.3. На поверх-
ностях мембран, наблюдаемых под электронным микро-
скопом, видно распределение хлорофилл-белковых комп-
лексов, которые погружены в двойной слой липидов,
образующих структурный каркас мембраны, или связаны
Рис. 3.2. А. Схематическое изображение внутренней трехмерной
структуры хлоропласта. Б. Сечение хлоропласта в цитоплазме клет-
ки листа шпината. 1 — оболочка хлоропласта; 2 — граны, состоящие
из стопок тилакоидов; 3— строма; 4 — зернышко крахмала в хло-
ропласте; 5 — цитоплазматическая мембрана; 6 — клеточная стенка;
7—митохондрия; 8 — вакуоль. В. Отдельная грана внутри хлоро-
пласта. Видны стопки мембран тилакоидов в гране, а также ламел-
лы стромы, соединяющие разные граны. 9 — капля липидов в строме.
[Печатается с любезного разрешения А. Гринвуда.]
36
3. Фотосинтетический аппарат
Рис. 3.3. Схематическое изображение строения хлоропласта, наблю-
даемого под электронным микроскопом. При приготовлении образца
используется метод замораживания — скалыванид, благодаря кото-
рому удается увидеть внутреннее устройство хлоропласта. [По Стей-
лину (Stahelin), J. Cell Biol., 71, 136 (1976).]
Рис. 3.4. Модель молекулярной организации мембран тилакоидов.
Обратите внимание на различие состава ламелл стромы и граны.
[По Стейлину и Арнцену (Stahelin, Arntzen), CIBA Fndn. Symp., 61,
147 (1979).]
с ним. Организация комплексов, обнаруживаемых в
электронном микроскопе в виде отдельных частиц, раз-
лична в области упакованных стопкой мембранах гран
и в тех участках, где находятся не образующие стопок
мембраны стромы. Различие это объясняется тем, что
Рис. 3.5 А. Клетки зеленой водоросли Соссотуха sp., симбионта, вхо-
дящего в состав лишайника, имеют чашевидные хлоропласты. 1—
тилакоиды, сгруппированные по три; 2 — оболочка хлоропласта;
3 — зернышко крахмала в хлоропласте; 4 — клеточная стенка; 5—
цитоплазматическая мембрана; 6 — ядро; 7 — митохондрия. [Печата-
ется с любезного разрешения Г. Гриффитса (Griffiths), Department
of Botany, Imperial College, London).] Б. Хлоропласт красной водо-
росли Ceramium sp. с отдельными тилакоидами (8), лежащими поч-
ти параллельно друг другу в строме (9). 10 — оболочка хлороплас-
та; 11— зернышки крахмала вне хлоропласта. Темные пятнышки —
капли липидов в хлоропласте. [Печатается с любезного разрешения
А. Гринвуда (Greenwood).]
38
3. Фотосинтетический аппарат
фотосистема II, т. е. комплексы, осуществляющие выде-
ление кислорода, находится преимущественно в гранах,
а частицы фотосистемы I связаны в основном с ламел-
лами стромы (см. рис. 5.2).
Ламеллярная структура хлоропластов обнаружена це
только у высших растений, но и у водорослей. Форма
хлоропластов у водорослей может быть весьма причуд-
ливой. На рис. 3.5 показаны хлоропласты зеленой и
красной водорослей. Самые древние водоросли, сине-
зеленые (их называют также цианобактериями), вооб-
ще не содержат хлоропластов как таковых. Фотосинтез
у этих организмов происходит в расположенных парал-
лельными слоями ламеллярных мембранах, пронизываю-
щих всю цитоплазму.
Хлоропласты высших растений можно фракциониро-
вать, отделив зеленые ламеллы^от бесцветного матрикса
(стромы). Мембраны ламелл, в которые входит хлоро-
филл, состоят из белков и липидов в соотношении при-
мерно один к одному. Белки катализируют ферментатив-
ные реакции и обусловливают механическую прочность
мембран. Большинство светособирающих молекул хло-
рофилла а и хлорофилла b связаны со специфическими
мембранными белками. Присутствие липидов облегчает
запасание энергии и обеспечивает избирательную прони-
цаемость для сахаров, солей, субстратов и т. п. Липиды
хлороплаетов играют важную роль в сохранении струк-
туры и функции мембраны. Одной из причин разруше-
ния хлоропластов под влиянием тепла или света явля-
ется выход'липидов из мембран и окисление липидов.
Процесс преобразования световой энергии и связан-
ный с ним транспорт электронов при фотосинтезе проис-
ходят в ламеллах. Строма содержит много растворимых
белков, в том числе ферменты цикла Кальвина — Бенсо-
на (Calvin, Benson) (гл. 6), катализирующие темновые
реакции восстановления СОг до углеводов.
3.1. Выделение хлоропластов из листьев
Фотосинтетически активные хлоропласты впервые вы-
делил из клетки Хилл. Активность его препаратов огра-
ничивалась выделением Ог и сопряженным восстановле-
нием нефизиологических акцепторов электрона (см.
3. Фотосинтетический аппарат
39
гл. 2). Арнон и Уотли (Arnon, Whatley) выделили хлоро-
пласты в изотоническом растворе хлористого натрия
(концентрация составляла около 0,35 М, или 2%). По-
лученные ими препараты были способны к фотовосстанов-
лению NADP+ и фотофосфорилированию, но фиксирова-
ли СОг очень медленно, хотя и содержали все фермен-
ты цикла Кальвина — Бенсона (цикла фиксации СОг).
Под световым микроскопом такие хлоропласты казались
неповрежденными, но микрофотографии, полученные с
помощью электронного микроскопа, показывали, что у
этих хлоропластов отсутствует наружная оболочка и
что они представляют собой обнаженные системы ла-
мелл. Такие хлоропласты называют хлоропластами «ти-
па С» (разрушенными, broken) (рис. 3.6). Уолкер
(Walker) разработал способ выделения хлоропластов
«типа А» (целые, complete), у которых наружная оболоч-
ка сохраняется и которые могут фиксировать СОг со ско-
ростью, достигающей 90% скорости фиксации в целых
листьях. Более подробные сведения о типах можно най-
ти в статье Холла (Hall, Nature 235, 125, 1972)'.
Рис. 3.6. Хлоропласты бобов в забуференном растворе сахарозы.
Внутренние мембраны хлоропластов интактны, но наружной оболоч-
ки нет. По классификации, приведенной в гл. 3, хлоропласты при-
надлежат к типу С. [Печатается с любезного разрешения А. Грин-
вуда и Р. Лича' (Greenwood, Leech).]
40
3. Фотосинтетический аппарат
Ниже описаны два способа выделения хлоропластов,
которыми пользуются в нашей лаборатории. Все
растворы и аппаратуру следует заранее охладить на
льду. Выделение необходимо проводить как можно
быстрее (ом. также гл. 5).
Способ 1. Методика Уотли и Арнона (видоизмененная)
Среда для измельчения листьев:
NaCl 0,35 М
трис-НС!-буфер, pH 8,0 0,04 М
25 г листьев шпината нарезать на мелкие кусочки
длиной 0,5—1 см. Полученный материал .поместить в го-
могенизатор М. S. Е. Atomix (или в бытовой миксер)
и залить 50 см3 среды, для измельчения. Гомогенизиро-
вать 10 с на малой скорости и 20 с на большой скоро-
сти. Профильтровать гомогенат через найлоновый мешо-
чек (или через 4 слоя марли) в центрифужную пробир-
ку. Центрифугировать 4 мин при 2000 g. Отбросить над-
осадочную фракцию. Ресуспендировать осадок в 2 мл
0,35 М раствора NaCl, пользуясь небольшим кусочком
гигроскопичной ваты, намотанным на стеклянную па-
лочку. Полученный препарат состоит из хлоропластов
типа С (разрушенных). Фрагменты хлоропластов (тип
Е) получают при разведении суспензии 10-кратным
объемом воды, доводя концентрацию NaCl до 0,035 М.
Способ 2. Методика Уолкера
Среда, для измельчения
Сорбитол 0,33 М
MgCl2 0,005 М
Na4P2O7 • 10Н2О 0,01 М
Довести pH смеси до 6,5 добавляя НС1. Непосредствен-
но перед употреблением добавить изоаскорбат натрия до
конечной концентрации 0,002 М.
Среда для ресуспендирования:
Сорбитол 0,33 М
MgCl2 0,001 М
МпС12 0,001 М
ЭДТА (этилендиаминтетраацетат) 0,002 М
HEPES (буфер гидроксиэтилпипера-
зин — этансульфоновая кис-
лота) 0,05 М
Довести pH до 7,6, добавляя NaOH
3. Фотосинтетический аппарат
41
Гомогенизировать в бытовом миксере 50 г охлажден-
ных листьев шпината в 200 см3 свежеприготовленной
среды для измельчения, включая миксер на 3—5 с. От-
жать полученную массу через два слоя марли и про-
фильтровать через 8 слоев марли в пластмассовые цент-
рифужные пробирки емкостью 50 см3. Сразу центрифуги-
ровать при 0°С так, чтобы общее время для разгона
центрифуги от 0 до 4000 g и последующей остановки со-
ставило примерно 90 с. Осторожно ресуспендировать
осадок с помощью стеклянной палочки и небольшого ку-
сочка гигроскопичной ваты в 1 см3 среды для ресус/пен-
дирования (см. выше). В результате получается суспен-
зия хлоропластов, состоящая на 50—80% из хлоропла-
стов типа А (полных), способных к фиксации СОг с вы-
сокой скоростью.
3.2. Пигменты хлоропластов
Все фотосинтезирующие организмы содержат один или
несколько органических пигментов, способных поглощать
видимый свет, запуская тем самым фотохимические ре-
акции фотосинтеза. Из большинства листьев эти пигмен-
ты можно экстрагировать спиртом или другими органи-
ческими растворителями. Выделить индивидуальные пиг-
менты из спиртового экстракта можно методом хрома-
тографии на колонке с сахарной пудрой. Впервые это
сделал русский ботаник М. С. Цвет в 1906 г. В расте-
ниях и водорослях встречаются пигменты трех основ-
ных классов — хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины.
Хлорофиллы и каротиноиды нерастворимы в воде, а
фикобилины растворимы. Каротиноиды и фикобилины
называют вспомогательными, или сопровождающими,
пигментами, поскольку энергия квантов света, поглощен-
ных этими пигментами, может передаваться на хлоро-
филл. В табл. 3.1 приведены характеристики поглощения
света этими пигментами. Пигменты фотосинтезирующих
бактерий описаны в гл. 7.
Хлорофиллы придают растениям характерный зеле-
ный цвет. Они нерастворимы в воде, но хорошо раство-
ряются в органических растворителях. Хлорофилл а
имеет голубовато-зеленый цвет, хлорофилл b—желтова-
то-зеленый. Хлорофилл а имеется у всех фотосинтези-
42
3. Фотосинтетический аппарат
Таблица 3.1. Пигменты
Тип пигмента Характерные мак- симумы полос по- глощения в орга- нических раство- рителях, нм Распространение
Хлорофиллы Хлорофилл а Хлорофилл b Хлорофилл с Хлорофилл d Каротиноиды Р-Каротин а-Каротин Лютеол Виолаксантол Фукоксантол Фикобилины Фикоэритрины Фикоцианины Аллофикоциани- ны 420, 660 435, 643 445, р25 450, 690 425, 450, 480 420, 440, 470 425, 445, 475 425, 450, 475 425, 450, 475 490, 546, 576 618 650 Все высшие растения и водоросли Все высшие растения и зеленые водоросли Диатомовые и бурые водоросли Красные водоросли Высшие растения и большинство водорослей Большинство растений и некото- рые водоросли Зеленые водоросли, красные во- доросли и высшие растения Высшие растения Диатомовые и бурые водоросли Красные водоросли и некоторые сине-зеленые водоросли (циано- бактерии) Сине-зеленые водоросли и неко- торые красные водоросли Сине-зеленые и красные водо- росли
рующих организмов, способных к выделению кислорода.
Хлорофилл b обнаружен в листьях высших растений и
в зеленых водорослях, причем его содержание примерно
втрое меньше содержания хлорофилла а. Максимумы
поглощения хлорофилла а и хлорофилла b в эфире на-
ходятся при 660 и 643 нм соответственно (рис. 3.7). Мак-
симумы поглощения в ацетоне расположены при 663 и
3. Фотосинтетический аппарат
43
645 нм. Следует, однако, иметь в виду, что внимательное
изучение спектральных свойств живых клеток указыва-
ет на существование множественных форм хлорофилла
a in vivo. Эти формы хлорофилла а могут быть по-раз-
ному связаны с ламеллами и имеют разные фотохими-
ческие функции.
Формула молекулы хлорофилла а — Cssb^N^tOsMg,
формула хлорофилла b — C55H7oN406Mg. Структурную
формулу хлорофилла определил в 1940 г. Фишер (Fi-
scher) в Германии в опытах с последовательным разру-
шением молекулы пигмента. В 1960 г. Вудворд (Wood-
ward) в Гарварде выполнил полный синтез молекулы
хлорофилла и подтвердил правильность структурной
формулы, установленной Фишером. Молекула хлоро-
филла (рис. 3.8) состоит из порфириновой «головки» и
фитольного «хвоста». Полярное (растворимое в воде)
порфириновое ядро образовано тетрапиррольным коль-
цом с расположенным в центре атомом магния. По мне-
нию специалистов по электронной микроскопии, хлоро-
филл в клетке уложен между белковым и липидным.
Рис. 3.7. Спектры поглощения хлорофиллов в эфире. [Zscheile, Comar.
Bot. Gaz., 102, 463 (1964).]
44
3. Фотосинтетический аппарат
слоями в ламеллах хлоропластов, причем порфириновая
часть молекулы связана с белком, а жирорастворимая
фитольная цепь погружена в липидный слой.
Оптические спектры поглощения хлорофилла а и
хлорофилла b пересекаются при 652 нм. Раствор хлоро-
филла в концентрации 1 мг/мл имеет оптическую плот-
ность 34,5 ед при 652 нм. Арнон разработал метод, по-
зволяющий определять содержание хлорофилла в сус-
пензии хлоропластов, исходя из поглощения при 652 нм.
Для этого нужно взять 0,1 мл суспензии хлоропластов,
разбавить ее 80%-ным ацетоном до объема 20 мл, пе-
ремешать и отфильтровать. Далее следует измерить оп-
тическую плотность профильтрованного раствора при
652 нм в спектрофотометре, пользуясь кюветами с дли-
ной оптического пути 1 см и используя 80%-ный ацетон
в качестве контрольного образца. Умножив полученную
величину на 5,8, получаем концентрацию хлорофилла
Рис. 3.8. Структурные формулы хлорофиллов а и b (Heath, 1969).
3. Фотосинтетический аппарат
45
в исходной суспензии хлоропластов, выраженную в
миллиграммах на 1 мл.
Каротиноиды — это желтые или оранжевые пигменты,
найденные во всех фотосинтезирующих клетках. В зеле-
ных листьях каротиноиды обычно незаметны из-за нали-
чия в листьях хлорофилла, но осенью, когда хлорофилл
разрушается, именно желтые каротиноиды придают
листьям характерную осеннюю окраску. В молекулах
каротиноидов имеется система сопряженных двойных
связей, характерная для полиенов. По своему строению
каротиноиды обычно являются либо углеводородами
(каротины), либо окисленными углеводородами, т. е.
кислородсодержащими (каротинолы или ксантофиллы).
Они образуют 40-звенную углеродную цепь, построенную
из изопреновых субъединиц (рис. 3.9). Спектры погло-
щения каротиноидов характеризуются наличием трех
полос в области от 400 до 550 нм. В лемеллах хлоропла-
ста каротиноиды расположены в непосредственной бли-
зости от хлорофилла. Поглощенная каротиноидами
энергия может передаваться хлорофиллу а и использо-
ваться для фотосинтеза. Кроме того, каротиноиды могут
защищать молекулы хлорофилла от чрезмерного фото-
окисления на слишком ярком свету.
Сине-зеленые водоросли и красные морские водорос-
ли содержат группу пигментов, называемых фикобили-
нами (рис. 3.10). Фикобилины представляют собой те-
трапиррольные структуры, похожие на хлорофилл а, но
с линейным расположением пиррольных колец. Кроме
того, они не имеют боковой фитольной цепи и не со-
держат магния. Хромофоры фикобилинов ковалентно
связаны с полипептидами и образуют водорастворимые
фикобилипротеиды. Известны три класса фикобили-
нов — фикоэритрины, фикоцианины и аллофикоцианины.
Красные фикоэритрины найдены во всех красных водо-
рослях (см. табл. 3.1). Они поглощают свет в середине
видимой области спектра. Эта особенность позволяет
красным водорослям, живущим глубоко под поверхно-
стью моря, осуществлять фотосинтез, пользуясь слабым
голубовато-зеленым светом, прошедшим сквозь толщу
воды. Чем глубже обитают красные водоросли, тем боль-
ше они содержат фикоэритрина по сравнению с хлоро-
филлом. Голубые пигменты фикоцианины и аллофико-
46
3. Фотосинтетический аппарат
Рис 3.9. А. Спектры поглощения а-каротина и ксантофилла [Zscheil-
le et al., Plant Physiol., 17, 331 (1942).] Б. Структура 0-каротина
(Heath, 1969).
цианины встречаются в сине-зеленых водорослях, жи-
вущих в поверхностных слоях воды в озерах и на суше.
Энергия, поглощенная фикобилинами (вспомогательны-
ми, или сопровождающими, пигментами), передается
хлорофиллу и используется в фотохимических реакциях.
Методами пикосекундной спектроскопии (1 пикосекун-
3. Фотосинтетический аппарат
4
да=1 пс=10~12 с) показано, что перенос энергии в
красной водоросли Porphyridium cruentum происходит
в последовательности
Фикоэритрин -> Фикоцианин -> Аллофикоцианин ->
-> Хлорофилл а
Таким образом, в ходе эволюции водоросли и высшие
растения научились синтезировать различные пигменты
для того, чтобы с наибольшей эффективностью улавли-
вать имеющийся солнечный свет и осуществлять фото-
синтез. Относительное содержание разных пигментов
зависит от биологического вида, условий обитания, вре-
мени года и ряда других факторов.
Помимо пигментов ламеллы хлоропластов содержат
многие белки, липиды, хиноны, ионы металлов. Роль не-
которых из них в процессе фотосинтеза была выяснена
с помощью метода дифференциальной спектрофотоме-
трии (см. гл. 4). Обнаруженные в хлоропластах два ци-
тохрома— цитохром Ь6 и цитохром f — участвуют в фо-
тосинтетическом транспорте электронов. В хлоропластах
обнаружены также синий медьсодержащий белок пла-
стоцианин, ферредоксин — белок, содержащий негемовое
железо, и флавопротеид ферредоксин — NADP+редукта-
Длина волны, нм
Рис. 3.10. Спектры поглощения фикобилипротеидов в видимой обла-
сти. А— фикоэритрин; Б — аллофикоцианин; В — фикоцианин.
(Bennet A, Bogorad L., Biochemistry, 10, 3625, 1971.)
48
3. Фотосинтетический аппарат
за. Считается, что пластохинон участвует в ранних
стадиях переноса электрона от возбужденных молекул
хлорофилла. Цинк, железо, магний и марганец — вот
некоторые из ионов металлов, обнаруженных в ламеллах
хлоропластов.
3.3. Фотосинтетическая единица
Молекулы хлорофилла объединяются в функциональные
комплексы. Фотосинтетической единицей называют такой
комплекс пигментов и других молекул, в котором реак-
ционый центр связан процессами переноса энергии воз-
буждения с антенной, состоящей из светособирающих
пигментов (рис. 3.11). В соответствии с этим представле-
нием любой квант энергии, поглощенный одной из при-
мерно 250 молекул хлорофилла, передается на реакци-
онный центр. Реакционный центр содержит специальную
пару молекул хлорофилла а. Попав на реакционный
центр, энергия кванта света запускает процесс переноса
электрона. Идея о существовании фотосинтетической
единицы возникла на основе следующих наблюдений:
1. Для фотосинтетического восстановления 1 молеку-
лы СОг и выделения 1 молекулы О2 необходимо, чтобы
молекулы хлорофилла поглотили примерно 8 квантов
света. Если бы каждая молекула хлорофилла в растении
была способна к фотохимическим реакциям, то под дейст-
вием достаточно мощной вспышки света произошло бы
выделение примерно 1 молекулы О2 на каждые 8 имею-
щихся молекул хлорофилла. Однако опыты Эмерсона и
Арнольда со вспышками света (гл. 2) показали, что в
суспензии клеток Chlorella наибольший выход кислоро-
Квант
света
Рис. 3.11. Схема фотосинтетической единицы. Каждый квант света
взаимодействует с ансамблем, состоящим из 250 молекул хлорофил-
ла и содержащим один реакционный центр Р700.
3. Фотосинтетический аппарат
49
да на вспышку составлял всего лишь 1 молекулу Ог
примерно на 2500 молекул хлорофилла. Следовательно,
квант света поглощается одной молекулой из группы,
состоящей примерно из 300 молекул.
2. Гафрон (Gaffron) и Воль (Wohl) рассчитали, что в
растении, которое находится на слабом свету, каждая
молекула хлорофилла поглощает квант света примерно
один раз в несколько минут. В таких условиях отдельно
взятой молекуле хлорофилла пришлость бы ждать почти
час, чтобы накопить необходимое количество квантов и
выделить одну молекулу Ог. Однако опыт показывает,
что, когда растение' начинают освещать, скорость погло-
щения СОг и выделения Ог быстро достигает максималь-
ного значения. Поэтому Гафрон и Воль постулировали,,
что энергия, собранная большим числом молекул хлоро-
филла, передается на один реакционный центр.
