Нециклический транспорт электронов и нециклическое фотофосфорилирование

В ФСII димер П₆₈₀, поглотив энергию, эквивалентную 2 квантам коротковолнового красного света, и перейдя в синглетное возбужденное состояние П₆₈₀^*, отдает 2 электрона феофетину (Фф).

От Фф электроны, теряя энергию, последовательно передаются на пластохиноны ФС II – Q_A и Q_B, на пул липидорастворимых молекул пластохинона (PQ), переносящих через липидную фазу мембраны электроны и протоны, на железосерный белок FeS_R и цитохром f цитохромного комплекса b₆ – f, восстанавливая Cu-содержащий белок пластоцианин (Пц).

Вакантные места («дырки») в П₆₈₀ заполняются двумя электронами из содержащего Мn переносчика электронов Z, который в свою очередь восстанавливается с участием системы S. Окисленный белковый комплекс S связывает воду и восстанавливается за счет электронов воды. Для осуществления этой реакции в белковом комплексе S необходимы Мn, Сl^– и Са^{2 +}.

При возбуждении П₇₀₀ в реакционном центре ФС I энергией, эквивалентной 2 квантам длинноволнового красного света, 2 электрона захватываются мономерной формой хлорофилла a (A₁) и затем последовательно передаются переносчикам электронов А₂ и Ав (железосерные белки FeS), ферредоксину (водорастворимый FeS-белок) и ферредоксин:NADP-оксидоредуктазе с FAD в качестве кофактора. Наконец, редуктаза восстанавливает NADP ⁺.

На вакантные места в П⁺₇₀₀ переходят электроны с Пц, и нециклическая цепь переноса электронов таким образом замыкается.

Энергия, освобождающаяся при движении электронов от П₆₈₀ (Е'^о = – 0,8 В) до П₇₀₀ (Е'^о = +0,4 В), используется для синтеза АТР из ADP и неорганического фосфата (фотофосфорилирование).

Таким образом, нециклический транспорт электронов сопровождается выделением кислорода и восстановлением НАДФ+ и сопряжен с синтезом АТФ (нециклическое фотофосфорилирование).

Циклический транспорт электронов и циклическое фотофосфорилирование.

Циклический транспорт электронов осуществляется отдельно в ФС I или ФСII.

Циклический транспорт в ФС I включает перенос электронов от восстановленого ферредоксина(Фдвост.) обратно к окисленному П⁺₇₀₀. В этом случае возбужденные молекулы П₇₀₀ последовательно отдают электроны на А₁, А₂, А_В, Фд, PQ, цитохром b₆, FeS_R, цитохром f, Пц и, наконец, П₇₀₀. При этом NADP+ не восста­навливается. Освобождающаяся энергия используется для фосфорилирования ADP.

Циклический поток электронов с участием ФСI сопряжен с с синтезом АТФ (циклическое фотофосфорилирование) и может обеспечивать дополнительный синтез АТФ, необходимый для ассимиляции углерода. Он может быть альтернативным путем использования энергии света при его высоких интенсивностях.

Циклический транспорт электронов в ФС II связан с обратным переносом электронов от восстановленных первичных хинонов QA и QB к окисленному пигменту П⁺₆₈₀. При этом участвуют цитохром b₅₅₉, β -каротин и сопровождающие молекулы хлорофилла а РЦ ФСII.

Является альтернативным путем использования энергии света. Он активируется в условиях, когда интенсивность света превышает возможности ЭТЦ утилизировать его энергию или при повреждении водоокисляющей системы хлоропластов.

Псевдоциклический транспорт электронов – перенос электронов от воды на кислород – впервые был исследован А. Меллером (1951) и назван реакция Меллера.

Восстановление кислорода может происходить как в ФС I, так и в ФС II. При этом поглощение кислорода может компенсировать его выделение в ходе окисления Н₂О. В результате единственным продуктом этого процесса, как и в случае циклического транспорта электронов, будут АТФ, синтезируемая при псевдоциклическом фотофосфорилированиии.

 

Лекция 4. Электронтранспортная цепь митохондрий растительной клетки: структурная организация, основные компоненты, их окислительно-восстановительные потенциалы. Пять состояний дыхательной цепи переноса электронов (по Чансу)

Дыхательная электронтранспортная цепь (ЭТЦ), локализована во внутренней мембране митохондрий и служит для передачи электронов от восстанов­ленных субстратов на кислород, что сопровождается транс­мембранным переносом ионов Н⁺. Таким образом, ЭТЦ митохондрий (как и тилакоидов) выполняет функцию окисли­тельно-восстановительной Н⁺-помпы.