3. Гафрон и его сотрудники обнаружили также, что
в золотисто-желтых листьях табака, содержащих очень
мало хлорофилла, фотосинтез может идти почти с нор-
мальной скоростью, но лишь при очень высоких интен-
сивностях света. Такие листья должны были содержать
более значительную долю молекул хлорофилла специ-
ального типа, непосредственно связанных с компонента-
ми электрон-транспортной цепи.
4. Данные дифференциальной спектрофотометрии
свидетельствуют о важной роли некоторых специфичес-
ких компонентов клетки, таких, как пигмент Р7Оо [Кок
(Кок), 1956] и цитохромы [Дюйзенс (Duysens), 1961], в
фотохимических реакциях переноса электрона. У высших
растений и водорослей на каждые 250 молекул хлоро-
филла приходится одна молекула цитохрома, участвую-
щего в фотореакции, и одна молекула Р700.
3.4. Фотосинтетический аппарат растений
С4-типа
Листья таких растений, как сахарный тростник, кукуру-
за, Sorghum, Amaranthus, а также многих тропических
трав, содержат хлоропласты двух различных типов. Для
листьев этих растений характерно анатомическое строе-
ние кранц-типа (от нем. Kranz — венок). Хлоропласты
находятся в клетках листа, расположенных вокруг сосу-
50
3. Фотосинтетический аппарат
Рис. 3.12. А. Хлоропласты двух типов в клетках листа кукурузы
'(С4-растение). Вверху — содержащий граны хлоропласт мезофилла.
Внизу — хлоропласт обкладки сосудистого пучка, не имеющий гран.
Зерен крахмала в хлоропласте обкладки нет, потому что перед при-
готовлением образца для электронной микроскопии лист выдержи-
вали 24 ч в темноте. [Печатается с любезного разрешения Монтеса
(G. Montes King’s College, London).] Б. Хлоропласт обкладки, не
содержащий гран, из кукурузы (Whatley, Whatley, 1980).
дистого пучка двумя концентрическими слоями. Внутрен-
ний слой называют клетками обкладки сосудистого пуч-
ка, внешний слой — клетками мезофилла. В этих хлоро-
пластах есть также система мембран, расположенных в
периферической строме — периферический ретикулум,
или сеть, которая соединяет мембраны тилакоидов и
оболочку хлоропласта. Хлоропласты двух типов можно
разделить, осторожно измельчая ткани и проводя центри-
3. Фотосинтетический аппарат
51
фугирование в градиенте плотности. Как будет подроб-
нее сказано в гл. 6, у таких растений фиксация СО2 мо-
жет осуществляться двумя различными путями.
А. Обычный цикл Кальвина, функционирующий в
хлоропластах обкладки. Первичный продукт фиксации
СО2 представляет собой соединение, содержащее три
атома углерода, — фосфоглицериновую кислоту. Этот
путь получил название Сз-путь.
Б. В хлоропластах мезофилла фиксация углекислоты
происходит в результате присоединения СО2 к фосфо-
енолпирувату, приводящему к образованию кислот с че-
Восковая Эпидермаль- Отверстие
Восковая Эпидермаль- Отверстие
Клетки палисад-
ного (столбчатого}
мезофилла,
содержащие
хлоропласты
Клетки рыхлого,
или губчатого,
мезофилла,
содержащие
хлоропласты
Рис. 3.13. Различие структуры клеток листа, содержащих хлороплас-
ты, у С4-растений (А) и у Сз-растенип (Б). Обратите внимание на
отсутствие клеток обкладки сосудистого пучка у Сз-растений. (По
Zelitch I., Chemical and Engineering News, USA, 37, Feb. 5, 1979.)
52
'! Фотосинтетический аппарат
тырьмя атомами углерода— оксалоацетата и малата.
Это — «Сгпуть» фиксации СО2. Растения, фиксирующие
СО2 только в цикле Кальвина, называют Сз-растениями;
такие растения встречаются обычно в умеренном клима-
те. К растениям Сз-типа принадлежат, например, пшени-
ца, шпинат, дуб. Те растения, которые могут фиксиро-
вать СО2 как в цикле Кальвина, так и в реакциях с об-
разованием малата, относят к С4-типу. Растут они
обычно в более южных зонах и приспособлены к услови-
ям более жаркого и (или) сухого климата.
Хлоропласты мезофилла в растениях С4-типа
(рис. 3. 12, Л) расположены в клетке беспорядочно, со-
держат стопки гран и небольшое количество зерен крах-
мала. Хлоропласты обкладки отличаются относительно
большим размером, не имеют, как правило, гран и со-
держат много зерен крахмала (рис. 3.12, 5). В листе
хлоропласты обкладки и мезофилла лежат близко друг
к другу и могут легко обмениваться продуктами фото-
синтеза (рис. 3. 13, А). Для большинства растений, у ко-
торых обнаружены хлоропласты этих двух типов, харак-
терны очень низкий уровень расположения компенсаци-
онного пункта и пониженный уровень фотодыхания и
гликолатного метаболизма. Растут такие растения быст-
рее и дают более высокие урожаи.
4. Поглощение и излучение света
атомами и молекулами
Наиболее устойчивы те состояния атомов, в которых ва-
лентные электроны занимают самые низкие энергетиче-
ские уровни и распределены по ним согласно принципу
Паули. Такое состояние называют основным энергетиче-
ским состоянием. Когда атом, находившийся в основном
состоянии, поглощает квант света, энергия кванта hv
прибавляется к энергии атома, и электроны переходят
на возбужденные уровни, характеризующиеся более вы-
сокой энергией. Это проиллюстрировано на рис. 4.1 для
случая атома гелия. Поглощение света и переход атома
в возбужденное состояние происходит примерно за
10~15 с. Если атом имеет четное число электронов, то их
спины (векторы магнитных моментов) обычно направ-
лены противоположно друг другу, и суммарный спин
всех электронов атома равен нулю. Такое состояние с
s = 0 называют синглетным. Спин атома, имеющего не-
четное число электронов, обычно равен s=g-, это — дуб-
летное состояние. Если число электронов в атоме четное,
но спины двух электронов параллельны, то полный спин
равен s=l, и такое состояние называется триплетным.
Эти состояния схематично показаны на рис. 4. 1. Перехо-
L-оболочка
Поглощение
5 = 0
Синглетное
основное
состояние
5 = 0
Синглетное
возбужденное
состояние
Рис. 4.1. Уровни энергии электронов в атоме гелия.
или
5 = 0
Триплетное
возбужденное
состояние
54
4. Поглощение и излучение света атомами и молекулами
ду атома из основного состояния в возбужденное, проис-
ходящему при поглощении кванта света, соответствует
узкая линия в спектре поглощения, ее длина волны К
определяется равенством (см. гл. 1)
ЛЕ = Ас/Х.
(4-1)
В молекулах переходы в возбужденное состояние могут
происходить при поглощении квантов различной энер-
гии, поэтому вместо узких линий в спектрах поглощения
молекул наблюдаются более или менее широкие полосы.
В атомах излучение и поглощение происходят при одних
и тех же длинах волн, но в молекулах полосы поглоще-
ния и излучения не совпадают, максимум излучения
обычно смещен в сторону больших длин волн по сравне-
нию с максимумом поглощения (рис. 4.2, А).
Синглетное воз-
бужденное состоя-
ние (высокая ~г-
энергия) ।
Поглощение
энергии
света
Основное состоя-
ние (низкая
энергия)
Флуоресценция
(излучение
света)
— Метастабилъное ——Использо-
триплетное вание и
состояние (высо- запасание
кая энергия) энергии
Фосфоресценция
(излучение света)
5
Рис. 4.2. Спектры поглощения и излучения света молекулами.
4. Поглощение и излучение света атомами и молекулами
55
4.1. Временные соотношения; флуоресценция
и фосфоресценция
Молекула, например молекула хлорофилла, находящая-
ся в электронно-возбужденном состоянии, может возвра-
щаться в основное состояние различными путями.
Во-первых, отдав часть энергии в виде тепла, молекула
может излучить квант света и при этом перейти в основ-
ное состояние (рис. 4.2, Б). Такое явление называют
флуоресценцией. Длины волн флуоресценции обычно
больше соответствующих длин волн поглощения. Напри-
мер, хлорофилл а в растворе поглощает в красной и си-
ней областях спектра, но светится лишь в красной об-
ласти. Максимум флуоресценции приходится на 668 нм,
тогда как самый длинноволновый максимум поглощения
лежит при 663 нм. Средний промежуток времени, в тече-
ние которого молекула находится в возбужденном со-
стоянии, т. е. промежуток от момента поглощения кван-
та до момента его высвечивания, называют временем
жизни возбужденного состояния. Величина времени жиз-
ни зависит от характеристик возбужденного состояния.
•Обычное время жизни флуоресценции имеет порядок
10-9 с.
Другой путь растраты энергии состоит в том, что
возбужденная молекула переходит из синглетного воз-
бужденного состояния ( в котором она находилась после
поглощения кванта света) в метастабильное триплетное
состояние, имеющее гораздо большее время жизни, по-
рядка 10“1 * 3 с. Из метастабильного триплетного состояния
молекула может вернуться в основное состояние, излу-
чив еще более длинноволновый (чем в случае флуорес-
ценции) квант света. Это обычно более слабое свечение
называют фосфоресценцией. Фосфоресценция затухает
медленно, и ее можно увидеть даже невооруженным гла-
зом после того, как возбуждающий свет уже выключен ’.
Триплетные возбужденные состояния молекул играют
важную роль в фотохимических реакциях, поскольку они
имеют большую длительность жизни, сравнительно ма-
1 Хлорофиллы фосфоресцируют в инфракрасной области спект-
ра, поэтому их фосфоресценцию нельзя увидеть невооруженным гла-
зом. — Прим, перев.
56
4. Поглощение и излучение света атомами и молекулами
лую энергию и обладают магнитным моментом, появле-
ние которого обусловлено тем, что направления спинов
возбужденного и одного из невозбужденных электронов
совпадают. Вероятность того, что молекула хлорофилла,
находясь в возбужденном состоянии, успеет прореагиро-
вать с другой молекулой, гораздо больше в случае три-
плетного состояния (из которого происходит фосфорес-
ценция), чем в случае синглетного возбужденного
состояния (ответственного за флуоресценцию). Экспери-
ментально было показано, что хлорофилл в органичес-
ких расворителях может находиться в триплетном со-
стоянии, но роль этих состояний в процессе фотосинтеза
еще не выяснена.
4.2. Перенос энергии. Сенсибилизированная
флуоресценция
Явление сенсибилизированной флуоресценции включает
взаимодействие двух молекул д растворе, причем они
могут быть разделены большим числом молекул раство-
рителя. В этом случае перенос энергии проявляется, ког-
да раствор, содержащий молекулы двух разных пигмен-
тов, освещают светом такого спектрального состава, ко-
торый может поглощаться лишь одним из пигментов
(называемым донором энергии). Однако при этом спектр
излучения раствора соответствует спектру флуоресцен-
ции второго пигмента — акцептора энергии. Таким обра-
зом происходит резонансный перенос энергии возбужде-
ния от молекулы донора к молекуле акцептора. Одно из
необходимых условий переноса энергии состоит в том,
что уровень энергии возбужденного (флуоресцирующего)
состояния донора должен быть выше или по крайней ме-
ре не ниже, чем соответствующий уровень энергии ак-
цептора. Или, иначе говоря, полоса флуоресценции мо-
лекулы донора должна перекрываться с полосой погло-
щения молекулы акцептора (рис. 4.3).
Во многих водорослях кванты света, поглощенные
вспомогательными пигментами, передаются с большей
или меньшей эффективностью молекулам хлорофилла а.
Этот перенос энергии, по-видимому, .происходит по меха-
низму, подобному тому, который действует при сенси-
билизированной флуоресценции. В зеленых водорослях
4. Поглощение и излучение света атомами и молекулами
57
флуоресценция хлорофилла а наблюдается при возбуж-
дении самого хлорофилла а, а также хлорофилла b и
каротиноидов. Энергетические уровни хлорофилла а са-
мые низкие (о чем можно судить по положению спектра
его флуоресценции), поэтому перенос энергии в хлоро-
пласте всегда направлен к хлорофиллу а.
Флуоресценция
пигмента-
Поглощение
пигмента-
Флуоресценция
пигмента-
Поглощение
пигмента -
донора
донора акцептора акцептора
Длина волны
Сеет, возбуждающий
пигмент-донор
Наблюдаемая флуоресценция
пигмента-акцептора
Рис. 4.3. Взаимное расположение полос поглощения и сенсибилизи-
рованной флуоресценции.
Изучение флуоресценции хлорофилла а и квантового
выхода фотосинтеза у Chlorella показало, что у этой во-
доросли перенос энергии от хлорофилла Ь к хлорофиллу
а происходит с эффективностью 100%, тогда как эффек-
тивность переноса энергии от каротиноидов к хлорофил-
лу а составляет лишь 40%. Для эффективного переноса
энергии между молекулами различных пигментов необ-
ходимо, чтобы они были плотно упакованы в ламеллах
хлоропластов.
4.3. Эффект Эмерсона и две световые реакции
Если процесс фотосинтеза возбуждается монохроматиче-
ским светом и при этом его эффективность измеряют по
выделению Ог или по фиксации СОг, то график зависи-
58
4. Поглощение и излучение света атомами и молекулами
мости эффективности фотосинтеза от длины волны света
называют спектром действия фотосинтеза. Если в фото-
химической реакции участвует лишь один пигмент, то
спектр действия реакции имеет ту же форму, что и
спектр поглощения этого пигмента. Если за 1 с фото-
синтезирующая система поглощает I квантов монохро-
матического света и при этом выделяет Р молекул кисло-
рода, то отношение Ф=РИ называют квантовым выхо-
дом, или квантовой эффективностью фотосинтеза.
_ , I
Величина, обратная квантовому выходу, —, показывает,
сколько квантов света нужно для того, чтобы выдели-
лась одна молекула О2; ее называют квантовым расхо-
дом фотосинтеза. Хотя значения квантового расхода, по-
лученные разными авторами, колеблются в интервале от
4 до 12, обычно считают, что величина расхода не
ниже 8.
В 1940-х годах Эмерсон и его сотрудники в Универси-
тете штата Иллинойс изучали спектры действия фото-
синтеза разных водорослей, измеряя максимальный
квантовый выход фотосинтеза как функцию длины вол-
ны монохроматического света, которым освещали водо-
росли. Они обнаружили, что у водоросли Chlorella наи-
более эффективным для фотосинтеза был красцый свет
в диапазоне 650—680 нм и синий свет в диапазоне 400—
460 нм, т. е. тот свет, который наиболее интенсивно по-
глощается хлорофиллом. Фотосинтетическая эффектив-
ность кванта, поглощенного при 680 нм, была примерна
на 36% выше, чем эффективность кванта при 490 нм.
Квантовый выход фотосинтеза резко уменьшался с
увеличением длины волны овета в области длин волн
больше 685 нм, несмотря на то, что хлорофилл еще до-
статочно хорошо поглощает в этой области спектр. Это
явление, названное красным падением выхода фотосин-
теза, удалось объяснить не сразу. В последующих опы-
тах Эмерсон и его сотрудники показали, что эффектив-
ность фотосинтеза в дальней красной области (длины
волн больше 685 нм) можно существенно увеличить,,
если дополнительно освещать водоросли красным светом
(с длиной волны около 650 нм) (рис. 4.4). Оказалось,,
что количество кислорода, выделяющегося при одновре-
менном освещении водорослей дальним красным светом
4. Поглощение и излучение света атомами и молекулами
59
и красным светом, превышает сумму тех количеств кис-
лорода, которые выделяются при освещении тех же водо-
рослей каждым пучком света в отдельности. Это возра-
стание эффективности фотосинтеза при дальнем крас-
ном свете после включения дополнительного пучка света
с меньшими длинами волн названо эффектом усиления
Рис. 4.4. Эффективность (квантовый выход) фотосинтеза зеленой
водоросли Chlorella при освещении светом разных длин волн. При
включении дополнительного источника света возрастает квантовый
выход в области длин волн больше 6'80 нм (эффект усиления Эмер-
сона) (Emerson et al., Proc. Natl. Acad. Sci. US, 43, 133, 1957.)
Эмерсона. Результаты измерений величины этого эффек-
та у трех видов водорослей, содержащих различные
вспомогательные пигменты, показаны на рис. 4.5.
На практике измеряют количество выделенного кислоро-
да. Следует обратить внимание на то, что количество
кислорода, выделившегося при одновременном освеще-
нии водорослей двумя пучками света с разными длина-
ми волн, больше суммарного количества кислорода, вы-
деляющегося при освещении объекта теми же световыми
пучками, включаемыми по отдельности. Именно это слу-
жит показателем эффекта усиления фотосинтеза. Отсюда
следует, что в фотосинтезе у растений участвуют две
реакции, одна из них сенсибилизируется хлорофиллом а,
другая — вспомогательными пигментами. Сейчас эти
реакции принято называть реакциями фотосистемы I
(ФС I) и фотосистемы II (ФС И) соответственно.
60
4, Поглощение и излучение света атомами и молекулами
Рис. 4.5. Спектры действия эффекта Эмерсона у разных водорослей
(верхняя кривая на каждом из графиков) подобны спектрам по-
глощения вспомогательных пигментов тех же водорослей (нижняя
кривая на каждом графике). A. Chlorella — зеленая водоросль, со-
держащая хлорофилл Ь. Б. Anacystis — сине-зеленая водоросль,
содержащая фикоцианин. В. Porphyridium — красная водоросль,
содержащая фикоэритрин. (Emerson, Rabinowitch, Plant Physiol,
35, 477, 1960.)
В 1960 г. Майерс (Myers) и Френч (French) провели
важный опыт, результаты которого показали, что опти-
мальная эффективность фотосинтеза может быть достиг-
нута не только тогда, когда фотоцистемы I и II работа-
ют одновременно, но и когда они работают по очереди,
если темновой промежуток между периодами освещения
длится небколько секунд. Эти данные указывают, что
продукты обеих фотохимических реакций могут накапли-
ваться и некоторое время сохраняться, а потом реагиро-
вать с компонентами цепи переноса электрона.
4. Поглощение и излучение света атомами и молекулами
6»
В пользу гипотезы о двух световых реакциях свиде-
тельствуют результаты следующих опытов и расчетов.
Разность окислительно-восстановительных потенциалов.
ДЕ (рис. 4.6) между субстратами и продуктами суммар-
ной реакции фотосинтеза составляет 1,25 В (для пары
СО2—глюкоза ДЕ ——0,43 В; для пары Н2О—О2 ДЕ =
= +0,82 В). Но поскольку для высвобождения одной мо-
лекулы О2 и восстановления одной молекулы СО2 нужны
4 электрона, суммарная необходимая энергия равна в
пересчете на 1 моль
4 • 1,25 эВ • 9,64 • Ю4 = 48,2 • 104 Дж (4.2)
(см. разд. 1.6, 2.5 и 6.4).
Очевидно, что такой энергетический барьер нельзя пре-
одолеть за счет поглощения двух квантов фотосинтетиче-
ски активного красного света (энергия 1 моля таких
квантов равна 17,1-104 Дж). Если учесть эксперимен-
тальные данные, соглацно которым квантовый расход
фотосинтеза в расчете на 1 молекулу О2 составляет 8
(см. разд. 4.3), то получается, что для выделения О2
нужны две световые реакции (поскольку один квант све-
та обеспечивает перенос одного электрона). Расход
со2 —^(сн2о)
Углеводы
Электродный
потенциал (£т при рН7)
р-0,4 В
- о в
Поглощение
энергии r\S\TX^-
света
- + 0,4 В
Н2О —»-02
L +0,8 В
Рис. 4.6. Окислительно-восстановительные потенциалы суммарной?
реакции фотосинтеза.
«2
4. Поглощение и излучение света атомами и молекулами
3 квантов свидетельствует о том, что каждый из 4 элект-
ронов переносится дважды (в два приема). В 1960 г.
Хилл и Бендалл (Bendall) в Кембридже выдвинули
предположение о том, что две световые реакции должны
работать последовательно, а не параллельно и что роль
GO2 СН2О
| Фотосистема I |
‘ Цит. Ь6
е~ \
I Цит-
[фотосистема 11 ~[ Хлорофилл а
t° свет
2 Хлорофилл а/Ь
Свет
Рис. 4.7. Схема работы двух световых реакций, или Z-схема фото-
синтеза. [Концепция Хилла и Бендалла (Hill, Bendall), Nature, 186,
136, I960.]
переносчиков электронов в темновой реакции, соединяю-
щей две фотосистемы, играют цитохромы Ь5 и f. Соответ-
ствующая схема показана на рис. 4.7; современные
представления о переносе электрона при фотосинтезе
описаны в гл. 5. Наиболее убедительные данные в поль-
зу существования двух отдельных фотосистем были по-
лучены в многочисленных работах с использованием
методов дифференциальной спектрофотометрии, приме-
ненных впервые Дюйзенсом (Duysens) и Коком (Кок) и
впоследствии развитых Виттом (Witt). В этих работах
измеряли изменения поглощения различных компонен-
тов клетки при освещении монохроматическим светом
разных длин волн. Схема дифференциального спектро-
фотометра показана на рис. 4.8. Изучив качественно и
количественно изменения поглощения различных компо-
нентов фотосинтетических реакций, например цитохро-
4. Поглощение и излучение света атомами и молекулами
63
мов, можно делать выводы об их роли в цепи переноса
электронов. К примеру, Дюйзенс освещал суспензию
клеток красной водоросли Porphyridium в присутствии
дихлорфенилдиметилмочевины (ДХ1ИМ, DCMU) —синте-
тического гербицида, подавляющего выделение кислоро-
Источник возбуждаю-
щего света
Освещенная
суспензия .
водорослей О
Зеркалок*.
Источник
измеритель-
ного света Зермло4
Фотодетек-
тор
Фотоприем-
ник (фото-
умножитель)
Электронная
схема вычитания
Суспензия
водорослей
в темноте
Рис. 4.8. Схема дифференциального спектрофотометра для измере-
ния индуцированных светом изменений поглощения пигментов и*
других компонентов клеток.
да, и обнаружил накопление цитохрома f в окисленном
состоянии. В контрольном опыте с клетками водорослей,,
не обработанными ингибиторами, спектр поглощения
цитохрома f не изменялся, т. е. накопления окисленного
цитохрома не происходило. Дюйзенс сделал вывод о том,
что цитохром f является промежуточным переносчиком!
электрона в реакциях, сопровождающих выделение кис-
лорода (см. гл. 5).
4.4. Реакционные центры и первичные
акцепторы электрона
Освещая сусдензии водорослей короткими вспышками
света, Кок сумел идентифицировать и охарактеризовать
особый тип хлорофилла а, который он назвал пигментом
Р700. Р700 входит в состав хлоропластов в очень малых
количествах. Его максимум поглощения лежит около
64 4. Поглощение и излучение света атомами а молекулами
700 нм. Под действием света он обратимо выцветает,
окисляясь при этом до Р7оо+. Дальнейшие исследования
показали, что Р7Оо входит в состав реакционных центров
и служит ловушкой, захватывающей всю энергию воз-
буждения, принесенную квантами света с длинами волн
больше 680 нм. При участии Р7оо эта энергия использует-
ся для первичной фотохимической реакции переноса
электронов. Иначе говоря, Р7оо представляет собой пер-
вичный донор электронов в фотосистеме I. Считают, что
Р?оо — это особым образом устроенный димер хлоро-
филла а. Обычно в хлоропластах содержится один Р7Оо
на 200—300 молекул хлорофилла. Под действием света
Р700 превращается в Р7оо+, и электрон переносится на мо-
лекулу акцептора. Дефицит электрона у Р7оо+ восполня-
ется путем переноса на Р7оо+ электрона от пластоциани-
на (в некоторых водорослях — от цитохрома )). Хими-
ческая природа акцептора, принимающего электроны от
Р7оо, т. е. первичного акцептора электронов в фотосисте-
ме I, до сих пор окончательно не выяснена. Обозначают
этот акцептор символом X. Исследованиями хлороплас-
тов методом электронного парамагнитного резонанса
(ЭПР) при очень низких температурах установлено су-
ществование двух связанных с мембраной железо-серных
центров (А и В), имеющих очень низкие окислительно-
восстановительные потенциалы (см. гл. 5) и располо-
женных в цепи переноса электронов непосредственно
после X и перед ферредоксином.
Фотосистема II содержит больше хлорофилла Ь, чем
фотосистема I, и характеризуется более интенсивной
флуоресценцией. Реакционный центр фотосистемы II
называют Peso. Витт и его сотрудники изучали изменения
поглощения хлорофилла и скорости выделения О2 под
действием вспышек света, используя обычные хлоро-
пласты, обработанные ДХММ. Они обнаружили связь
между скоростью выделения кислорода и светоиндуци-
рованными изменениями поглощения некоего компонен-
та хлоропластов с максимумом поглощения около
682 нм. Последующие работы показали, что Peso также
представляет собой особый вид хлорофилла а. Первич-
ный акцептор электронов в фотосистеме II обозначаютQ
(от англ, quencher of the chlorophyll fluorescence —туши-
тель флуоресценции хлорофилла). По всей вероятности,
4. Поглощение и излучение света атомами и молекулами 65
он представляет собой комплекс феофитина и хинонов.
От акцептора Q электроны передаются пулу пластохино-
на, который работает как резервуар, накапливающий
электроны между двумя фотоцистемами (см. гл. 5).
4.5. Выделение кислорода при фотосинтезе
Реакция фоторазложения воды происходит на внутрен-
ней стороне мембраны тилакоида и относится к окисли-
тельным реакциям фотосистемы II (рис. 5.2). Возбуж-
денный светом Peso отдает электроны, превращаясь в
сильный окислитель Рбво+. Он вызывает окисление пер-
вичного донора, отдающего электроны фотосистеме II
(обычно его называют Z), и запускает цикл превраще-
ний системы S, расщепляющей воду. Система S пред-
ставляет собой, по-видимому, Mn-белковый комплекс,
способный накапливать четыре положительных заряда.
В этой сицтеме осуществляются циклические переходы
между пятью состояниями So, Si, S2, S3, S«, каждое из
которых отличается от предыдущего потерей еще одного
электрона. Таким образом, при поглощении света проис-
ходит перенос электрона от реакционного центра на
акцептор Q, а затем другой электрон переносится от си-
стемы S на реакционный центр. Система S, отдавшая
четыре электрона, споцобна вступить в реакцию с водой,
что сопровождается высвобождением кислорода и воз-
вращением системы S в свое наиболее восстановленное
состояние So-Несмотря на то что разными авторами пред-
ложены многочисленные модели фоторазложения воды и
описано выделение белков, содержащих марганец и,
по-видимому, входящих в состав каталитического цент-
ра, детальный механизм разложения воды до сих пор
еще не установлен.
4.6. Опыты по разделению двух фотосистем
В последние годы делаются многочисленные попытки
осуществить раздельное выделение из хлоропластов фо-
тосистем I и II. Хлоропласты можно фрагментировать
воздействием детергентов — дигитонина, додецилсульфа-
та натрия, тритона Х-100, обработкой ультразвуком или
путем продавливания под высоким давлением (около
800 атм) через маленькие отверстия в прессе Френча.
Полученные фрагменты хлоропластов затем разделяют,
66 4. Поглощение и излучение света атомами и молекулами
используя методы хроматографии, дифференциального
центрифугирования, центрифугирования в градиенте
плотности и т. п. Одни из получаемых в результате
фракции характеризуются высоким соотношением хлоро-
филла а к хлорофиллу b и большим содержанием Р7Оо,
что указывает на обогащение этих препаратов компо-
нентами фотосистемы I. Частицы, обогащенные компо-
нентами одной из фотосистем I и II, были выделены
также из сине-зеленых водорослей. Однако полностью
разделить активные пигментные системы еще не удается.
Особенно трудно получить препараты фотосистемы II,
не содержащие фотосистему I. В последнее время благо-
даря использованию генетических методов были получе-
ны мутанты растений и водорослей, не содержащие
одной из фотосистем. Наличие таких мутантов, возмож-
но, облегчит выделение более чистых препаратов фото-
систем.
При обработке мембран тилакоидов детергентами
можно перевести в раствор те белки, которые обычно
тесно связаны с мембранами. Растворенные таким обра-
зом компоненты можно разделить по их молекулярным
массам, используя, например, электрофорез в полиакрил-
амидном геле. Полосы, соответствующие отдельным
белковым компонентам, проявятся после обработки геля
специальными красителями. Наряду с этим можно полу-
чать мутантов растений и водорослей, не имеющих специ-
фических белков или пигментов хлоропластов и вместе
с тем утративших какие-либо характерные функции или
фотосинтетическую активность в целом. Сравнивая на-
бор компонентов, обнаруживаемых в геле после электро-
фореза белков из мутантов и из организмов дикого типа,
можно установить зависимость между определенной
функцией и тем или иным компонентом, например бел-
ком или пигмент-белковым комплексом. Таким образом
были разделены и предварительно охарактеризованы:
связанный с реакционным центром фотосистемы I комп-
лекс Р7оо—хлорофилл а—белок; связанный с реакцион-
ным центром фотосистемы II комплекс светособирающий
хлорофилл alb — белок; железо-серные белки, связан-
ные с мембраной; цитохром f; АТРаза, или сопрягающий
фактор, и другие компоненты мембран тилакоидов
(см. рис. 8. 1).
5. Транспорт электронов
и фосфорилирование при фотосинтезе
В гл. 2 мы рассмотрели фотосинтез как процесс, вклю-
чающий в себя световые и темновые фазы фиксации
СО2. Экспериментальное доказательство двухстадийнос-
ти фотосинтеза и его признание явились важным шагом
на пути формирования современных представлений о
механизме фиксации СО2. Для того чтобы сделать этот
шаг, нужны были хлоропласты, Способные осуществлять
процесс фотосинтеза полностью, т. е. восстанавливать
СОг до уровня углеродов. Такие хлоропласты впервые
получили Арнон, Аллен и Уотли (Amon, Allen, Whatley),
выделившие их в 1954 г. из листьев шпината (методика
выделения хлоропластов описана в гл. 3). Им удалось
пространственно разделить световую и темновую стадии
фотосинтеза и показать, что АТР и NADPH образуются
на свету и затем используются в качестве источника
энергии для темновой фиксации СО2. Упрощенно это
можно изобразить в виде простой схемы, показанной на
рис. 5.1.
Световая стадия фотосинтеза, т. е. процессы, которые
происходят непосредственно вслед за первичными свето-
выми реакциями (см. гл. 4), включает в себя биохимиче-
ские реакции с характерными временами от 10-5 до
КНс. Разумеется, первичные световые реакции имеют
гораздо более короткие времена, до Ю^с1. В результате
Рис. 5.1. Основные продукты световых и темповых реакций фото-
синтеза.
1 Процессы разделения зарядов и переноса электрона в реакци-
онных центрах происходят еще быстрее — за 10 Л2—10~10 с. — Прим,
перев.
68
5. Транспорт электронов и фосфорилирование
биохимических реакций световой фазы фотосинтеза,
во-первых, образуется сильный восстановитель NADPH,
во-вторых, при разложении воды выделяется в виде по-
бочного продукта кислород, в-третьих, образуется
АТР — процесс, сопряженный с переносом электронов от
воды к NADPH. В настоящей главе мы рассмотрим
данные о том, как протекают такие реакции, проследим,
на основе каких фактов сложились сегодняшние пред-
ставления, познакомимся с природой соединений, осу-
ществляющих перенос электронов по электрон-транс-
портной цепи.
5.1. Окисление и восстановление переносчиков
электрона
Образование NADPH, АТР и О2 в ламеллах хлороплас-
тов происходит при переносе электронов по цепи пере-
носчиков. Для осуществления переноса электронов
необходимо, чтобы каждый переносчик поочередно восста-
навливался и окислялся, обеспечивая тем самым пере-
нос энергии электронов по цепи. Восстановление означа-
ет присоединение электрона к молекуле данного соеди-
нения, окисление — потерю электрона из молекулы. При
переносе электрона от одной молекулы к другой первая
из них окисляется, а вторая — восстанавливается. Почти
любой акт переноса электрона сопровождается высво-
бождением или поглощением энергии. Не имеет значе-
ния, что считать источником энергии — притяжение
электрона «окислительной силой» или его отталкивание
«восстановительной силой».
Зачастую, хотя и не всегда, перенос электрона сопро-
вождается переносом протона, представляющего собой
часть атома водорода. В таком случае под восстановле-
нием подразумевают присоединение атома водорода,
под окислением — удаление водорода. Так, присоединяя
атомы водорода, NADP+ восстанавливается до NADPH,
а СО2— до углеводов.
Окислительно-восстановительные потенциалы (или
редокс-потенциалы) биологических переносчиков элект-
рона выражают в вольтах, проводя определение при
физиологических значениях pH. На шкале окислительно-
восстановительных потенциалов пара сильного окислите-
5. Транспорт электронов и фосфорилирование
69
ля НгО—>-02 имеет положительный электродный потен-
циал + 0,82 В, тогда как пара сильного восстановителя
Н+—>Н2 (газ) имеет отрицательный потенциал —0,42 В.
Окислительно-восстановительные потенциалы большин-
ства биологических реакций переноса электронов лежат
между этими крайними значениями (см. табл. 5.1). Да-
лее мы увидим, что и перенос электронов при фотосинте-
зе происходит в диапазоне потенциалов от +0,8 до
—0,4 В, причем достижение этих крайних значений осу-
ществляется за счет световой энергии.
Таблица 5.1. Электродные потенциалы (Em) некоторых реакций и
компонентов хлоропласта
Реакция или компонент хлоропласта £т, <В)
Р680 В ФС 11 +0,9 (или выше)
Н2О/О2 4-0,82
Р700 в ФС I +0,38
Цитохром / +0,37
Пластоцианин +0,37
Fe-S-центр Риске +0,29
Пластохинон 0,0
Цитохром Ь6 —0,07
NADPH —0,34
Н+/Н2 —0,42
Ферредоксин —0,43
СО2/СН2О —0,43
Fe-S-центр А в ФС I —0,55
Fe-S-центр В в ФС I —0,59
X — первичный акцептор электронов
в ФС I —0,7 (или ниже)
5.2. Два типа фотосинтетического
фосфорилирования
Фотосинтетическое фосфорилирование, т. е. образование
АТР в хлоропластах в ходе реакций, активируемых све-
том, может осуществляться в двух системах — цикличе-
ской и нециклической. При нециклическом фотофосфори-
лировании синтез АТР связан с «открытым» транспор-

-0,8
Рис. 5.2. А. Схема электронов в хлоропластах. Сплошной линией
показан нециклический транспорт электронов от воды к NADPH;
пунктиром — циклический транспорт электронов, обеспечиваемый
фотосистемой I. Обозначения: Z —первичный донор электронов для
ФС II; Q — первичный акцептор электронов в ФС II; PQ — плас-
тохинон; Fe-Sji — белок Риске; СС — светособирающий; X — первич-
ный акцептор электронов в ФС I; Ре-5д и Fe-Se-—железо-серные
центры; Фд-Р — ферредоксин — NADP-редуктаза. Б. Предполагае-
мая взаимная ориентация компонентов цепи переноса электронов
в мембране тилакоида. Фд — ферредоксин (Bolton, Hall, 1979).
5. Транспорт электронов и фосфорилирование
71
том электрона и сопровождается выделением Ог из Н2О
и образованием NADPH из NADP+ При циклическом
фосфорилировании электроны переносятся циклически
через пункты фосфорилирования по «замкнутому» участ-
ку электрон-транспортной цепи, и в качестве единствен-
ного продукта образуется АТР. Обе системы показаны
на рис. 5.2, А.
5.3. Нециклический транспорт электронов
Нециклический транспорт электронов — это осуществ-
ляемое за счет энергии света удаление электронов с низ-
кой энергией из молекулы воды (при этом в качестве
побочного продукта выделяется кислород; см. описание
реакции Хилла в гл. 2) и транспорт этих электронов по
цепи переносчиков со все более низким потенциалом,
завершающийся образованием сильного восстановителя
NADPH с потенциалом —0,34 В. Процесс этот можно
описать в виде простого уравнения:
Свет 1
NADP+ + Н2О----------->- NADPH + — О2 + Н+.
Хлоропласты 2
Из переносчиков электронов идентифицированы хлоро-
филл а, хиноны, цитохромы b и f, Fe-S-белки, пласто-
цианин, ферредоксин, различные редуктазы.
Образование АТР происходит в результате реакций
фосфорилирования, обязательно сопряженных с перено-
сом электронов от хининов к цитохрому f. Иными слова-
ми, NADPH и АТР образуются в ходе нециклического
фосфорилирования, при котором перенос электронов от
молекулы воды на NADP+ сопряжен с синтезом АТР.
Суммарную реакцию можно записать так:
NADP+ + Н,О 4- 2ADP + 2Р, -- С-Ве-(2- )— NADPH + Н+ +
Хлоропласты
+ 2АТР + -у О2.
Как явствует из этого уравнения, в мембране хлороплас-
та молекула Н2О под действием света расщепляется с
выделением атома кислорода (’/г молекулы О2), а вы-
свобождающиеся при этом два электрона переносятся на
NADP+ вместе с двумя протонами (Н+) от молекулы во-
72
5. Транспорт электронов и фосфорилирование
ды, что приводит к образованию сильного восстановите-
ля NADPH. Одновременно из двух молекул ADP и двух
остатков неорганического фосфата (2 Pi) синтезируются
две молекулы АТР, и проичходит запасание энергии в
виде АТР.
Молекулы NADPH и АТР используются в качестве
«ассимиляционной силы», необходимой до восстановле-
ния СО2 до углеводов в темновых реакциях, которым по-
священа следующая глава. Итак, на первой стадии пре-
вращений световой энергии в химическую запасается
«адсимиляционная сила».
Процесс переноса электронов при нециклическом
фосфорилировании схематически показан на рис. 5.2, А.
В основе этой схемы лежит остроумная гипотеза Хилла
и Бендалла (Bendall), выдвинутая ими в 1960г. На шка-
ле слева отложены потенциалы всех переносчиков —
компонентов электрон-транспортной цепи; при этом под-
разумевается, что последовательность переноса электро-
на во многом зависит от потенциала переносчиков. При-
веденная схема довольно точно отражает путь переноса
электронов. О ее справедливости с высокой степенью
вероятности свидетельствуют и все имеющиеся в настоя-
щее время данные. Современные представления о рас-
положении переносчиков электронов в мембране проил-
люстрированы на рис. 5.2, Б.
Взглянув на схему, нетрудно увидеть, что для подня-
тия электрона от уровня окислительно-восстановительно-
го потенциала, соответствующего окислению воды
( + 0,82 В), до уровня NADPH (—0,34 В) используются
две разные световые реакции, обозначенные на рис.
5.2, Б как фотосистема I (ФС I) и фотосистема II
(ФС II). Различаются эти системы по типу хлорофилла,
поглощающего большую часть световой энергии. Фото-
система I ис|пользует энергию света, поглощенного хло-
рофиллом а, голубовато-зеленым пигментом с максиму-
мом поглощения в растворе при 660 нм. Фотосистема II
получает энергию как от хлорофилла а, так и от хлоро-
филла Ь, родственного ему пигмента, имеющего желто-
вато-зеленый цвет и максимум поглощения при 643 нм
(см. гл. 3). Хлорофилл а содержится во всех высших
растениях и водорослях, тогда как хлорофилл Ь, пигмент
вспомогательный, обнаруживается только у высших рас-
5. Транспорт электронов и фосфорилирование
73
тений и зеленых водорослей. Сине-зеленые водоросли в
качестве вспомогательных пигментов в фотосистеме II
могут содержать фикоцианин и аллофикоцианин, а крас-
ные водоросли — фикоэритрин.
Первые данные о возможном участии двух световых
реакций в процессе фотосинтеза были получены в рабо-
тах Эмерсона (Emerson) и сотрудников, проведенных в
Рис. 5.3. Окисление и восстановление цитохрома f у красной водо-
доросли Porphyridium. ДА — изменения оптической плотности при
420 нм, обусловленные изменением окислительно-восстановительного
состояния цитохрома f. Увеличение оптической плотности происхо-
дит при окислении цитохрома f, уменьшение — при восстановлении
цитохрома f. Свет с длиной волны 680 нм поглощается фотосисте-
мой I (хлорофиллом а), свет с длиной волны 562 нм поглощается
фотосистемой II (фикоэритрином). (Duysens, Amerz, Biochim. Bio-
phis. Acta, 64, 243, 1962.)
1943 и последующие годы (см. также гл. 4). Они показа-
ли, что для восстановления СО2 до углеродов требуется
освещение лучами двух длин волн в тех случаях, когда
один из лучей поглощается только хлорофиллом а, т. е.
имеет длину волны, например, больше чем 680 нм. Ока-
залось, что для эффективного фотосинтеза нужно, чтобы
длина волны второго луча соответствовала поглощению
хлорофилла b у высших растений и зеленых водорослей
и поглощению других вспомогательных пигментов у си-
не-зеленых, красных и бурых водорослей.
Дальнейшие свидетельства в пользу того, что для не-
циклического переноса электронов от Н2О к NADP+ ну-
жен свет двух разных длин волн, были получены в опы-
тах, посвященных определению изменения окислительно-
74
5. Транспорт электронов и фосфорилирование
восстановительного состояния цитохромов в хлороплас-
тах водорослей. Как видно из схемы, показанной на
рис. 5.2, цитохром f служит промежуточным переносчи-
ком электронов между фотосистемой I и фотосистемой II.
Применяя высокочувствительные методы спектрофото-
метрии (см. гл. 4), можно определить окислительно-вос-
становительное состояние цитохрома f. Определение
количественных изменений поглощения проводят в ха-
рактерных полосах поглощения цитохрома f с максиму-
мами при 422 и 550 нм; длины волн действующего света
подбирают так, чтобы они соответствовали поглощению
разных фотосистем. Результаты измерений приведены
на рис. 5.3. В темноте цитохром f в хлоропластах обычно
находится в восстановленном состоянии. Если осве-
щать водоросли светом с длиной волны 680 нм, который
поглощается преимущественно фотосистемой I (т. е. хло-
рофиллом а), то у красной водоросли (Porphyridium)
электроны переходят от цитохрома f на ферредоксин и
далее на NADP+ — цитохром f в результате окисляется.
Если затем включить второй источник света с длиной
волны 562 нм (этот свет преимущественно поглощается
фотосистемой II, т. е. фикоэритрином в случае красной
водоросли (Porphyridium), использованной в описывае-
мом опыте; частично свет поглощается и фотосисте-
мой I), то цитохром f восстанавливается, получая элект-
роны от фотосистемы II. Отметим, однако, что полного
восстановления при этом не достигается, поскольку, как
уже упоминалось, при 562 нм фотосистема I также в не-
которой степени возбуждается и поэтому отнимает
электроны от цитохрома f, снова окисляя его. В темноте
цитохром f возвращается в свое исходное, восстановлен-
ное состояние, которое наблюдалось и в начале опыта.