Б. Чанс и др. (США) в 50-х годах, используя значения окислительно-восстановительных потенциалов известных в то время переносчиков е⁻, спектрофотометрические данные о вре­менной последовательности их восстановления и результаты ингибиторного анализа, расположили компоненты ЭТЦ мито­хондрий в следующем порядке:

Сукцинат ФАД 1/2О₂+2Н⁺

Е°' -0,045

НАДН ФМН Q Цит Цит Цит Цит

b c₁ c a, a₃

Е°', В Н₂О

-0,320 -0,300 +0,070 +0,080 +0,235 +0,250 0,300

 

Пара электронов от НАДH или сукцината передается по ЭТЦ до кислорода, который, восстанавливаясь и присоединяя два протона, образует воду.

Основным фактором, определяющим способность какого-либо соединения присоединять или отдавать электроны, является соот­ношение величин окислительных потенциалов данного соединения и соединения, с которым оно взаимодействует. Непосредственное взаимодействие соединений, имеющих различные потенциалы, осуществляется самопроизволь­но тем успешнее, чем меньше различия между их потенциалами. В дыхательной цепи перенос электро­на от НАДН (Е° = -0,32) на О₂ (Е° = +0,82) идет через цепь переносчиков по градиенту, т. е. от соединений с более отрицательным к соединениям с более положительным редокс-потенциалом. По величине положительного потенциала более всего к потен­циалу кислорода приближается цитохромоксидаза. К потенциалу дыхательного субстрата наиболее близки потенциалы, свойственные пиридиннуклеотидам, и т. д.

Согласно современным данным дыхательная цепь мито­хондрий включает в себя четыре основных мультиэнзимных комплекса и два небольших по молекулярной массе компо­нента — убихинон и цитохром с.

Комп­лекс I осуществляет перенос электронов от NADH к убихинону Q. Его субстратом служат молекулы внутримитохондриального NADH, восстанавливающиеся в цикле Кребса. В состав комплекса входит флавиновая FMN-зависимая NADH-убихинон-оксидоредуктаза, содержащая три железосерных центра.

Комплекс II катализирует окисление сукцината убихиноном. Эту функцию осуществляют флавиновая (FAD-зависимая) сукцинат убихинон-оксидоредуктаза, в состав которой также входят три железосерных центра.

Комплекс III переносит электроны от восстановлен­ного убихинона к цитохрому с, т. е. функционирует как убихинол-цитохром с-оксидоредуктаза. В своем составе он содержит цитохромы b₅₅₆ и b ₅₆₀, цитохром с₁ и железосерный белок Риске. В присутствии убихинона комплекс III осу­ществляет активный трансмембранный перенос протонов.

В терминальном комплексе IV электроны переносятся от цитохрома с к кислороду, т. е. этот комплекс является цитохром с -кислород-оксидоредуктазой (цитохромоксидазой). В его состав входят четыре редокс-компонента: цитохромы а и а₃ и два атома меди. Цитохром а₃ и Сu_В способны взаимодействовать с О₂, на который передаются электроны с цитохрома а−Cu_А Транспорт электронов через комплекс IV сопряжен с активным транспортом ионов Н ⁺.

В результате изучения пространственного расположения компонентов ЭТЦ во внутренней мембране митохондрий показано, что комплексы I, III и IV пересекают мембрану. Именно в этих трех участках окислительные процессы в ЭТЦ сопрягаются с синтезом АТР. Передача 2е− от сукцината на убихинон в комплексе II не сопровождается трансмембранным переносом протонов.

Пять состояний дыхательной цепи переноса электронов (по Чансу)

Согласно Чансу митохондрии могут находиться в пяти состоя­ниях:

I) дыхание осуществляется только за счет имеющихся в интактных митохондриях эндогенных субстратов и систем окисления и фосфолирования;

II) наступает после дополнительного внесения субстрата фосфорилирования (АДФ). Лимитирующим фактором в этих условиях является субстрат. Все элементы ЭТЦ в данных условиях находятся в окисленном состоянии;

III) возникает после совместного внесения АДФ и субстрата окисления, что сопровождается резким активированием процесса. Лимитировать дыхание может только проницаемость митохондриальных мембран и скорость окисления;

IV) наступает вследствие исчерпания всей внесенной АДФ и ее превращения в АТФ. Наблюдающееся в этих условиях торможение дыхания и соответствует тому, что называют дыхательным контролем.

Дополнительное внесение АДФ при наличии кислорода обус­ловливает новое активирование дыхания и фосфорилирования;

V) соответствует полному поглощению кислорода и возникновению условии, необходимых для анаэробного процесса, в результате чего все компоненты ЭТЦ находятся в восстановленной форме.