Эксперименты такого рода были начаты Дюйзенсом
(Duysens) в 1961 г.
Аналогичные измерения были проведены сравнитель-
но недавно с целью изучения процессов окисления и вос-
становления цитохрома b в хлоропластах. Такие опыты
имеют очень важное значение, поскольку позволяют
установить последовательность переносчиков электронов
в электрон-транспортной цепи. Проведение таких опытов
сопряжено с большими техническими трудностями,
обусловленными необходимостью создать такие условия,
5. Транспорт электронов и фосфорилирование
75
в которых можно регистрировать изменения состояния
лишь одного переносчика. Однако важность результатов
оправдывает усилия исследователей.
Из хлоропластов уже выделено много различных
компонентов (см. гл. 3). Однако на приведенной схеме
(рис. 5.2) показаны лишь те из них, роль которых в це-
пи переноса электронов определена на сегодняшний
день достаточно точно. Эти переносчики были выделены
и охарактеризованы химически. В настоящее время уже
довольно хорошо изучены, например, ферредоксин и
пластоцианин и в меньшей степени — цитохромы Ь6 и f.
Приводились многочисленные опыты по избирательному
удалению из хлоропластов того или иного переносчика
электронов. Для этого хлоропласты отмывали водой или
разбавленными растворами детергентов. Использовали
также экстрагирование органическими растворителями,
действие ультразвука малой интенсивности и т. д. В ре-
зультате такой обработки можно наблюдать подавление
той или иной реакции переноса электронов, а последую-
щее добавление очищенного экстрагированного компо-
нента приводит к восстановлению процесса электронно-
го транспорта в мембранах хлоропластов. Опыты такого
рода были успешно проведены с пластохиноном, пласто-
цианином, ферредоксином, а также с ферментом (фла-
вопротеидом), переносящим электроны от ферредоксина
к NADP+. Результаты этих опытов дают дополнительные
сведения о взаимном расположении переносчиков
электрона.
Измерения электронного парамагнитного резонанса
при низких температурах (от 4 до 78 К), проведенные в
последнее десятилетие, позволили выяснить роль многих
парамагнитных центров в хлоропластах как компонентов
электрон-транспортной цепи. Использование такого под-
хода вместе с измерениями окислительно-восстанови-
тельного потенциала в анаэробных условиях позволило
установить расположение в электрон-транспортной цепи
хлоропластов таких переносчиков электронов, как желе-
зо-серный центр Риске (Rieske), обозначаемый Fe-SR,
железо-серные центры Fe-Зд и Fe-Ss, а также центр X,
точная природа которого пока еще не установлена, хотя
есть основания думать, что он представляет собой Fe-
содержащий хинон. Ни один из этих переносчиков еще
76
5. Транспорт электронов и фосфорилирование
не удалось пока выделить из мембран в чистом виде.
Точная последовательность переносчиков на участке от
X до ферредоксина пока еще не известна. Возможно, что
между Р?оо и X имеется еще один переносчик электро-
нов.
В изящных опытах, проведенных Левином (Levine),
Бишопом (Bishop) и другими исследователями с исполь-
зованием мутантов зеленой водоросли Chlam.ydom.onas,
также были получены данные, свидетельствующие о по-
следовательности переносчиков электронов, показанной
на рис. 5.2. Были получены мутанты этой водоросли, де-
фектные по разным участкам электрон-транспортной
цепи, например мутанты с подавленным переносом элект-
рона между пластохиноном и цитохромом b или между
пластоцианином и цитохромом f. Точное знание участка,
в котором блокирован перенос электронов, дает возмож-
ность добавлять электроны в электрон-транспортную
цепь или удалять их из нее в разных участках. Этого
сравнительно легко добиться, пользуясь различными
красителями; такой подход успешно применяется в упо-
мянутых выше спектрофотометрических исследованиях.
Перечисленные генетические и биохимические экспери-
менты по идее своей подобны тем опытам, которые про-
водились на плесневом грибе Neurospora и на бактерии
Escherichia coli. Результаты проведенных опытов под-
твердили последовательность расположения переносчи-
ков электронов в нециклической цепи. Кроме того, они
имеют большое значение для анализа данных по фото-
фосфорилированию и фиксации СОг, к которому мы пе-
рейдем ниже.
Использование химических ингибиторов, избиратель-
но подавляющих биохимические реакции, — это класси-
ческий и плодотворный подход к изучению биохимиче-
ских механизмов. Ингибиторы успешно применялись и
при исследовании нециклического фотофосфорилирова-
ния. Были найдены различные ингибиторы, блокирую-
щие отдельные участки этой цепи; например ДХМ.М
[3- (3,4-дихлорфенил) -1, 1 -диметилмочевина]1 — гербицид,
блокирующий выделение кислорода; антимицин А — ан-
1 Используется также сокращенное название диурон. — Прим,
перев.
5. Транспорт электронов и фосфорилирование
77
тибиотик, подавляющий восстановление цитохрома f;
ДСПД (дисалицилидинпропандиамин), блокирующий
перенос электронов, катализируемый ферредоксином.
Наконец, следует рассмотреть образование АТР, со-
пряженное с нециклическим переносом электронов.
В 1958 г. Арнон, Уотли и Аллен показали, что синтез
АТР должен обязательно быть сопряжен с восстановле-
нием NADP+, и обнаружили, что скорость переноса
электронов на NADP+ зависит от присутствия ADP и
Pi (необходимых компонентов для синтеза АТР). В свя-
зи с фиксацией СОг в темновых реакциях важное зна-
чение приобретает вопрос о том, сколько молекул АТР
синтезируется в расчете на 1 молекулу образовавшегося
NADPH. Дело в том, что для восстановления 1 молекулы
СО2 до уровня углеводов в темновых реакциях нужны
2 молекулы NADPH и 3 молекулы АТР. Получается, что
число молекул АТР, приходящихся на 1 молекулу
NADPH, должно лежать в интервале между 1 и 2. Со-
гласно современным представлениям, механизм сопря-
жения электронного транспорта с образованием АТР
должен использовать состояния с выфкой энергией и
так называемые «сопрягающие факторы», т. е. особые
белки, связанные с мембраной хлоропласта.
Митчелл (Mitchell) выдвинул «хемиосмотическую»
гипотезу для объяснения синтеза АТР на мембранах.
Согласно Митчеллу, образование АТР происходит в ре-
зультате рекомбинации положительных и отрицательных
зарядов, которые накапливаются по разные стороны
мембраны гран при переносе электронов по электрон-
транспортной цепи. Для этого нужно, чтобы мембраны
имели определенную ориентацию, т. е. были бы способ-
ны разделять заряды (рис. 5.2, Б). Гипотеза Митчелла
привлекательна своей общностью, поскольку она пред-
ложена для описания любых биологических мембран, а
мембраны хлоропластов действительно подобны другим
мембранам, участвующим в синтезе и гидролизе АТР,
например мембранам митохондрий (см. Tribe, Whittaker,
1981).
При выделении хлоропластов из целых листьев очень
легко нарушить те условия, которые необходимы для
синтеза АТР. Поэтому в опытах по фотофосфорилирова-
нию требуется большая осторожность, чем в тех экспе-
78
5. Транспорт электронов и фосфорилирование
риментах, в которых измеряют только электронный тран-
спорт. На рис. 5.4 показана последовательность дейст-
вий, необходимых для получения хлоропластов и для
измерения выделившегося кислорода и синтезированных
при нециклическом фотофосфорилировании АТР и
NADPH (см. также гл. 3).
5.4. Циклический транспорт электронов
и фосфорилирование
В результате данного процесса, происходящего в хлоро-
пластах под действием света, образуется один-единствен-
ный продукт — АТР. Циклическое фотофосфорилирова-
ние было открыто в 1954 г. Арноном, Алленом и Уотли
на изолированных хлоропластах шпината и Френкелем
(Frenkel) на хррматофорах, выделенных из фотосинте-
Охлажденная среда
для измельчения
листьев
Гомогенизатор
Мотор
Охлажденные листья
шпината, из которых
удалены жилки
Центрифужные пробирки
с профильтрованным
гомогенатом
Охлажденный
ротор цетри-
фуги
В
Мотор центрифуги
Пипетка
Охлажденная
среда для ре-
суспендироваиия
Объединен-
ная суспен-
зия хлоро-
пластов
Ресуспенди-
рованные
хлоропласты
Надосадочная
жидкость (от-
брасывается)
Хлоропласты
(осадок)
Стеклянная
палочка
5. Транспорт электронов и фосфорилирование
79
зирующих бактерий. Проще всего описать этот процесс
уравнением
Свет
ADP + Pi------------> АТР.
Хлоропласты
Шприц для отбора образцов
_____из реакционной смеси для
"" анализа NADPH и АТР
Свет
Блок
Хлоропласты в
реакционной
смеси
Самописец
-Момент вклю-
чения света
Выделение Ог
регистрируется
на диаграммной
ленте
00
Д Кислородный электрод (см.также рис.2.2)
Кювета с образцом
хлоропластов,
Монохроматор
Монохромати-
ческий свет_
с длиной вол-
ны 340 нм
взятым из кисло - Фотояриемник
родногоэлектрода^(ф0ТоумН0ЖИтель^
1 Гпг --- Гальванометр,
1 регистрирующий
----поглощение
г-, ' света 340 нм
Прерыватель, разделяю-
щий свет на два пучка
Усилитель
Контрольная
кювета
Схема спектрофотометра для измерения количества NADPH по поглощению
Е
при 340 нм
Прозрачная
Внесение
надосадочная
жидкость,
содержащая АТР
Добавление
„магиезиевой"
смеси для
осаждения
ния для осажде-
ния белков
Охлажденная
трихлоруксус-
иая кислота (1%).
Оценка
образования АТР
Ж
Зеленый осадок
Определение
количества АТР
по методу 32Р или
по методу Pj
Комплекс Pj
остается
иа бумажном
фильтре
Прозрачный
фильтрат,
содержащий
АТР
Рис. 5.4. Схема опыта, демонстрирующего фотосинтетическое выде-
ление О2, восстановление NADPH и образование АТР выделенны-
ми хлоропластами шпината.
80
5. Транспорт электронов и фосфорилирование
Для синтеза АТР в этом случае нужен только цикли-
ческий транспорт электронов, запускаемый фотосисте-
мой I. Из схемы, приведенной на рис. 5.2, А, видно, как
это может происходить. Под действием света пигмент
Руоо переходит в возбужденное состояние и отдает свой
электрон. Этот электрон попадает сначала на железо-
серные центры, а затем на ферредоксин, который при
этом восстанавливается. Однако в отличие от того, что
происходит при нециклическом переносе электронов, в
данном случае восстановленный ферредоксин не перено-
сит свой электрон на NADP+, а отдает его цитохрому Ь,
откуда он по цепи переносчиков вновь возвращается на
Р700. Таким образом, электрон проделывает цикличес-
кий путь, единственным измеримым продуктом которого
является АТР. Образование АТР обеспечивается меха-
низмом сопряжения, подобным, возможно, тому меха-
низму, который действует при нециклическом фотофос-
форилировании, хотя переносчики электронов! в двух
этих случаях могут быть неидентичными. Число молекул
АТР, образующихся при переносе одного электрона, до
сих пор не определено. Причина в том, что из двух не-
обходимых величин относительно легко измерять толь-
ко количество АТР, синтезированного за какой-то про-
межуток времени, тогда как оценить число электронов,
перенесенных по циклической цепи за тот же проме-
жуток времени, не так просто.
Итак, мы видим, что ферредоксин может играть клю-
чевую роль в процессе фотосинтеза. Он может отдавать
электроны в нециклическую цепь на NADP+, что приво-
дит к образованию сильного восстановителя NADPH,
необходимого для восстановления СО2. Ферредоксин
может также отдавать электроны в циклическую цепь
переносчиков, в результате чего получается только АТР.
Синтезированный АТР может использоваться либо для
фиксации СО2, либо в других процессах, в которых он
играет роль единственного источника энергии, например
в синтезе белка и в превращении глюкозы в крахмал —
оба этих процесса протекают в хлоропластах. Очень ин-
тересны и физиологический механизм, управляющий ра-
ботой ферредоксина, и свойства самого этого белка,
имеющего очень низкий окислительно-восстановительный
потенциал, — 0,43 В, примерно равный потенциалу газо-
5. Транспорт электронов и фосфорилирование
81
образного водорода. Неудивительно поэтому появление
множества работ по изучению физико-химических
свойств ферредоксина. Модель его активного центра по-
казана на рис. 5.5.
В хлоропластах ферредоксин, возможно, служит фи-
зиологическим переносчиком (или кофактором), участ-
вующим в циклическом фосфорилировании. Однако в
ЦисУекн
Цистеин
цепь
I Белковая
1(97 аминокислот-
| ных остатков)
Цис’теии е_ Цис1,
еин-^
Цистенн-&Р
го?
Цистеин
(S4-Цистеин
erf ।
Г$ цистеин
Окисленный ферредоксин
Присоединениеi
одного
электрона
—------------ Восстановленный ферредоксин
Рис. 5.5. Модель активного центра ферредоксина растений. Показа-
ны окисленная и восстановленная формы белка. (Rao, Сашгпаск,
Hall, Johnson Biochem. J., 122, 257, 1971.)
экспериментах его можно заменить витамином Кз, фла-
виномононуклеотидом (ФМН) или одним из многих кра-
сителей. Возможно, что при такой замене последователь-
ность переносчиков изменится, но единственным про-
дуктом процесса будет опять-таки АТР.
При некоторых условиях восстановленный ферредок-
син в хлоропластах может окисляться не NADP+, а ки-
слородом. Такой нециклический транспорт электронов
от молекулы воды на Ог называют псевдоциклическим
транспортом. Псевдоциклический транспорт электронов
приводит к поглощению кислорода и образованию пере-
киси водорода Н2О2 [реакция Мелера (Mehler)], которая
является токсичным продуктом и, следовательно, должна
удаляться из хлоропласта. Образование АТР, сопровож-
дающее псевдоциклический перенос электрона, назы-
вают псевдоциклическим фотофосфорилированием. В на-
стоящее время исследуется, какую роль в регулировании
фиксации СО2 и в защите хлоропластов от повреждения
слишком интенсивным светом могут играть катализируе-
82
5. Транспорт электронов и фосфорилирование
мне кислородом процессы псевдоциклического транспор-
та электронов и псевдоциклического фотофосфорилиро-
вания.
5.5. Связь структуры и функции
Установлено, что фиксация СОг до уровня углеводов при
фотосинтезе протекает в два этапа, причем световые
реакции происходят в ламеллах, или тилакоидах гран
хлоропластов, а темновые реакции — в строме хлоропла-
стов. Арион и его сотрудники доказали это в 1958 г.,
когда им удалось пространственно разделить световые и
темновые реакции (табл. 5.2). Поставленный ими опыт
Таблица 5.2. Фиксация СО2 в темноте и на свету различными ком-
понентами хлооопласта — стромой (желтоватый матрикс) и гранами
(зелеными мембранами, содержащими хлорофилл). [Trebst, Tsujimo-
to, Агпоп, Nature, 182, 351, (1958).Р
Фиксация 14СО2> число отсчетов за минуту
Строма (в темноте) Строма (в темноте) + граны (на свету) Строма (в темноте) + АТР Строма (в темноте) + NADPH + АТР ’Обратите внимание на одинаковые эффекты п и при добавлении NADPH 4- АТР, т. е. на Одннакс этих компонентов. 4 000 96 000 43 000 97 000 рн добавлении гран (на свету) эвую «ассимиляционную силу»
состоял в следующем. Хлоропласты освещали в отсутст-
вие СО2, давая образовываться большому количеству
NADPH и АТР с сопутствующим выделением кислоро-
да в ходе нециклического транспорта электронов. За-
тем хлоропласты разрушали, строму отделяли от гран
и граны отбрасывали. После этого в темноте добавляли
радиоактивную СО2. Ферменты стромы начинали асси-
милировать углекислоту и синтезировать те же самые
углеводы, которые образуются в целых хлоропластах и
интактных листьях.
Эти опыты наглядно показали, что все переносчики
электронов и ферменты, необходимые для образования
5. Транспорт электронов и фосфорилирование 83
NADPH и АТР при циклическом и нециклическом пере-
носе электронов на свету, связаны с мембранными струк-
турами (тилакоидами), тогда как ферменты, непосред-
ственно участвующие в фиксации СОг, находятся в
желтоватой аморфной строме хлоропластов. Задача,
стоящая перед биохимиками и специалистами по элект-
ронной микроскопии, в том, чтобы более точно локали-
зовать переносчики электронов в мембранах (см.
рис. 5.2, Б и рис. 8.1).
6. Фиксация двуокиси углерода
В предыдущей главе мы выяснили, что NADPH и АТР
являются продуктами световых реакций фотосинтеза.
Далее происходят темновые процессы фиксации СО2, в
которых используется «ассимиляционная сила» молекул
NADPH и АТР. В этой главе мы рассмотрим некоторые
подробности реакций, связанных с восстановлением СО2
до уровня углеводов. Кальвин и его сотрудники, рабо-
тавшие над решением этих вопросов с 1946 г., предло-
жили настолько удачную методику эксперимента и столь
точно установили механизмы реакций, что анализ их
данных приобрел очень важное значение для современ-
ной биологии в целом. За работу по выяснению пути
углерода при фотосинтезе Кальвин получил в 1961 г.
Нобелевскую премию по химии.
6.1. Техника эксперимента
Опыты по изучению пути фиксации СОг при фотосинте-
зе удалось провести благодаря использованию долгожи-
вущего изотопа углерода 14С, появившегося в лаборато-
риях с 1945 г., и применению двумерной хроматографии
на бумаге, разработанной несколькими годами ранее.
Фиксацию СОг изучали у одноклеточных зеленых водо-
рослей Chlorella и Scenedesmus. Выбор объекта объясня-
ется тем, что, с одной стороны, эти организмы по своим
биохимическим свойствам очень похожи на высшие зеле-
ные растения и с другой — их можно выращивать в оди-
наковых, стандартных условиях, а при проведении опы-
тов с кратковременной фиксацией углекислоты клетки
можно очень быстро убивать.
В итоге работ Кальвина был постулирован детальный
цикл реакций превращения углекислоты. Необходимые
данные были получены в результате опытов трех типов.
а) Фотосинтезирующие водоросли помещали в сре-
ду, содержащую 14СОг, на разные промежутки времени
6. Фиксация двуокиси углерода
85
и прослеживали включение радиоактивности в различ-
ные соединения. При очень кратковременной инкубации
радиоактивность должна была обнаруживаться только
в первичных продуктах обмена. В результате было уста-
новлено, что фосфоглицериновая кислота (ФГК) явля-
ется первичным продуктом карбоксилирования. В конеч-
ные продукты фиксации, например в сахарозу, радиоак-
тивность включалась гораздо медленнее.
б) Определяли положение радиоактивного изотопа
(14С) в молекулах меченых соединений. Таким путем
удалось выяснить подробности взаимопревращения са-
харофосфатов при регенерации специфического сахаро-
фосфата, акцептирующего молекулу 14СО2, что помогло
выявить механизмы синтеза сахаров и других соеди-
нений.
в) Для того чтобы проверить, действительно ли про-
межуточные продукты реакций ведут себя соответствен-
но предсказанию, исследователи изменяли внешние ус-
ловия— включали и выключали свет, в широких преде-
лах изменяли концентрацию СО2 и т. п.
Техника эксперимента проиллюстрирована на
рис. 6.1, 6.2 и 6.3. На рис. 6.1 приведено схематическое
изображение аппарата для получения экстрактов из во-
Воронка.через которую
Рис. 6.1. Схема аппарата
зирующими водорослями,
для изучения фиксации ,4СС>2 фотосннте-
предложенная Кальвином и Бассэмом
в 1962 г.
Концентрированный
экстракт наносится
на хроматографиче-
скую бумагу
Концентрирование
испарением
Клетки водорослей,
несущие метку 14С02
и затем убитые ме-
танолом

Хроматографическая
бумага
Обработка
растворите-
лем (фенол:
Нг0 в соотно-
шении 72:28)
Высушивание
и поворот
на 90°
Обработка
растворите-
лем(водный
бутанол:про-
пионовая кислота
в соотношении!:!)
Б
Пленку в контакте
с хроматограммой
хранят в темноте
око'ло двух недель
Фотопленку,чувствитель-
ную к рентгеновским лу-
чам, накладывают на хро-
матограмму, чтобы заре-
гистрировать пятна,содер-
жащие ,4С
Радиохроматограмма
Соединения,
содержащие
видны как тем-
ные пятна
Счетчик радио-
активности
прикладывает-
ся к пятну на
хроматографи-
ческой бумаге
В
'Р

Рис. 6.2. Обнаружение продуктов фиксации НСО2 водорослями при
кратковременном освещении. Используются хроматография на бу-
маге и радиоавтография.
После 5с фотосинтеза
После 15 с фотосинтеза
Исходное положе- х ние экстракта <РГК c'S’ .Дифосфаты
Гр к г. п п -
монофосфаты СРФгк С? Триозофосфат _ Яблочная с-5 кислота
Рис. 6.3. Радиоавтограммы продуктов фотосинтеза водорослей, фик-
сировавших ИСО2 в течение коротких промежутков времени.
6. Фиксация двуокиси углерода
87
дорослей, использующих при фотосинтезе радиоактивно
меченную углекислоту 14СО2. Водоросли суспендируют в
питательной среде, значение pH в которой поддержива-
ется постоянным. Через суспензию водорослей продува-
ют воздух и СОг. Управляемый клапан позволяет быстро
сливать определенные объемы суспензии клеток в мета-
нол, под действием которого все последующие биохими-
ческие превращения блокируются. На рис. 6.2 показана
дальнейшая работа с инактивированными водорослями.
Экстракт из убитых водорослей концентрируют под ва-
куумом и после этого наносят непосредственно на хро-
матографическую бумагу. Используя разные растворите-
ли, хроматографию проводят в двух направлениях так,
что исходная смесь веществ движется по бумаге Сначала
в одном направлении, а затем в другом, перпендикуляр-
ном первому (двумерная хроматография). В результа-
те анализируемая смесь делится на компоненты. Затем
измеряют радиоактивность пятен, соответствующих раз-
личным соединениям. Расположение пятен устанавлива-
ют, исходя из радиоавтограмм, схематически показанных
на рис. 6.3. Две радиоавтограммы, приведенные на
рис. 6.3, показывают, какие соединения из экстракта кле-
ток Chlorella содержат 14С после того, как фотосинтез
продолжался 5 и 15 с.,Очевидно, что ФГК, триозофосфат
и сахарофосфаты образуются очень быстро, тогда как
сахароза, органические кислоты и аминокислоты форми-
руются при более длительном фотосинтезе. Видно, что
совместное использование радиоактивной СОг и метода
двумерной хроматографии является очень чувствитель-
ным способом для обнаружения продуктов фотосинтеза
и определения их количества.
6.2. Углеродный цикл при фотосинтезе
(цикл Кальвина)
Фиксацию СОг и ее восстановление до уровня сахаров
(или других соединений) можно рассматривать как про-
цесс, состоящий из четырех отдельных стадий, показан-
ных на рис. 6.4 и 6.5.
I. Стадия карбоксилирования. Считается, что на
этой стадии происходит реакция присоединения СО2 к
88
6. Фиксация двуокиси углерода
(С3)
Гексозофосфат ФГА
ФГК
ФГА ](С3)
Сахара
Полисахариду
Жиры.
Жирные кислоты
Аминокислоты
Карбоновые кислоты
Рис. 6.4. Схема цикла фиксации СО2. РуБФ — рибулозобисфосфат,
ФГК — фосфоглицериновая кислота, ФГА — фосфоглицеральдегид
(триозофосфат), РуФ — рибулозо-5-фосфат.
5-углеродному сахару, рибулозобисфосфату, приводящая
к образованию двух молекул фосфоглицериновой ки-
слоты:
СН3ОР
I
С=О СН2ОР СН2ОР
. | Фермент | I
сиз+ СНОН + Н2О------------> СНОН + СНОН (3.1)
снон *соон соон
I
СН2ОР
Рибулозобисфосфат 2 Фосфоглицериновая
(РуБф) кислота (ФКГ)
Эта реакция катализируется ферментом рибулозобис-
фосфат-карбоксилазой, называемым также карбоксидис-
мутазой, или белком фракции I.
Данные, .подтверждающие правильность уравнения
(6.1), отчетливо показаны на рис. 6.6. При освещении
фотосинтезирующих клеток концентрация РуБФ и ФГК
в этих клетках увеличивается до определенного уров-
ня, называемого «стационарным состоянием». При вы-
6. Фиксация двиокиси углерода
89
6
6
РуБФ
Триозофосфат
Тетрозофосфат
Пентоэофосфзт
Триозофосфат
Гелтозофоссрат
Рибулозо-5-фос-
фат
Стадия
карбокси-
лирования
Стадия
восстанов-
ления
Стадия
регене-
рации
С3
t
t
Сахара
Полисахариды
Жиры
Жирные кислоты
Аминокислоты
Карбоновые
кислоты
Стадия
синтеза
продуктов
Рис. 6.5. Четыре стадии фиксации СО2 при фотосинтезе, согласно
Холлу и Уотли (Hall, Whatley).
ключении света содержание РуБФ немедленно уменьша-
ется (поскольку синтез этого вещества происходит толь-
ко на свету), тогда как содержание ФГК продолжает
увеличиваться, так как из каждой молекулы РуБФ об-
разуются две молекулы ФГК. На рис. 6.6 показан также
эффект перехода от высокой концентрации СО2 к очень
низкой. Уровень «стационарного состояния» достигается,
когда концентрация СОг оказывается равной 1%, но
при резком уменьшении концентрации СОг до 0,003%
(и при включенном свете) содержание ФГК быстро па-
дает, поскольку количество имеющегося СОг оказывает-
90
6. Фиксация двуокиси углерода
Время, мин
Рис. 6.6. Взаимное превращение рибулозобнсфосфата (РуБФ) и
фосфоглицериновой кислоты (ФГК) в опытах по фотосинтезу. (По
Бассэму и Кальвину; см. Ruhland, 1960.)
ся недостаточным для фиксации. Содержание РуБФ при
этом увеличивается, так как расход этого вещества на
образование ФГК путем фиксации СО2 оказывается не-
значительным, а его синтез на свету продолжается.
II. Стадия восстановления. ФГК, образующаяся путем
присоединения СО2 к РуБФ,— это органическая кисло-
та, и ее энергетический уровень ниже энергетического
уровня сахаров. Для превращения ФГК в трехуглерод-
ный сахар (триозофосфат) нужно затратить энергию в
виде «ассимиляционной силы» NADPH и АТР.
6. Фиксация двуокиси углерода
91
Данная реакция осуществляется в два этапа. На
первом этапе к ФГК присоединяется фосфат молекулы
АТР, на втором происходит восстановление за счет
NADPH. Суммарную реакцию можно описать в виде
следующего уравнения:
СН2ОР СН2ОР
| Ферменты |
СНОН 4- АТР + NADPH 4- Н+-------->- СНОН 4- ADP 4- Pt 4-
I I
соон сно
Фосфоглицерииовая Фосфоглицеральдегид
кислота (ФГК) (триозофосфат)
4- NADP+ 4- Н2О (6.2)
Как видно из этого уравнения, восстановительная сила
расходуется для замены карбоксильной группы ФГК на
альдегидную группу триозофосфата. АТР требуется в
качестве источника дополнительной энергии, необходи-
мой для завершения этой реакции. Однако отщепляемый
при этом от АТР неорганический фосфат (Pi) не вклю-
чается в триозофосфат. Оба фермента, участвующие в
двух этапах реакции, обнаружены в выделенных хлоро-
пластах.
Когда СО2 уже восстановлена до уровня трехуглерод-
ного сахара, триозофосфата, ту часть реакций, которая
связана q запасанием энергии при фотосинтезе, можно
считать завершенной. Теперь требуется регенерировать,
привести в исходное состояние, молекулу первичного ак-
цептора СО2, т. е. рибулозобисфосфата, чтобы фикса-
ция СО2 могла повторяться снова и снова (стадия ре-
генерации) и чтобы триозофосфат мог .превращаться в
более сложные сахара, углеводы, жиры, аминокислоты
(стадия синтеза продуктов).
III. Стадия регенерации. Регенерация РуБФ для по-
вторной фиксации СОг происходит в сложной последо-
вательности реакций с участием фосфатов трех-, четы-
рех-, пяти-, шести- и семиуглеродных сахаров. В общих
чертах такие реакции показаны на рис. 6.5. Детали этих
реакций в данном случае интереса не представляют, а
при необходимости их можно найти в статье Бассэма
(Bassham), опубликованной в журнале Scientific Ameri-
can (1962). Достаточно сказать, что все реакции и участ-
92
6. Фиксация двуокиси углерода
вующие в них ферменты более или менее подробно ис-
следовались разными группами исследователей.
IV. Стадия синтеза продуктов. Конечными продуктами
фотосинтеза считаются в первую очередь сахара и уг-
леводы. Однако установлено, что в ходе фиксации СО2
при фотосинтезе образуются также жиры, жирные ки-
слоты, аминокислоты и органические кислоты. Многие
детали соответствующих реакций известны, но для нас
они опять-таки большого интереса не представляют. Сле-
дует лишь отметить, что в разных условиях, различаю-
щихся по освещенности, концентрации СО2, О2 и т. п.,
по-видимому, происходит образование разных конечных
продуктов (рис. 6.7). В последнее время синтез конеч-
ных продуктов исследуется очень активно, поскольку
понимание механизма реакций и выяснение благопри-
ятствующих им факторов могут в конечном счете позво-
лить нам создавать необходимые условия для того, что-
бы растения по нашему желанию синтезировали больше
или меньше сахаров, жиров, аминокислот.
Низкая
освещенность
Глутаминовая
кислота
Аспарагиновая
кислота
Рис. 6.7. Условия, благоприятствующие синтезу различных вторич-
ных продуктов фотосинтеза. [Рисунок взят из работы Гиллера и
Уотли (Hiller, Whatley) в книге Advancement of Science, 1967,
с. 643.]
6. Фиксация двуокиси углерода
93
6.3. Взаимосвязь структуры и функции
Для изучения фиксации СО2 в изолированных хлоропла-
стах необходимо выделять их весьма осторожно, чтобы
сохранить все участвующие в реакциях компоненты.
В 1954 г. в лаборатории Арнона (Агпоп) были постав-
лены опыты, показавшие, что задача эта вполне осу-
ществима. При этом были определены все продукты
фиксации СО2. Однако скорость фиксации в их опытах
не достигала одной десятой доли той скорости, которая
наблюдалась в целых листьях, и достичь лучших ре-
зультатов не удавалось до самого последнего времени,
т. е. до работ, проведенных в лабораториях Уолкера и
Бассэма (Walker, Bassham), когда путем тщательного
подбора сред и способов выделения были получены
хлоропласты, способные фиксировать СО2 со скоростя-
ми, близкими к скоростям фиксации СО2 в целых ли-
стьях. И снова в качестве продуктов фотосинтеза были
обнаружены те же соединения, которые группа Кальвина
обнаружила в целых водорослях, а сотрудники лабора-
тории Арнона (в своих первых работах) — в выделенных
хлоропласдах.
Эти исследования еще раз подчеркивают, сколь важ-
ное значение имеет целостность структуры для того,
чтобы понять, как в действительности работают субкле-
точные органеллы, например хлоропласты. Теперь ясен
путь для изучения большего числа реакций синтеза раз-
личных продуктов, например крахмала и сдхарозы, в
изолированных хлоропластах. Транспорт неорганическо-
го фосфата и сахарофосфатов внутрь хлоропласта и из
него строго регулируется в зависимости от потребностей
метаболизма. В целом можно указать, что световые ре-
акции фотосинтеза происходят в ламеллах гран, или
мембранах, тогда как темновые реакции осуществляют-
ся в строме, или растворимой части хлоропласта.
6.4. Энергетика фиксации СО2
Если снова взглянуть на суммарное уравнение фотосин-
теза и на уравнения, описывающие отдельные реакции,
легко различить те участки цикла фиксации СО2, где
энергия запасается, и те, где она расходуется.
94
6. Фиксация двуокиси углерода
Общее уравнение образования глюкозы имеет сле-
дующий вид:
СО2 + Н2О (СН2О) + О2 ДС = + 48 104 Дж = 114 ккал. (6.3)
Оно означает, что количество энергии, необходимой для
восстановления 1 моля СОг до уровня глюкозы, состав-
ляет 48-104 Дж. Большая положительная величина из-
менения свободной энергии AG соответствует большому
потреблению энергии в этой реакции.
Мы уже выяснили, что эту энергию поставляют про-
дукты световых реакций фотосинтеза. Ее можно охарак-
теризовать как «ассимиляционную силу» NADPH и
АТР. Для фиксации I молекулы СО2 нужны 2 молекулы
NADPH и 3 молекулы АТР (см. рис. 6. 4 и 6.5).
Запас энергии у молекул NADPH и АТР можно оце-
нить, исходя из следующих уравнений:
2 • NADPH + О2 + Н+ -> NADP+ + 2 • Н2О
ДО = 44 104 Дж = — 105 ккал (6-4)
3 АТР + Н2О 3 • ADP + 3Pj
Дб = 9,2 • 104 Дж = —22 ккал (6-5)
Этой энергии достаточно, чтобы восстановить одну мо-
лекулу СОг до уровня глюкозы, причем еще останется
неизрасходованным около 5-104 Дж= 13 ккал [Уравнение
(6.4)-(-уравнение (6.5)—уравнение (6.3)].
Еще раз выпишем отдельные уравнения:
Дб (Дж) Дб (ккал)
СО2 + Н2О (СН2О) + О2 +48 • 104 + 114 (6-3)
2 • NADPH + Н+ + О2 -> 2 N ADP+ + —44 • 104 — 105 (2-52,5) (6-4)
+ 2 -Н2О 3-АТР + Н2О 3-ADP + 3Pj — 9,2-104 —22 (3-7,3) (6-5)
—5 -104 Дж (избыток) —13 ккал (избыток)
Суммарное уравнение таково:
СО2 + Н2О + 2 • NADPH + Н+ + 3 • АТР -> (СН2О) + О2+
+ 2 • NADP+ + 3 • ADP-f-3 Л- (6.6)
6. Фиксация двуокиси углерода
95
Итак, мы видим, что фотосинтез — по существу вос-
становительный процесс, поскольку большая доля
энергии
44 Ю4 Дж
53,2 • 104Дж
83%,
необходимой для фиксации углекислоты, обеспечивается
участием в темновых реакциях сильного восстановителя,
NADPH, окислительно-восстановительный потенциал ко-
торого равен —0,34 В. Поскольку окислительно-восста-
новительный потенциал сахаров несколько ниже этой
величины, его можно считать равным —0,43 В. Очевид-
но, что для фиксации СО2 требуется еще энергия АТР.
Мы знаем, что окислительно-восстановительный по-
тенциал для Н2О—*-О2 равен +0,82 В. Поэтому полное
изменение .потенциала от +0,82 до —0,43 В составляет
1,25 В. Можно перейти от величин потенциала к энер-
гетическим единицам, воспользовавшись уравнением
AG = — п • F • АЕ = — 4 • 9,64 • 104 Дж/В • 1,25В =
= 48,2 • 104 Дж = 116 ккал, (6.7)
где п — число электронов (=4 электронам на одну моле-
кулу О2), F— число Фарадея (9,64-104 Дж/В), АД —
разность окислительно-восстановительных потенциалов.
Очевидно, что полученная величина AG весьма близка
к той, которая необходима для фиксации 1 моля СО2
[уравнение (6.3)]. Таким образом, преобразование энер-
гии можно выражать и в джоулях, и в единицах окис-
лительно-восстановительного потенциала.
В заключение обсудим вопрос о квантовой эффектив-
ности фиксации СО2. Энергия одного моля квантов крас-
ного света с длиной волны 680 нм равна 17,6-104 Дж.
Поскольку эта величина в 2,7 раза меньше необходимой
затраты энергии, AG (48-104/17,61 • 104 Дж), очевидно,
что для фиксации 1 молекулы СО2 нужно по крайней ме-
ре 3 кванта света с длиной волны 680 нм. В действитель-
ности, как показывают опыты, для выделения 1 молеку-
лы О2 или фиксации 1 молекулы СО2 потребляется 8—
10 квантов. На основе наших представлений о нецикли-
ческом фосфорилировании при фотосинтезе можно сде-
лать вывод о том, что в восстановлении NADP+ элект-
96
6. Фиксация двуокиси углерода
ронами молекулы НгО участвуют две различные свето-
вые реакции:
2 • NADP+ + 2 Н,0 -------------- 2NADPH +
Две световые реакции
в хлоропластах
+ О2 + н+. (6.8)
Таким образом, нужно не менее 8 квантов (4 кванта, по
одному на перенос каждого из четырех электронов, не-
обходимых для выделения молекулы Ог, умножаются на
2 — число световых реакций), чтобы одновременно вос-
становить NADP+ и синтезировать АТР в нужных ко-
личествах.
Тем не менее, согласно данным измерений, при фик-
сации СО2 в процессе фотосинтеза используется лишь
около 30% энергии света (потребляется 8—10 квантов
там, где должно бы хватить энергии 2,7 кванта). Если
принять во внимание, что средняя эффективность ис-
пользования фотосинтетически активного солнечного
света целыми растениями не превышает 1% (см. гл. 1),
то можно согласиться с тем, что в этих процессах растра-
чивается очень много энергии и что эффективность их
следовало бы повысить.
6.5. С4-путь фиксации СО2
Как уже упоминалось, многие травы, растущие в тро-
пиках, и такие растения, как сахарный тростник и ку-
куруза, способны фиксировать СОг не только в реакциях
цикла Кальвина, но и иным путем, связывая углекислоту
сразу в соединения, содержащие четыре атома углерода,
например в оксалоацетат (СООН—СО—СН2СООН), ма-
лат (СООН—СНОН—СН2ООН) и аспартат (СООН—
СН2—СНСООН). Выше уже говорилось (разд. 3.4), что
УН2
в листьях этих растений обнаружены хлоропласты двух
типов — в клетках обкладки и в клетках мезофилла.
У Сграстений устьица обычно расположены так, что
полость под устьицем находится совсем рядом с хлоро-
пластами клеток мезофилла. СО2, диффундирующая в
лист через устьица, быстро попадает в цитоплазму хло-
ропластов мезофилла, где при участии фермента фос-
6. Фиксация двуокиси углерода
97
фоенолпируват-карбоксилазы вступает в реакцию с фое-
фоенолпируватом (ФЕП)
сн2=с—соон,
I
ОР
образуя оксалоацетат:
ФЕП-
СО2 ФЕП----------------->Оксалоацетат. (6-9)
карбоксилаза
Поскольку концентрация ФЕП-карбоксилазы в клетках
мезофилла С4-растений достаточно высока, связывание
СО2 происходит быстро, и остаточная концентрация СО2
в клетках не бывает большой. Образовавшийся оксало-
ацетат восстанавливается до малата за счет NADPH,
образовавшегося в ходе обычных световых реакций.
Опыты с радиоактивными метками (14СО2) показали,
что после освещения растений в течение 1 с более 90%
радиоактивности обнаруживается в составе С4-кислот.
Затем малат переносится в клетки обкладки сосудистого
пучка, где он декарбоксилируется до пирувата и СО2,
и высвободившаяся СО2 используется для синтеза крах-
мала и сахаров в цикле Кальвина. Малат может также
принимать участие в реакциях цикла Кребса (цикла три-
карбоновых кислот) или может аминироваться до аспар-
тата (через промежуточное образование оксалоацета-
та), поступающего в аминокислотный пул. Упрощенная
схема фиксации СО2 С4-растениями показана на
рис. 6.8.
Скорость фотосинтетической фиксации СО2 у С4-ра-
стений не зависит от концентрации О2 и СО2 в окружаю-
щей среде. У Сз-растений .при высоких концентрациях
О2 и низких концентрациях СО2 обычно усиливается фо-
тодыхание и, следовательно, уменьшается общее потреб-
ление СО2. Эффективность использования воды, т. е. от-
ношение массы ассимилированной углекислоты к массе
воды, израсходованной при транспирации, у С4-растений
зачастую вдвое выше, чем у Сз-растений. Многим видам
С4-растений присуща также устойчивость к солям. Все
эти особенности позволяют С4-растениям выживать в
сухих, засоленных местах. Хотя С4-растения произошли
из тропической зоны и широко распространены в засуш-
ливых областях, они сумели физиологически адаптиро-
6. Фиксация двуокиси углерода
ваться в умеренных климатических зонах. Например,
Лонг (Long) и Вулхаус (Woolhouse) обнаружили у бо-
лотной травы Spartina townsendi, растущей в прибреж-
ных районах Британии, много признаков, характерных
для С<-растений L
6.6. Метаболизм кислот по типу
толстянковых (Crassulaceae)
Многие суккулентные растения, обитающие в засушли-
вых, безводных областях, способны фиксировать СО2 в
темноте с образованием кислот, содержащих четыре ато-
ма углерода-—оксалоацетата и малата. Это явление бы-
ло тщательно исследовано у представителей семейства
толстянковых Crassulaceae, откуда данный тип обмена и
получил свое название — метаболизм кислот по типу
1 Советские исследователи О. В. Заленский и В. И. Пьянков об-
наружили типичных представителей С4-растений на острове Вранге-
ля, т. е. в субарктической зоне. — Прим, перев.
6. Фиксация двуокиси углерода
99
толстянковых '. Метаболизм этого типа широко распро-
странен у покрытосеменных растений семейств Agava-
ceae, Bromeliaceae, Cactaceae, Crassulaceae, Euphorba-
ceae, Liliaceae, Orchidaceae и т. д. У этих растений днем
устьица обычно закрываются, что предотвращает поте-
рю воды. Устьица у них открываются по ночам. СО2 про-
никает в листья, где при участии содержащегося в цито-
плазме клеток листа фермента ФЕП-карбоксилазы всту-
пает в реакцию с фосфоенолпируватом, продуктом мета-
болизма крахмала, образуя оксалоацетат. Образовав-
шийся оксалоацетат восстанавливается под действием
малатдегидрогеназы до малата, накапливающегося в
вакуолях клеток листа. В течение дня, когда устьица
закрыты, малат переносится в цитоплазму и там декар-
боксилируется при участии малатдегидрогеназы (де-
карбоксилирующей), называемой также яблочным
ферментом, образуя в результате пируват и СО2. Вы-
свободившаяся СО2 проникает в хлоропласты и фикси-
руется там с образованием сахаров в фотосинтетических
реакциях цикла Кальвина.
Таким образом, у растений с метаболизмом кислот
по типу толстянковых фиксация СО2 с образованием ма-
лата (ночью) и декарбоксилирование малата с высво-
бождением углекислоты и образованием пирувата
(днем) разделены во времени. У Сд-растений эти же
реакции разделены пространственно, первая из них про-
текает в хлоропластах мезофилла, вторая — в хлоропла-
стах обкладки. При достаточном количестве воды расте-
ния с метаболизмом по типу толстянковых могут вести
себя как С3-растения.
<5.7. Фотодыхание и метаболизм гликолевой кислоты
В настоящее время очень много внимания уделяется
изучению фотодыхания (т. е. стимулированного светом
быстрого высвобождения СО2 листьями), которое су-
щественно отличается от протекающего в митохондриях
листьев «темнового» дыхания с выделением СО2. Расте-
ния сильно различаются по скорости фотодыхания. У не-
1 Английский термин Crassulacean acid metabolism часто упот-
ребляется в сокращенном виде (САМ). — Прим, перев.
100
6. Фиксация двуокиси углерода
которых растений с малой эффективностью фотосинтеза
интенсивность фотодыхания может достигать 50% от
интенсивности фотосинтеза. Эксперименты с радиоактив-
ной меткой — тяжелым изотопом кислорода 18О — пока-
зали, что у растений, характеризующихся высокой ско-
ростью фотодыхания, одним из первичных продуктов,
КРАХМАЛ
ФОТОСИНТЕЗ
С3- цикл восста-
новления угле-
кислоты
РуБФ
СН20Р03
С=О
СНОН/ |о7
Фосфогликолат
СН2ОРО3
___. СОО-
°2 ---
сн°и фотодыхание
СН2ОР03 С2-цикл окисле-
ния углерода
СН2ОРО:
снон
ioo-
ФГК
,зЧсн2он
хснон
СОО'„
Глицерат с00-
Гликолат
СНО „
1 Глиоксилат
ООО"
i
ch2nh2
COO- Глицин
СН2ОН СН2ОН
С=О СНЫН2
COO- Серин
Гидроксипируват
Рис. 6.9. Интегрированные циклы восстановления углекислоты при
фотосинтезе и выделения углекислоты при фотодыхании. (Lorri-
mer G. Н. et al., Proc. 4th Intnl. Cong, on Photosynthesis (Hall et
al., eds.), p. 312, 1978).
содержащих метку 18O, является содержащая 2 атома
углерода гликолевая кислота, позднее образуются гли-
цин, серин и 3-фосфоглицериновая кислота (ФГК) —
промежуточный продукт цикла Кальвина. Предполагае-
мый метаболический путь окисления гликолевой кисло-
ты, приводящий к образованию СОг (в процессе превра-
щения глицина в qepHH), показан на рис. 6.9. Вполне
возможно, что существуют и другие окислительные реак-
ции, сопровождающиеся выделением СОг. Как же обра-
зуется в хлоропластах гликолевая кислота? Сравнитель-
но недавно было обнаружено, что рибулозобисфосфат-
карбоксилаза, т. е. фермент, связывающий СОг в цикле
Кальвина (разд. 6.2), может функционировать так же,
как оксигеназа, катализируя окисление рибулозобисфос-
фата до 2-фосфогликолевой кислоты и ФГК. Далее про-
исходит гидролиз фосфогликолевой кислоты с образова-
6. Фиксация двуокиси углерода
101
РуБФ
+ PGK
СН2ОР
1 Фосфогликолевая
f кислота
со*он
*О = ]80
I +Pi
СН2ОН
Гликолевая кислота
нием неорганического фосфата и гликолевой кислоты.
Молекулы СОг и О2 конкурируют между собой, стремясь
реагировать с рибулозобисфосфатом в одном и том же
активном центре фермента. Поэтому при высоких кон-
центрациях СО2 и низких концентрациях О2 преобладает
карбоксилирование, тогда как высокие концентрации О2
и низкие концентрации СО2 (условия, обычные в атмос-
фере) благоприятствуют окислению, а следовательно, и
образованию фосфогликолевой кислоты. Обнаружено
также, что повышение температуры ускоряет окисление,
но не карбоксилирование. Кроме того, гликолевая кисло-
та может образовываться в хлоропласте и в других ре-
акциях.
К внешним признакам фотодыхания относятся: 1) по-
давление фотосинтеза при высоких концентрациях О2,
2) высокие значения положения углекислотного компен-
сационного пункта (30—50 ч. на млн. СО2 в воздухе при
25°С), 3) зависимость положения компенсационного
пункта от концентрации кислброда, температуры и усло-
вий освещенности.
У С4-рас(тений и у растений с метаболизмом по типу
толстянковых не обнаружено перечисленных признаков,
хотя кинетические характеристики фермента рибулозо-
биссфосфат-карбоксилазы, выделенной из этих растений
и из Сз-растений или даже из фотосинтезирующих бак-
Таблица 6.1. Общие свойства С3-растений (С3), С4-растений (С4)
и растений с метаболизмом кислот по типу толстянковых (МКТ)
С3 с. мкт
1. Обычно растут в уме- ренном климате, на- пример шпинат, пше- ница, картофель, та- бак, сахарная свекла, соя, подсолнечник Обычно растут в тро- пической или субтро- пической зонах, на- пример кукуруза, са- харный тростник, Amaranthus, Sorg- hum., травы саванн. Растения приспособле- ны к высокой освещен- ности, высокой тем- пературе, к полуза- сушливым условиям Обычные виды, рас- тущие в засушли- вых зонах, напри- мер кактусовые, орхидные, Agave, суккуленты
2. Продуктивность сред- няя. Урожаи могут дости- гать 30 т сухого веса с гектара. (Подсолнеч- ник имеет высокую продуктивность) Продуктивность высо- кая. Сахарный трост- ник может давать уро- жаи до 80 т с гек- тара Обычно продуктив- ность очень низкая. (Ананас имеет вы- сокую продуктив- ность)
3. Анатомия «кранц-типа» для листьев не харак- терна. Клетки обычно не имеют периферичес- кого ретикулума. Име- ется только один тип хлоропластов Характерные черты — анатомия «кранц-типа» и наличие перифери- ческого ретикулума. Часто встречаются два типа хлоропластов, различных по струк- Анатомии «кранц- типа» нет. Перифе- рический ретикулум отсутствует. Име- ется только один тип хлоропластов
4. Первичный акцептор СОа — рибулозобисфос- фат, сахар с 5 атома- ми углерода туре Первичный акцептор СОа — фосфоенолпи- руват, кислота с 3 атомами углерода Акцепторы углеки- слоты: фосфоенол- пируват в темно- те, рибулозобис- фосфат на свету
5. Первичный продукт фиксации СО2 — фос- фоглицерат, кислота с 3 атомами углерода Первичный продукт фиксации СОа — ок- салоацетат, кислота с 4 атомами углеро- да Продукты фикса- ции СОа: оксалоацетат в тем- ноте , фосфоглице- рат на свету
6. Единственный путь фиксации СОа Два пути фиксации СОа, разделенные про- странственно Два пути фикса- ции СО2, разделен- ные во времени
7. Высокие скорости син- теза гликолата. Обна- руживается фотоды- хание Низкие скорости син- теза гликолата. Фото- дыхание не обнаружи- вается по газообмену Так же, как у С4-растений
8. Низкая эффективность использования воды и малая устойчивость к солям (иоиам) Высокая эффектив- ность использования во- ды, высокая устойчи- вость к засоленности Так же, как у С4- растения
6. Фиксация двуокиси углерода
103
Сз с, мкт
9. Насыщение фотосин- теза происходит при интенсивностях света, равных Vs полного солнечного света 10. Высокий СО2-компен- сационный пункт 11, Устьица открыты днем Даже на ярком свету насыщения фотосинте- за практически не про- исходит Низкий СО2-компенса- ционный пункт Устьица открыты днем Так же, как у С4- растений Высокое сродство к углекислоте ночью Устьица открыты ночью
терий, одинаковы. Дело в том, что у С4-растений этот
фермент локализован преимущественно в хлоропластах
клеток обкладки, которые сами по себе не находятся в
непосредственном равновесии с СОг и Ог атмосферы.
Концентрация СОг в клетках обкладки может оказаться
гораздо выше, чем в атмосфере, поскольку в этих клет-
ках происходит образование in situ углекислоты в ре-
зультате декарбоксилирования малата, поступающего из
клеток мезофилла (см. разд. 6.5). Это позволяет карбок-
силированию более эффективно конкурировать с окис-
лением за связанный с ферментом рибулозобисфосфат.
Вместе с тем СОг, генерируемая у С4-растений при фото-
дыхании, может оказаться в хлоропластах в «ловушке»,
включившись во внутренний цикл под действием ФЕП-
карбоксилазы [реакция (6.9)] клеток мезофилла, что
предотвратит утечку СОг в атмосферу. У растений о
метаболизмом по типу толстянковых картина несколько
иная. По ночам они синтезируют большие количества
малата. Декарбоксилирование малата и фиксация СО2
в цикле Кальвина происходят у этих растений днем,
когда устьица закрыты (см. разд. 6.6). Поэтому внутрен-
няя концентрация СО2 у таких растений может быть
гораздо выше концентрации СОг в атмосфере, и, следова-
тельно, карбоксилирование будет преобладать над окис-
лением. Показано, что Сз-растения, помещенные в искус-
ственную атмосферу с низким парциальным давлением
О2 и высокой концентрацией СОг, ведут себя подобно
С4-растениям, т. е. имеют низкий уровень фотодыхания.
7. Бактериальный фотосинтез
7.1. Классификация фотосинтезирующих бактерий
Фотосинтезирующие бактерии — это типичные водные
микроорганизмы; они обитают в пресной и морской во-
де, во влажной и илистой почве, в прудах и озерах со
стоячей водой, в серных источниках и т. д. Они подраз-
деляются на три семейства:
1. Зеленые серные бактерии (Chlorobiaceae). Эти орга-
низмы живут, используя в качестве донора электронов
сероводород или в некоторых случаях тиосульфат. Ти-
пичный представитель — род Chlorobium.
2. Пурпурные серные бактерии (Chromatiaceae). Способ-
ны использовать сероводород в качестве донора электро-
нов. Типичный представитель — род Chromatium.
3. Пурпурные несерные бактерии (Rhodospirillaceae).
Эти организмы не могут расти в присутствии только се-
роводорода, для роста им необходимы простые органи-
ческие соединения, например спирты и кислоты, которые
в данном случае играют роль доноров электронов. Ти-
пичные представители — Rhodomicrobium, Rhodopseudo-
monas, Rhodospirillum.
При использовании для роста энергии, накапливае-
мой в процессе фотосинтеза, все перечисленные бактерии
ведут себя как строгие анаэробы, т. е. могут расти лишь
при полном отсутствии кислорода. Бактерии не способны
использовать воду в качестве субстрата для фотосинтеза
и не выделяют при фотосинтезе кислород.
7.2. Фотосинтетические пигменты
и фотосинтетический аппарат
Пигментные системы фотосинтезирующих бактерий не-
сколько отличаются от пигментных систем растений и
водорослей. Хлорофиллоподобные пигменты бактерий
называют бактериохлорофиллами (БХЛ). В настоящее
время охарактеризованы пять типов бактериохлорофил-
ла— БХЛа, БХЛ6, БХЛс, БХЛс!, БХЛе. По своей
7. Бактериальный фотосинтез
105
структуре эти пигменты подобны хлорофиллам а и Ь,
отличаясь от них лишь природой боковых цепей при 2,
3, 4, 5, 7 и 10-м атомах углерода (положение этих ато-
мов показано в формуле хлорофилла на рис. 3.8). Кроме
того, в реакционных центрах всех бактерий обнаружен
бактериофеофитин, который отличается от бактериохло-
рофилла заменой центрального атома магния на два
атома водорода. Основные каротиноидные пигменты бак-
терий также несколько отличаются от каротиноидов во-
дорослей. В табл. 7.1 перечислены некоторые из пигмен-
тов фотосинтезирующих бактерий; указаны условия рос-
та этих организмов и другие их характеристики. Типич-
ные спектры поглощения двух бактерий приведены на
рис. 7.1.
Морфология фотосинтетического аппарата различ-
на у пурпурных и зеленых бактерий и отличается от мор-
фологии хлоропластов. Спектры возбуждения флуорес-
ценции бактериохлорофилла у пурпурных бактерий по-
казывают, что энергия света, поглощенного каротинои-
дами и коротковолновыми пигментными формами
бактериохлорофилла, передается на самые длинноволно-
вые его формы, поглощающие при 870 и 890 нм, и только
rillurn rubrum.
Таблица 7.1. Характеристики фотосинтезирующих бактерий
Группа Фотосинтетические пигменты Доноры электронов (субстраты для роста) Условия роста и другие особенности Тип ичные представи- тели семейств
Зеленые бактерии (Chlorobiaceae) БХЛа вместе с БХЛс, БХЛй или БХЛе Каротиноиды Реакционный центр H2s Na2S2O3 н2 Автотрофный рост на свету, строго анаэробные условия; клетки неподвижны; фото- синтетический аппарат: хло- робиум-везикулы и связан- ные с ними мембраны Chlorobium limico- la, Ch. ihiosulfa- tophilum, Prosthe- cochloris aestuarii
Пурпурные серные бактерии (Chromatia- сеае) БХЛа или БХЛ6 Каротиноиды Реакционный центр Р870 ИЛИ Р8э0 H2S, Na2S2O3, Н2. Органические суб- страты, например ацетат Автотрофный и гетеротроф- ный рост на свету, строго анаэробные условия; фото- синтетический аппарат: хро- матофоры Chromatium D., Thiocapsa roseoper- sicina
Пурпурные и есерные бактерии (Rhodospiril- liaceae) БХЛа или БХЛ& Каротиноиды Реакционный центр Р«70 Органические суб- страты, например, сукцинат малат. Н2 Г етеротрофный или авто- трофный рост на свету в ана- эробных условиях. Способны к гетеротрофному росту в аэробных условиях в темноте Rhodospirillum rub- rum, Rhodopseudo- monas
7. Бактериальный фотосинтез
107
после этого используется для фотосинтеза. Клейтон
(Clayton) провел опыты по ассимиляции субстрата
(углерода) и по фотофосфорилированию в суспензиях
клеток пурпурных бактерий под действием вспышек све-
та и выяснил, что фотосинтетическая единица бактерий
состоит из 30—50 молекул бактериохлорофилла. При
разрушении клеток бактерий высвобождаются субкле-
точные частицы, содержащие все фотосинтетические пиг-
менты. Эти пигментированные частицы можно отделить
от других компонентов клетки с помощью дифференци-
ального центрифугирования. Под электронным микро-
скопом их можно увидеть после специального окрашива-
ния. Они имеют сферическую форму и размеры от 30 до
100 нм. Такие частицы называют хроматофорами. Каж-
дый хроматофор содержит несколько фотосинтетических
единиц. Возможно, что хроматофоры образуются при
инвагинации (выпячивании внутрь клетки) цитоплазма-
тической мембраны.
В 1952 г. Дюйзенс показал, что под действием света
у пурпурных бактерий происходят обратимые изменения
спектра поглощения бактериохлорофилла. Эти измене-
ния проявляются главным образом в выцветании (свя-
занном с окислением) длинноволновой полосы поглоще-
ния бактериохлорофилла, расположенной при 890 нм в
спектре поглощения у Rhodospirillum rubrum и Chroma-
tium и при 870 нм у Rhodopseudomonas sphaeroides.
При обработке хроматофоров Rps. sphaeroides детер-
гентами и последующем освещении их в присутствии
кислорода можно разрушить светособирающие молеку-
лы бактериохлорофилла, не нарушая того фотоактивно-
го компонента, поглощение которого под действием
света изменяется. Полоса поглощения 870 нм таких хро-
матофоров при освещении обратимо выцветает. Фотоак-
тивный (окисляющийся) компонент хроматофоров Rps.
sphaeroides называют Р8?о; его роль подобна роли
Р?оо в хлоропластах. Аналогичные компоненты хромато-
форов R. rubrum и Chromatium обозначают как Peso '
На 40 молекул светособирающего бактериохлорофилла,
составляющих одну фотосинтетическую единицу
1 Полоса поглощения PstoIPsso) принадлежит бактериохлоро-
филлу реакционного центра. — Прим, перев..
108
7. Бактериальный фотосинтез
(рис. 7.2), приходится примерно одна «молекула» Рето
или Рвэо- Исследования, проведенные методом дифферен-
циальной спектрофотометрии (см. гл. 4), показали, что
при индуцированном светом окислении и восстановлении
Рето обратимо изменяются и окислительно-восстанови-
тельные состояния хинона (например, убихинона) и
цитохрома.
Квант
света
Молекула
акцептора
Цитохром
Рнс. 7.2. Схематическое изображение фотосинтетической единицы у
пурпурных бактерий. Квант света взаимодействует с ансамблем из
40 молекул бактериохлорофилла (БХЛ), содержащим один реак-
ционный центр Р8эо-
В последние годы благодаря развитию методов выде-
ления бактериальных реакционных центров и примене-
нию импульсных спектрофотометров с пикосекундными
(1012 с) лазерами удалось подробно изучить большин-
ство реакций световой фазы бактериального фотосинте-
за. Энергия света поглощается молекулами бактериохло-
рофилла и каротиноидов, а затем (путем миграции
электронного возбуждения) передается реакционному
центру, содержащему небольшое число (2 или 4) осо-
бым образом упакованных молекул бактериохлорофил-
ла1. Разделенные заряды переносятся через мембрану
молекул этих бактериохлорофиллов, запуская электрон-
ный транспорт, обусловливающий образование АТР,
NADH или восстановленного ферредоксина.
1 Принято считать, что в состав реакционного центра входят
4 молекулы бактериохлорофилла и 2 молекулы бактериофеофитина
(БФ). В реакции разделения зарядов участвует электрон, принад-
лежащий «специальной паре» (БХЛ)2. Он передается на молекулу
БФ быстрее чем за 10~пс; квантовый выход этой реакции равен
практически 100%. — Прим, перев.
7. Бактериальный фотосинтез
109
7.3. Фиксация углекислоты
Эффект усиления Эмерсона у бактерий не обнаружен,
поэтому обычно считают, что в бактериальном фотосин-
тезе участвует лишь одна фотореакция (т. е. имеется од-
на фотосистема). В бесклеточных препаратах пурпурных
фотосинтезирующих бактерий доминирующей реакцией
Красные бактерии
Зеленые бактерии
О
В
+ 0,4
В"
“0*870
Циъ Ь
FB-S
Цит. с
БХЛ
I
Свет
УХ или MX
Рис. 7.3. Схема индуцированного светом транспорта электронов в
фотосинтезирующих бактериях. Обозначения: БХЛ — бактериохло-
рофилл, Цит. — цитохром, УХ — убихинон, MX — менохипон.
фотосинтеза является циклическое фотофосфорилирова-
ние (образование АТР). Из зеленых бактерий удалось
выделить частицы, способные восстанавливать на свету
ферредоксин (см. гл. 5), который мог использоваться
затем для восстановления NAD+ до NADH с участием
флавопротеидного фермента. Таким образом, фотосинте-
зирующие бактерии споцобны синтезировать как АТР,
так и NADH, т. е. запасать и энергию, и «восстанови-
тельную силу» для фиксации СО2 (рис. 7.3). Почти у
всех исследованных видов фотосинтезирующих бактерий
найдены ферменты цикла Кальвина — Бенсона (гл. 6),
откуда следует, что данные организмы способны фикси-
ровать СО2 в реакциях этого цикла. Наряду с этим
Эванс, Бьюкенен и Арнон (Evans, Buchanan, Arnon) ус-
тановили наличие иного пути фиксации СО2 при бактери-
110
7. Бактериальный фотосинтез
алыюм фотосинтезе. Реакции этого цикла осуществляют-
ся с участием восстановленного ферредоксина (Фд) и
приводят к синтезу а-кетокислот, например пирувата и
а-кетоглутарата. На рис. 7.4 показана предложенная
упомянутыми исследователями схема восстановительно-
./''''/S'' (4G) Изоцитрат (6G)
S (2) Оксалоацетат
(2С) Ацетат . (4С)
Ацетил-СоА
Восстанов-
ленный
ферредоксин
|со2
(30) Пируват
\АТР
NADPH ег 4
а-Кетоглутарат (50)
\^~-|go2J
Восстанов-
ленный
ферредоксин
Сукцинил-СоА
СоА J
Сукцинат
Флавнн-Н2
Фумарат
\
\
Фоссропируват
Малат
NADH
со2
(2С) Оксалоацетат—|t2C) Оксалоацетат] (4С)
Рис. 7.4. Цикл восстановления карбоксильных кислот у фотосинтези-
рующих бактерий. Для образования одной молекулы оксалоацетата
должны быть фиксированы 4 молекулы СОз. (Evans, Buchnan, Ar-
non, Proc. Natl. Acad. Sci. US, 55, 928, 1966.)
го цикла карбоновых кислот, функционирующего у фото-
синтетических бактерий. В этом цикле фотосинтетичес-
кой фиксации СОг два ферредоксин (Фд)-зависимых
фермента — пируват-синт аза и а-кетоглутарат-синта-
за — катализируют карбоксилирование соответственно
ацетилкофермента А и сукцинилкофермента А:
Ацетил-СоА 4- СО2 + Фд(восст)------------>• Пируват +
Фермент
+ СоА 4" ФД(окисл) (7.1)
Сукцинил-СоА 4- СО ,- Фд(восст)------------>• а-Кетоглутарат •+
Фермент
4- СоА + ФД(окисл) • (7.2)
7. Бактериальный фотосинтез
111
Полный цикл включает фиксацию четырех молекул
СОг. Возможно, что у бактерий фотосинтетическая фик-
сация СОг происходит в обоих циклах — и в восстанови-
тельном пентозофосфатном цикле (цикле Кальвина—
Бенсона), и в восстановительном цикле карбоновых ки-
слот.
7.4. Экологическая и эволюционная роль
фотосинтезирующих бактерий
В анаэробных (бескислородных) условиях органические
вещества сбраживаются различными микроорганизмами
(хемосинтезирующими анаэробами), которые получают
энергию в результате субстратного фосфорилирования
При этом образуются различные конечные продукты
метаболизма, например СОг, Нг, этиловый рпирт, про-
стые жирные кислоты. Эти соединения могут накапли-
ваться в среде при условии, что они не будут потреб-
ляться в качестве питательных веществ другими микро-
организмами, неспособными использовать кислород в
качестве конечного акцептора электронов в процессе ды-
хания. Сульфатредуцирующие и нитрофицирующие бак-
терии способны потреблять часть конечных продуктов
броженця хемосинтезирующих анаэробов. Фототрофные
бактерии (зеленые и .пурпурные фотосинтезирующие
бактерии) получают энергию, поглощая солнечный свет.
Они способны метаболизировать большинство конечных
продуктов анаэробного брожения — спирты, кислоты, во-
дород и т. ц., а также конечные продукты цульфатного
и нитратного дыхания — H2S и N2. Таким образом, сое-
динения, образующиеся в клетках зеленых и пурпурных
фотосинтезирующих бактерий, могут быть в дальнейшем
использованы в качестве субстратов хемосинтезирующи-
ми анаэробами, которые в свою очередь продуцируют
вещества, играющие роль питательных веществ у фото-
трофных бактерий. Таким образом, в анаэробных ус-
ловиях бактерии этих двух типов могут сосуществовать.
Геохимические исследования свидетельствуют о том,
что древняя атмосфера Земли (пребиотическая атмосфе-
1 То есть АТР образуется за счет энергии, содержащейся в ор-
ганических субстратах. — Прим, перев.
112
7. Бактериальный фотосинтез
ра) была бескислородной и состояла из Н2, N2, СН$,
NH3, H2S, Н2О, СО2 и т. д. Самые первые фотобактерии,
по-видимому, появились около 3 млрд, лет назад, когда
возраст Земли составлял примерно 2 млрд. лет. В тех
условиях первые фотобактерии использовали солнечный
свет скорее всего для запасания энергии в ходе цикли-
ческого транспорта электронов. Поскольку кислород в
нынешней атмосфере Земли имеет биологическое проис-
хождение (он выделяется в результате фотосинтетичес-
кой деятельности у водорослей и высших растений),
зеленые и пурпурные фотосинтезирующие бактерии мож-
но считать представителями очень древних генеалогиче-
ских линий организмов. В глубокой древности, в усло-
виях бескислородной атмосферы, эти бактерии были
единственными организмами, способными использовать
для своего роста солнечную энергию.
Для того чтобы проследить эволюционные связи меж-
ду различными таксономическими группами организмов,
биохимики используют сейчас сравнительный анализ
аминокислотных последовательностей какого-либо бел-
ка, имеющегося у всех этих организмов. Так, например,
Fe-S-белок ферредоксин обнаружен у многих бактерий,
осуществляющих брожение, и у всех фотосинтезирующих
бактерий и растений; цитохромы найдены у всех фото-
синтезирующих организмов. Результаты сравнительного
анализа аминокислотного состава и последовательности
аминокислотных остатков ферредоксинов и цитохромов
из различных организмов дают основание думать, что
в эволюционном ряду фотосинтезирующие бактерии за-
Цианобактерии
(сине-зеленые
водоросли)
Водоросли
--------и высшие
растения
Зеленые фотосинте- Пурпурные серные
зирующие бактерии---фотосинтезирующие
бактерии
Пурпурные несер-
ные фотосинтези-
рующие бактерии
Анаэробные сбра-
живающие бактерии
Рис. 7.5. Схематическое изображение эволюции фотосинтеза.
7. Бактериальный фотосинтез
113
нимают промежуточное положение между древними
анаэробными бактериями, осуществляющими брожение,
и появившимися позднее водорослями и растениями
(рис. 7.5).
Химические термины
Наименования различных соединений, упоминавшихся в
книге, изменились в связи с введением новой междуна-
родной номенклатуры. Для сравнения новых и старых
названий мы приводим ниже список некоторых соеди-
нений.
Старое название
Новое название
Альдегид уксусной кислоты,
ацетальдегид
Уксусная кислота
Ацетилен
Лимонная кислота
Этиловый спирт
Этилен
Фумаровая кислота
Глутаминовая кислота
Изолимонная кислота
а-Кетоглутаровая кислота
Яблочная кислота
Малоновая кислота
Щавелевоуксусная кислота
Щавелевоянтарная кислота
Этаналь
Этановая кислота (можно исполь-
зовать и старое название)
Этин
2Т идроксипропан-1,2,3-трикарбо-
новая кислота
Этанол
Этен
транс-Бутандикислота
2-Аминопентакислота
1-Гидроксипропан-1,2,3-трикарбо-
новая кислота
1 -Оксобутандикислота
2-Г идроксибутандикислота
Пропандикислота
2-Оксобутандикислота
1-Оксопропан-1,2,3-трикарбоно-
Пировиноградная кислота
Янтарная кислота
вая кислота
2-Оксопропановая кислота
Бутандикислота
8. Исследования в области фотосинтеза
В этой главе мы вкратце рассмотрим некоторые глав-
ные направления в изучении широкой и многогранной
проблемы фотосинтеза.
Хлоропласты, протопласты и клетки
Сейчас уже довольно легко выделить интактные хлоро-
пласты, способные фиксировать углекислоту с высокой
скоростью (хлоропласты типа А, или .полные хлоропла-
сты). Это дает возможность изучать функцию хлоропла-
стов в связи с ролью цитоплазмы и других компонентов
клетки. Протопласты, представляющие собой по сути де-
ла клетки, лишенные оболочек (клеточные оболочки
удаляют, воздействуя специальными ферментами), с ус-
пехом используются в современных исследованиях про-
цессов переноса субстратов и метаболитов в клетку и из
клетки, в хлоропласт и из хлоропласта. Из листьев
можно выделять и целые клетки (вместе с оболочками)
и изучать на них более сложные взаимодействия пото-
ков субстратов, ионов, газов и т. д.
Роль света в регуляции фотосинтеза
Свет влияет на активность многих ферментов, участвую-
щих в фиксации СОг. В их число входят ИАБР+-глице-
ральдегид-3-фосфат — дегидрогеназа, фруктозо-1,6-бис-
фосфатаза, седогептулозо-1,6-бисфосфатаза, рибулозо-
бисфосфат-карбоксилаза, пируватфосфатдикиназа, ма-
латдегидрогеназа. Для объяснения того факта, что свет
повышает активность этих ферментов, предлагались раз-
личные гипотезы — изменение pH в строме, увеличение
концентрации Mg2+ в строме, изменение окислительно-
восстановительного состояния, активация под действием
определенных белковых факторов и «эффекторов». Для
стромы характерно высокое содержание аскорбиновой
кислоты, и, следовательно, на активность ферментов мо-
гут влиять окислительно-восстановительные состояния
8. Исследования в области фотосинтеза
115
глутатиона и глутатионредуктазы. Обнаружено, что два
белка хлоропластов (тиоредоксин и ферредоксии-тиоре-
доксин — редуктаза) участвуют в работе связанного с
ферредоксином регуляторного механизма, от которого
зависят по меньшей мере четыре фермента пентозофос-
фатного восстановительного цикла. В настоящее время
все эти проблемы исследуются очень активно.
Синтез крахмала и сахарозы
Осуществление фотосинтеза и его скорость зависят от
движения метаболитов из хлоропласта в цитоплазму и
обратно. Сахарофосфаты уносятся из хлоропласта и
используются для синтеза сахарозы, а высвобождаю-
щийся в этой реакции фосфат переносится обратно в
хлоропласт, где он может быть использован для синтеза
крахмала. По-видимому, для изучения процесса фото-
синтеза в целом и его продуктивности решающее значе-
ние имеет исследование регуляторных механизмов, уп-
равляющих синтезом сахарозы и крахмала и транспор-
том сахаров в клетке и листе.
Вторичные реакции
Фиксация атмосферного азота, восстановление нитрата
и сульфата, синтез белков и множество других реакций
зависят от источников энергии, образующихся в .процес-
се фотосинтеза, т. е. от АТР, восстановленного ферредок-
сина и NADPH. Эти реакции имеют не менее важное
значение, чем фиксация СО2. Они необходимы для осу-
ществления у растений процесса фотосинтеза в целом.
Что касается механизмов регуляции и интеграции фото-
синтетических процессов, то в этом вопросе еще много
неясного.
Изучение фотосинтеза у целого растения и проблема
биопродуктивности
Эффективность фотосинтеза целого растения играет ре-
шающую роль для сельского и лесного хозяйства, эколо-
гии и т. п., поскольку именно она имеет существенное
значение для анализа процессов производства пищи,
116
8. Исследования в области фотосинтеза
топлива и разнообразных продуктов. Нам нужно знать,
как влияют на эффективность фотосинтеза стрессовые
условия-—температура, вода, засоленность и т.п. Не
зная этого, мы не можем бороться за повышение про-
дуктивности растений, обитающих в разных климатичес-
ких условиях. Одним из первых проявлений загрязнения
среды оказывается изменение эффективности фотосинте-
за зеленых растений, водорослей, фитопланктона — от-
сюда вытекает необходимость более тщательного и пол-
ного изучения этих первичных эффектов.
Структура хлоропласта
Оболочка хлоропласта является в настоящее время
предметом интенсивного изучения. Предстоит решить
вопрос: какие особенности структуры и связанных с ней
ферментов обеспечивают выполнение характерных функ-
ций? Все более понятной становится молекулярная
структура мембран тилакоидов — ориентация и распре-
ВНУТРИТИЛАКОИДНОЕ ПРОСТРАНСТВО
Рис. 8.1. Упрощенная схема расположения полипептидных компонен-
тов мембраны хлоропластов, построенная на основе данных о цепи
переноса электронов и их ориентации в мембраны. Обозначения:
ССК — светособирающий комплекс; ХЛ — хлорофилл; Цит—ци-
тохром; Фд — ферредоксин; Пс — пластоцианин; CF — сопрягающий
фактор; а, р, у, б, е, I, II — субъединицы сопрягающего фактора,
фд—Р — ферродексин •— КАПР+-редуктаза. [Печатается с любезно-
го разрешения проф. Д. фон Веттштейна (D. von Wettstein), Carls-
barg Laboratories, Copenhagen).]
8. Исследования в области фотосинтеза
117
деление в них липидов, белков, пигмент-белковых комп-
лексов и т.п. (рис. 8.1), Пока еще не ясно, каков ме-
ханизм упаковки мембран в граны и каково его биохи-
мическое и физиологическое значение. С вопросом об
образовании гран в некоторой степени связана и проб-
лема взаиморасположения фотосистемы I и фотосистемы
II в мембранах стромы и гран.
Происхождение и развитие хлоропластов
Откуда произошли хлоропласты водорослей и высших
растений (эукариот)? Согласно эндосимбиотической тео-
рии эволюции эукариот, хлоропласты ведут свое начало
от прокариотических клеток — цианобактерий (сине-зе-
леных водорослей). Верна ли эта теория? Можно ли
считать, что сине-зеленые водоросли (симбиотические
водоросли; см. рис. 3.5), обнаруживаемые в некоторых
облигатных фотоавтотрофах, например в Cyanophora sp.
(жгутиковой водоросли, содержащей сине-зеленую во-
доросль в качестве симбионта), являются современны-
ми представителями звена, лежащего в эволюционном
ряду между сине-зелеными водорослями и хлоропласта-
м^? Накапливается все больше данных в пользу близко-
го сходства между сине-зелеными водорослями и хло-
ропластами эукариот.
Другое направление исследований, активно веду-
щихся в настоящее время, — это 1) синтез и сборка
компонентов хлоропласта, 2) вопрос о том, синтез ка-
ких компонентов направляется геномом самого хлоро-
пласта и каких компонентов—ядерным геномом клет-
ки. Каким образом синтезированные в цитоплазме ком-
поненты переносятся в хлоропласт и встраиваются в его
мембраны; как из протопластид выращенных в темно-
те растений и водорослей образуются при освещении
зрелые пластиды и тилакоиды?
Генетика
В настоящее время изучение молекулярной генетики
хлоропласта интенсивно развивается. Расширились наши
представления о хлоропластной ДНК, о местах синтеза
и транслокации хлоропластных белков, о регуляции син-
118
8. Исследования в области фотосинтеза
теза белков и т. д. В будущем это поможет нам управ-
лять реакциями фотосинтеза на уровне хлоропластов,,
листьев и целых растений. Генетические аспекты изуче-
ния сине-зеленых водорослей (цианобактерий) и фото-
синтезирующих бактерий и выяснение роли плазмид
представляются также очень интересными, поскольку
все эти организмы являются бактериями, и в работе с
ними можно использовать те же генетические методы и
подходы, которые уже хорошо разработаны для других
прокариотических организмов.
Последовательности транспорта электронов при циклическом
и нециклическом фотофосфорилировании
Приведенные в этой книге схемы, разумеется, нельзя
рассматривать ни как полные, ни как безупречно точ-
ные. Изучение кинетических характеристик реакций ин-
дивидуальных компонентов и выяснение роли пока еще
не обнаруженных компонентов могут существенно изме-
нить наши представления. До сих пор мало изучены
реакции выделения кислорода в фотосистеме II, первич-
ные акцепторы электронов, состав реакционных центров.
Активно исследуются важные вопросы, касающиеся ори-
ентации отдельных компонентов мембраны. Значитель-
ный интерес представляет роль большого пула пласто-
хинонов между фотосистемой II и фотосистемой I.
Транспорт ионов
Участие хлоропластов в «перекачке» различных катио-
нов, например Са2+, Na+, К+, и анионов, например РО4 ,
С1_, вносит важный вклад в общий процесс переноса и
накопления ионов в клетке. Точный механизм этого яв-
ления еще не установлен.
Кроме того, под действием света такие ионы, как
Mg2+ и Н+, переносятся через мембрану тилакоида, при-
нимая участие в механизмах регулирования фиксации
СО2 и возникновения поверхностного заряда на самих
мембранах. Какова роль этого перемещения ионов, пока
еще не ясно.
8. Исследования в области фотосинтеза
119
Механизм образования АТР
Связь между протонным насосом, создающим транс-
мембранный градиент концентрации Н+, и образованием
АТР (хемиосмотическая гипотеза Митчелла) активно
изучается на самых разнообразных объектах — мутантах
водорослей, целых и лопнувших хлоропластах, препара-
тах субхлоропластных мембран. При этом исследуется
влияние сопрягающих факторов и АТРаз, антител, инги-
биторов и разобщителей, регуляторов электронного
транспорта и т. п. Локализация образования АТР точно
еще не установлена. Обнаружены два участка, связан-
ных с фотосистемами I и II, в которых синтез АТР
сопряжен с транслокацией протонов. До сих пор не ус-
тановлена точная стехиометрия процесса фотофосфори-
лирования, т. е. отношение NADPH/ATP. Иначе говоря,
неизвестно, чему равно отношение АТР/2е_ (1,0, 1,33
или 2,0?), а это очень важное значение, поскольку, по-
лучив ответ на этот вопрос, можно узнать, сколько кван-
тов необходимо для фиксации одной молекулы СО2.
Значительные успехи достигнуты в изучении структуры
АТРазы — 5 белковых субъединиц этого фермента пока-
заны на рис. 8.1. Постепенно выявляются и свойства
этих субъединиц — способность к связыванию с мембра-
ной, ингибиторная активность, протонный обмен, связы-
вание фосфатов и т. п.
Выделение кислорода в фотосистеме II
Эта важнейшая реакция фотосинтеза у всех растений
остается до сих пор одной из самых больших загадок.
Однако исследования, проводимые в последние годы,
помогают понять природу механизма, обусловливающе-
го разложение воды и высвобождение кислорода, про-
тонов и электронов. Был выделен белковый комплекс
фотосистемы II, при добавлении которого к лишенным
его мембранам липосом восстанавливалось выделение
кислорода. Роль марганца в этом процессе пока еще
установить не удается, поскольку существует по мень-
шей мере два пула марганца и исследовать их метода-
ми спектрофотометрии очень трудно. Не установлена
также последовательность актов поглощения света.
120
8. Исследования в области фотосинтеза
окисления S-состояний, выброса протонов и выделения
кислорода. Вместе с тем имеются успехи в изучении
взаимной ориентации компонентов фотосистемы II в
мембране — показано, что выделение кислорода и высво-
бождение протонов происходят на внутренней поверх-
ности мембраны тилакоида.
Моделирование фотосинтеза
Фотохимики и фотобиологи настойчиво ищут искусствен-
ные системы, способные расщеплять воду за счет сол-
нечной энергии. В синтетические мембраны, приготов-
ленные из липосом, можно встраивать пигменты, белки
и другие молекулы, способные поглощать свет и осу-
ществлять транспорт электронов. Специально синтези-
руются различные соединения марганца и исследуется
их способность катализировать разложение воды. Изго-
товлены различные полупроводниковые катализаторы,
содержащие рутений и (или) титан и способные при ос-
вещении выделять молекулярный кислород из воды. Ис-
следуются также искусственные системы, способные к
фотовосстановлению СО2 с образованием муравьиной
кислоты и метилового спирта. Ферредоксин, используе-
мый для моделирования системы хлоропластной мембра-
ны, в присутствии гидрогеназы и платины может вос-
станавливаться на свету с образованием молекулярного
водорода из воды. Преимущество подобных искусствен-
ных систем по сравнению с природными системами фо-
тосинтеза состоит в том, что их можно оптимизировать,
добиваясь максимальной эффективности фотосинтеза,
которая в данном случае не лимитируется физиологичес-
кими свойствами и потребностями целого растения.
9. Лабораторные работы
9.1. Связь между содержанием хлорофилла,
синтезом крахмала и фиксацией СО2
а. Взять пестрые листья Pelargonium или Coleus. Оп-
ределить крахмал по реакции с иодом или определить
интенсивность фотосинтеза с помощью метода, осно-
ванного на использовании высечек из листьев (Page,
с. 45).
б. Взять растения, выросшие на свету, и растения, вы-
росшие в темноте. Определить крахмал по реакции с
иодом после экстракции метанолом (Bowen, с. 147).
в. Убедиться в необходимости СО2 для синтеза крахма-
ла. Взять растения, выращенные с СО2 и без СО2, и
определить в них крахмал по реакции с иодом (Pa-
ge, с. 44).
г. Установить зависимость между концентрацией би-
карбоната в растворе и скоростью фотосинтеза. Ме-
тод с использованием высечек из листьев (Page,
с. 45).
9.2. Фотосинтез у Elodea
и одноклеточных водорослей
а. Выделение кислорода при фотосинтезе у Elodea. Ис-
следовать влияние интенсивности света и температу-
ры. Измерить количество выделенного кислорода с
помощью микробюретки Аудуса (Audus) (Machlis,
Torrey, с. 132).
б. Потребление СО2 Elodea. Определить, зависит ли
данный процесс от света. Использовать краситель-ин-
дикатор бромтимоловый синий, чтобы измерить по-
требление СОг (Bowen, с. 147).
в. Выделение О2 одноклеточными водорослями, напри-
мер Chlorella, Scenedesmus. Измерить количество
выделенного кислорода с помощью манометра Вар-
бурга (Dunn, Arditti, с. 36).
122
9. Лабораторные работы
9.3. Разделение и хроматография
пигментов хлоропластов
а. Экстрагирование пигментов ацетоном. Разделение в
петролейном эфире и метаноле( (Machlis, Torrey,
с. 136).
б. Колоночная хроматография экстрактов из листьев.
Порошок окиси магния; обработка петролейным эфи-
ром и бензолом (Machiis, Torrey, с. 138).
в. Колоночная хроматография экстракта водорослей.
Абсорбент — трикальцийфосфат, обработка фосфат-
ным буфером pH 6 (Dunn, Arditti, с. 36).
г. Тонкослойная хроматография. Силикагель на стек-
лянной подложке; обработка петролейным эфиром и
ацетоном (Bowen, с. 129).
9.4. Реакция Хилла в выделенных хлоропластах
а. Восстановление красителя дихлорфенолиндофенола
хлоропластами. Измерять с помощью колориметра
или спектрофотометра (Machlis, Torrey, с. 141; Bo-
wen, с. 135; Dunn, Arditti, с.43).
б. Выделение кислорода в присутствии феррицианида
калия как акцептора электронов. Измерять с по-
мощью манометра Варбурга или кислородного элект-
рода (Hall, Hawkins, с. 151; Packer, с. 174).
9.5. Спектры действия фиксации СО2 в водорослях
Взять одноклеточные водоросли, например Chlorella
или Scenedesmus. Измерить потребление радиоактивно-
го 14С-бикарбоната на свету разных длин волн. Восполь-
зоваться пленочными цветными светофильтрами, на-
пример «Cinemoid» производства Rank Strand Electric,
London, WC2 (Dunn, Arditti, c. 38).
9.6. Синтез ATP выделенными хлоропластами
Измерить расход (убыль) неорганического фосфата в
ходе реакции образования АТР на свету. Использовать
в опыте радиоактивный 32Р не обязательно (Dunn, Ar-
ditti, с. 43).
Литература
123
Литература
Цитируемая литература
Bowen W. R., 1969. Experimental Ceil Biology; An Elementary Labo-
ratory Guide, Collier Macmillan, London.
Dunn A., Arditti J., 1968. Experimental Physiology: Experiments in
Cellular, General and Plant Physiology, Holt, Rinehart and Win-
ston, London.
Hall D. 0., Hawkins S. E. (eds.), 1975. Laboratory Manual of Cell
Biology, The English University Press.
Packer L„ 1967. Experiments in Cell Physiology, Academic Press,
New York.
Page R. M„ 1967. Plants as Organisms: Laboratory Studies of Plant
Structure and Function, W. H. Freeman. London and San Fran-
cisco.
Machlis L., Torrey J. G., 1959. Plants in Action, W. H. Freeman, San
Francisco.
См. также:
Coombs J., Hall D. 0., 1981. Techniques in Photosynthesis and Bio-
productivity, Pergamon Press, Oxford.
Kirby T. IF., Clark H. P., 1971. Experimental Biology, Oxford Uni-
versity Press.
Krogmann D. IF., 1971. Molecules, Measurement, Meanings,
W. H. Freeman, San Francisco.
San Pietro A (ed.), 1980. Methods in Enzymology, Vol. 69, Part C,
' Photosynthesis and Ns Fixation, Asademic Press, New York.
Withan F. H., Blaydes D. F„ Devlin R. M. 1971. Experiments in Plant
Physiology, Van Nostrand Reinhold, New York and London.
Дополнительная литература
Книги для неспециалистов
Anderson J. IF., 1980. Bioenergetics of Autotrophs and Heterotrophs,
Studies in Biology, No. 126, Edward Arnold, London.
Fogg G. E. 1972. Photosynthesis, 2nd ed., Hodder and Stoughton,
London.
Gregory R. P. F., 1976. Biochemistry of Photosynthesis, 2nd ed. Wi-
ley-Interscience, London.
Heath G. V. S., 1969. The Physiological Aspects of Photosynthesis,
Heinemann Educational Books, London. [Имеется перевод: Хит О.
Фотосинтез (физиологические аспекты). — М.: Мир, 1972.]
Rabinowitch Е., Govindjee, 1969. Photosynthesis, John Wiley, New
York.
Tribe M.., Whittaker P., 1981. Chloroplasts and Mitochondria, Studies
in Biology. No. 31, Edward Arnold, London.
Whatley J. M., Whatley F. R., 1980. Light and Plant Life, Studies in
Biology, No. 124, Edward Arnold, London.
Статьи из „Scientific American”
Bassham J. A., (1962). The Path of Carbon in Photosynthesis.
Bjorkman O., Berry J. (1973). High-efficiency photosynthesis, 229 (4),
80-93.
124
Литература
Govindjee, Govindjee R. (1974). The Absorption of Light in Photosyn-
thesis.
Hinkle P. C., McCarty R. E: (1978). How cells make ATP, 238 (3),
104—1231
Levine R. P., Goodenough U. W7. (1970). The Genetic Activity of Mito-
chondria and Chloroplasts.
Miller K. R., (1979). The photosynthetic membrane, 241 (4), 100—113.
Общие статьи no биохимии фотосинтеза
Bennet J. (1979). The protein that harvests sunlight, 4, 268—271.
Buchanan В. B., Wolosiuk R. A., Schumann P. (1979). Thibredoxin
and enzyme regulation, 4, 93—96.
Chollet R. (1977). The biochemistry of photorespiration, 2, 155—159.
Cifferri 0. (1978). The chloroplast DNA mystery, 3, 256—258.
Ellis R. 1. (1979). The most abundant protein in the world, 4, 241 —
244.
Foyer С. H., Hall D. 0. (1980). Oxygen metabolism in the active
chloroplast, 5, 188—191.
Hatch M. D. (1977). C< pathway of photosynthesis: Mechanism and
physiological function, 2, 199—202.
Heber U., Walker D. A. (1979). The chloroplast envelope — barrier or
bridge, 4, 252—256.
Marrs B., Wall 1. D., Gest H. (1977). Emergence of the biochemical
genetics and molecular biology of the photosynthetic bacteria. 2,
105—IOS.
Более специализированные книги и статьи
Akoyunoglou G. (ed.) (1981). Proc. V. Inti. Congress of Photosynthe-
sis, International Science Services, Rehovot, Israel.
Barber 1. (ed.) (1976—1979). Topics in Photosynthesis, Vol. 1—3,
Elsevier, Amsterdam.
Bassham 1. A. (1977). Increasing crop production through more cont-
rolled photosynthesis, Science, 197, 630—638.
Berry Bjorkman O. (1980). Photosynthetic response and adaptation
to temperature in higher plants, Ann. Rev. Plant Physiol., 31,
491—453.
Bjorn L. O. (1976). Light and Life, Hodder and Stoughton, London.
Blankenship R. E., Parson W. W. (1979). The photochemical electron
transfer reactions of photosynthetic bacteria and plants, Ann. Rev.
Biochem., 47, 635—654.
Bolton 1. R., Hall D. O. (1979). Photochemical conversion and stora-
ge of solar energy, Ann. Rev. Energy, 4, 353—401.
Buchanan В. B., (1980). Role of light in the regulation of chloroplast
enzymes, Ann. Rev. Plant Physiol., 31, 341—374.
Carlson P. (ed.) (1980). The Biology of Crop Productivity, Academic
Press, New York.
Chapman D. J., Ragan M. A., (1980). Evolution of biochemical
pathways: evidence from comparative biochemistry, Ann. Rev.
Plant Physiol., 31, 639—678.
Ciba Fndn. Symposium 61, 1979. Chlorophyll Organization and Ener-
gy Transfer in Photosynthesis, Exerpta Medica, Amsterdam.
Литература
125
Clayton R. К., Slstrom W. R. (eds.). 1978. The photosynthetic bacte-
ria, Plenum Press, New York.
Clayton R. K. (1980). Photosynthesis, Physical Mechanisms and Che-
mical Patterns, Cambridge University Press.
Gibbs M., Latzko E. (eds.) (1978). Encyc. Plant Physiol., Vol. 5,
Photosynthesis II. Regulation of photosynthetic carbon metabolism
and related processes, Springer-Verlag, Berlin.
Govindjee (ed.) (1975). Bioenergetics of Photosynthesis, Academic
Press, London.
Hall D. 0., Coombs J., Goodwin T. W. (eds.) (1978). Proc, of IVth.
Int. Cong, on Photosynthesis. The Biochemical Society, London.
Hall D. 0. (1979). Solar energy through biology,— past, present and
future, Solar Energy, 22, 307—323.
Halliwell B. (1978). The chloroplast at work, Prog. Biophys. Mol.
Biol., 33, 1—54.
Hill R. (1965). The Biochemist’s green mansions: the photosynthetic
electron transport chain in plants, in Essays in Biochemistry,
Vol. 1, Academic Press, London.
Jensen R. G., Bahr 1. T. (1977). Ribulose 1,5-biphosphate carboxylase-
oxygenase, Ann. Rev. Plant Physiol., 28, 379—400.
Kirk J. T. 0., Tilney-Bassett R. A. G. (1978). The Plastids, 2nd ed.,
Elsevier, Amsterdam.
Lehninger A. L. (1975). Biochemistry, 2nd ed., Worth, New York.
[Имеется перевод 1-го изд.: Ленинджер А. Биохимия. — М.:
Мир, 1974.]
McCarty R. Е. (1980). Photosynthetic phosphorylation by chloroplasts
of higher plants, Photochem. Photobiol. Rev., 5, 1—48.
Metzner H. (ed.) (1978). Photosynthetic Oxygen Evolution, Academic
Press, London.
Nobel P. S. (1974). Introduction to Biophysical Plant Physiology,
W. H. Freeman, San Francisco.
Osmond С. B. (1978). Crassulacean acid metabolism: A curiosity in
context, Ann. Rev. Plant Physiol., 29, 379—414.
Rao К. K., Hall D. 0., Cammack R. (1981). The photosynthetic appa-
ratus. In: Biochemical Evolution, ed. H. Gutfreund, pp. 150—202,
Cambridge University Press, Cambridge.
Reinert J. (ed.) (1980) Chloroplasts, Vol. 10 in Results and Problems
in Cell Differentiation, Springer-Verlag, Berlin.
Ruhland W. (ed.) (1960) Encyc. Plant Physiology. Vol. 5, Springer-
Verlag, Berlin.
Sanadi D. R. Vernon L. P. (eds.) (1978). Current Topics in Bioener-
getics, Vols 8A and 8B. Photosynthesis, Academic Press, New
York.
San Pietro A. (ed.) (1980). Methods in Enzymology, Vol. 69, Part C.
Photosynthesis and Nitrogen Fixation, Academic Press, New York.
Sauer K. (1978). Photosynthetic membranes, Accounts Chem. Res.,
11, 257—264.
Science (1975). Vol. 188, No 4188, May 9 (специальный выпуск, по-
священный проблемам пищи).
Shavit N. (1980). Energy transduction in chloroplasts, Ann. Rev. Bio-
chem., 49, 111—138.
Siegelman H. W., Hind G. (eds.) (1978). Photosynthetic carbon assi-
milation, Plenum Press, New York.
126 Литература
Stumpf Р. К.., Conn Е. Е. (eds.) (1980). The Biochemistry of Plants,
Vol. 1. In: The Plant Cell, ed. N. E. Tolbert, Academic Press,
London.
Trebst A., Avron M. (eds.) (1977). Encyc. Plant Physiol., Vol. 5,
Photosynthesis I. Photosynthetic electron transport and photo-
phosphorylation. Springer-Verlag, Berlin.
Velthuys B. R. (1980). Mechanism of electron flow in Photosystem II
and toward Photosystem I, Ann. Rev. Plant Physiol., 31, 545—
567.
Walker A. (1979). Energy, Plants and Man, Packard Pub. Ltd.,
Chichester, U. K-
Woolhouse H. W. (1978). Light-gathering and carbon assimilation,
process in photosynthesis, their adaptive modifications and signi-
ficance for agriculture, Endeavour, 2, 35—46.
Wortman S. (1980). World food and nutrition: the scientific and
technological base, Science, 209, 157—164.
Zelitch I. (1979). Photosynthesis and plant productivity, Chem. and
Eng. News (U. S. A.) Feb. 5, pp. 28—48.
Предметный указатель
Аденозинтрифосфат (АТР) 12,
’ 68, 77, 119
Аденозинтрифосфатаза (АТР-
аза) 66, 119
Аллофикоциании 42, 45, 47
Антенна см. Светособирающие
пигменты
Бактериальный фотосинтез
104—113
Бактерии фотосинтезирующие
104, 106
Бактериофеофитии 105
Бактериохлорофилл 104
Биомасса 15
Варбурга респирометр 24
Водоросли 38, 42
Гликолат 92, 100, 101
Гликолатный метаболизм 100,
101
Граны 35
Двуокись углерода см. Угле-
кислота
Дихлорфенилдиметилмочевина
(ДХММ) 63, 64, 76
Железо-серные центры 70, 75
Изотопы радиоактивные, при-
менение в исследовании фото-
синтеза, —|4С 84—87
—18О 100
Ионы, перенос см. Перенос ио-
нов
Кальвина (и Бенсона) цикл 51
Каротиноиды 41—45
Квант света см. Свет, кванты
Квантовый выход 58
— расход 58
Кислород, выделение при фо-
тосинтезе 65, 68, 119
Кислородный электрод 24, 25,
79
Кранц-типа анатомия 49
Крахмал, зерна 52
— синтез 115
Ксантофилл 46
Ламелла 34, 35
Малат 98, 93
Мелера реакция 81
Мезофилл, клетки 50
— хлоропласты 51
Метаболизм кислот по типу
толстянковых 98
Миграция энергии см. Перенос
128
Предметный указатель
энергии
Митчелла гипотеза 77
Мутанты 66, 76
NADH 109
NADPH 68, 71, 77, 94
Нанометр (нм) 15
Обкладка сосудистых пучков,
клетки 50, 51
-------- хлоропласты 52
Окисление и восстановление мо-
лекулы 68
Окислительно-восстановитель-
ный потенциал 68, 69
Оксалоацетат 96, 97
Перенос ионов 118
— протонов 68
— электронов 31, 67—83
-----в бактериях 108, 109
— — нециклический 70, 71
----- псевдоциклический 81
------- циклический 78
— энергии 56
Переносчики электронов 68
Пигменты,, разделение 122
— Peso 64, 65
— Р7оо 48, 49, 63
— Р84о 109
— Р87о 107, 108
— Р89о 107, 108
— светособирающие см. Свето-
собирающие пигменты
Пигмент-белковые комплексы
66
Пластохинон 48,, 70, 75
— пул 118
Пластоцианин 47, 70, 75
Протопласты 114
Радиоавтография 86
Растения С3-типа (или С3-рас-
тения) 28, 51, 102
— С4-типа (или С4-растения)
28, 49—52
----общие свойства, 102
----фиксация углекислоты 96
---- фотосинтетический аппа-
рат 49—52
Реакционный центр 48
Рибулозобифосфат (РуБФ) 88,
101, 102
Рибулозобифосфат-карбоксила-
за (РуБФ-карбоксилаза) 88,
101, 102
Риске белок (Fe—S-центр) 75
S-состояния системы, выделя-
ющей кислород 65
Сахароза, синтез 115
Свет, длина волны 15
— излучение 16
— кванты 17
— поглощение 17, 55
— частота 18
— энергия кванта 17
Световые реакции фотосинтеза
28, 29, 61
Светособирающие пигменты 48
Синглетное состояние молеку-
лы 53
Солнечная энергия 15, 16
Сопрягающий фактор 77, 119
Спектрофотометрия дифферен-
циальная 62, 63, 108
Спектры действия фотосинтеза
58
— поглощения и излучения све-
та молекулами 54
----каротиноидов 45, 46
---- фикобилипротеидов 47
П редметный указатель
129
-----фотосинтезирующих бак-
терий 105
— — хлорофиллов 43
Спин электрона 53
Строма 35
Z-схема см. Хилла и Бендалла
схема
Темновые реакции фотосинтеза
28, 29
Тилакоид 35
Тиоредоксин 115
Транспорт электронов см. Пе-
ренос электронов
Триозофосфат 90, 91
Триплетное состояние молеку-
лы 55
Углекислота, восстановление до
углеводов 11, 32
— фиксация у бактерий 109,
НО
----- в метаболизме по типу
толстянковых 98, 99
-------- темноте и на свету 82
—-------Сз-цикле 63, 64
--------С4-цикле 63, 64, 96
----- способы исследования
84—87
----- энергетика 93—96
— цикл в атмосфере и клетке
Углекислотный компенсацион-
ный пункт 27, 28
Ферредоксин 47, 80
Ферредоксин —NADP-редукта-
за 47
Фикобилины 41, 42
Фикоцианин 42, 47, 60
Фикоэритрин 42, 47, 60
Фитопланктон 116
Флуоресценция 55
— сенсибилизированная 56
Фосфогликолат 99, 100
Фосфоглицериновая кислота
(ФГК) 85, 88
Фосфоенолпируват 97, 98
Фосфоенолпируват-карбоксила-
за 97, 98
Фосфоресценция 55
Фотодыхание 99
Фотон 17
Фоторазложение воды 65
Фотосинтез, влияние интенсив-
ности света 26
-----концентрации СО2 27, 28
-----температуры 27
— исследование с помощью ла-
зеров 108
— история исследования 20
— красное падение 58
— моделирование 120
— определение 11
— продуктивность 116
—• разделение зарядов 64, 108
— регуляция светом 114
— скорость процессов 67
— темновые реакции 28, 29
— транспорт электронов и
фосфорилирование 67
— эффективность 14, 116,
•— Z-схема 62
Фотосинтез, эволюция 112
Фотосинтезирующие бактерии
см. Бактерии фотосинтези-
рующие
Фотосинтетическая единица
(ФСБ) у бактерий 107, 108
----- в хлоропластах 48
Фотосинтетически активная ра-
диация 14
Фотосинтетический аппарат у
130
Предметный указатель
бактерий 107, 108
— — — Сз-растений и водо-
рослей 33—38
Фотосистема I и фотосистема
II 60, 64, 66, 72
Фотосистемы, разделение 66
Фотофосфорилирование у бак-
терий 109, 111
— нециклическое 71, 72
— псевдоциклическое 81
— циклическое 78—80
Хилла и Бендалла схема 62
Хилла реакция 31
Хлоропласты, пигменты 41—47
— происхождение и развитие
117
— способы выделения 40, 41
— структурная организация
35—38, 116
— типы А и С 39
Хлорофилл a/е, комплекс с бел-
ком 66
Хлорофиллы 41—44, 57
— определение концентрация
44
— структурные формулы 44
— флуоресценция 57
Хроматография 66
Хроматофоры 107
Центрифугирование дифферен-
циальное 66
Цианобактерии 38, 112
Цитохром 66 47, 62, 75
Цитохром f 47, 62, 63, 66, 74,
75
Эволюция фотосинтеза 112
Эйнштейн 18
Электромагнитное излучение 15
Электронвольт 19
Электронный парамагнитный
резонанс 64, 75
Электрофорез 66
Эмерсона эффект 59
Оглавление
Предисловие редактора перевода............................... 5
Предисловие к третьему изданию............................... 9
1. Значение и роль фотосинтеза............................. 11
1.1. Основной источник энергии . . ............ 11
1.2. Цикл двуокиси углевода............................. 12
1.3. Превращения энергии и эффективность фотосинтеза 14
1.4. Спектр солнечного излучения........................ 15
1.5. Квантовая теория................................... 16
1.6. Единицы энергии.................................... 18
2. История и развитие идей.................................. 20
2.1. Первые открытия.................................... 20
2.2. Дальнейшее развитие методов изучения фотосинтеза 23
2.3. Лимитирующие факторы............................... 25
2.4. Световые и темновые реакции. Опыты со вспышками
света ................................................ 28
2.5. Важные открытия. Формирование новых представле-
ний .................................................. 29
3. Фотосинтетический аппарат........................ 33
3.1. Выделение хлоропластов из листьев........... 38
3.2. Пигменты хлоропластов....................... 41
3.3. Фотосинтетическая единица ......................... 48
3.4. Фотосинтетический аппарат растений С«-типа ... 49
4. Поглощение и излучение света атомами и молекулами . . 53
4.1. Временные соотношения; флуоресценция и фосфорес-
ценция ............................................... 55
4.2. Перенос энергии. Сенсибилизированная флуоресценция 56
4.3. Эффект Эмерсона и две световые реакции .... 57
4.4. Реакционные центры и первичные акцепторы элект-
рона ........................................... 63
4.5. Выделение кислорода при фотосинтезе................ 65
4.6. Опыты по разделению двух фотосистем............... 65
5. Транспорт электронов и фосфорилирование при фотосин-
тезе ....................................................... 67
132
Оглавление
5.1. Окисление и восстановление переносчиков электрона 68
5.2. Два типа фотосинтетического фосфорилирования . . 69
5.3. Нециклический транспорт электронов............................ 71
5.4. Циклический транспорт электронов и фосфорилиро-
вание ................................................ 78
5.5. Связь структуры и функции..................................... 82
6. Фиксация двуокиси углерода........................ 84
6.1. Техника эксперимента......................... 84
6.2. Углеродный цикл при фотосинтезе (цикл Кальвина) 87
6.3. Взаимосвязь структуры и функции.............. 93
6.4. Энергетика фиксации СО2...................... 93
6.5. С4-путь фиксации СО2......................... 96
6.6. Метаболизм кислот по типу толстянковых (Crassula-
сеае) ................................................. 98
6.7. Фотодыхание и метаболизм гликолевой кислоты . . 99
7. Бактериальный фотосинтез.......................... 104
7.1. Классификация фотосинтезирующих бактерий . . . 104
7.2. Фотосинтетические пигменты и фотосинтетический ап-
парат ............................................... 104
7.3. Фиксация углекислоты......................... 109
7.4. Экологическая и эволюционная роль фотосинтезиру-
ющих бактерий ........................................ 111
Химические термины................................................ 113
8. Исследования в области фотосинтеза................................ 114
9. Лабораторные работы............................................... 121
9.1. Связь между содержанием хлорофилла, синтезом
крахмала и фиксацией СО2.............................. 121
9.2. Фотосинтез у Elodea и одноклеточных водорослей . 121
9.3. Разделение и хроматография пигментов хлоропластов 122
9.4. Реакция Хилла в выделенных хлоропластах .... 122
9.5. Спектры действия фиксации СО2 в водорослях . 122
9.6. Синтез АТР выделенными хлоропластами......................... 122
Литература .......................................................... 123
Предметный указатель................................................. 127
Д. Холл, К. Рао
ФОТОСИНТЕЗ
Ст. научи, редактор Л. Г. Тер-Саркнсян
Мл. научи, редактор Н. Ю. Плавинская
Художник Е. М. Баринова
Художественный редактор А. В. Лисицын
Технический редактор Н. И. Манохина
Корректор Т. П. Пашковская
ИБ № 3571
Сдано в набор 08.02.83. Подписано к печати 20.07.83. Формат
84X108V32. Объем 2,13 бум. л. Бумага типографская № 1. Гарни-
тура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 7,14. Усл. кр.-
отт. 7,43. Уч.-изд. л. 6,36. Изд. № 4/2579. Тираж 5000. Зак. 134.
Цена 90 к.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
Москва, И-110, ГСП, 1-й Рижский пер., 2.
Ярославский полиграфкомбинат Союзполиграфпрома при Госу-
дарственном комитете СССР по делам издательств, полигра-
фии и книжной торговли. 150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.
90 к.