Эволюция биологических механизмов запасания энергии
Со временем все меньше ультрафиолетовых квантов достигало поверхности
Земли. Причиной тому было образование озонового слоя атмосферы в условиях
повышения в ней концентрации кислорода. Кислород образовывался, по-
видимому, вследствие фотолиза паров воды под действием того же
ультрафиолетового облучения. Чтобы выжить в новых условиях, древние
клетки должны были переключиться с ультрафиолетового света на какой-либо
иной источник энергии, все еще доступный для них в новых условиях. Таким
источником стал, вероятно, видимый свет.
[pic]
Рис. 3. Как первичная клетка могла избавиться от ионов НГ, образуемых
гликолизом: а - облегченная диффузия ионов Н+ посредством белка (фактора
F0), образующего Непроводящий путь сквозь клеточную мембрану; б -
комплекс факторов F0 и F, (Н+ - АТФаза) активно откачивает из клетки ионы
Н+ за счет гидролиза АТФ. Мембранные липиды показаны горизонтальной
штриховкой, белки не заштрихованы
Другой сценарий эволюции мог бы состоять в том, что возникновение
фотосинтеза, использующего видимый свет, произошло еще до помутнения
атмосферы, а именно при проникновении жизни в более глубокие уровни
океана, лишенные ультрафиолета. Замена опасного ультрафиолетового
излучения на безопасный видимый свет могла бы быть тем признаком, который
лег в основу естественного отбора на данном этапе эволюции. В рамках этой
концепции создание озонового слоя имеет биогенную природу, явившись
результатом фотолиза воды системой хлорофилльного фотосинтеза зеленых
бактерий и цианобактерий.
Новый фотосинтез должен был, как и прежде, образовывать АТФ, который к
тому времени уже прочно занял место в центре метаболической карты,
выполняя роль "конвертируемой энергетической валюты" клетки. Однако
аденин уже не мог играть роль улавливающей свет антенны, так как его
максимум поглощения находится в ультрафиолетовой, а не в видимой области
спектра. До нас дошли два типа фотосинтетических устройств, использующих
видимый свет. В качестве антенны в одном из них служит хлорофилл, а в
другом — производное витамина А, ретиналь, соединение с особым белком,
названным бактериородопсином. Хлорофилл обнаружен у зеленых растений и
почти у всех фотосинтезирующих бактерий. Исключение составляет одна
группа соле- и теплоустойчивых архебактерий, содержащих бактериородопсин.
Тем не менее именно бактериородопсин выглядит как эволюционно первичный
механизм запасания клеткой энергии видимого света.
Бактериородопсин — светозависимый протонный насос. Он способен активно
откачивать ионы Н+ из клетки за счет энергии видимого света, поглощенного
ретиналевой частью его молекулы. В результате световая энергия
превращается в трансмембранную разность электрохимических потенциалов
ионов Н+ (сокращенно протонный потенциал, или ?[pic]Н+). Для бактерий
?[pic]Н+ - это свободная энергия ионов Н+, откачанных из клетки во
внешнюю среду. Ионы Н+ как бы стремятся вернуться в клетку, где их стало
меньше и где возник недостаток положительных электрических зарядов из-за
действия бактериородопсинового Н+ - насоса. Энергия света, запасенная
таким образом в виде ?[pic]Н-, освободится, если позволить ионам Н+ войти
обратно в клетку. У микробов, имеющих бактериородопсин, ионы Н+ входят
через комплекс факторов F0 и F1 таким образом, что освобождающаяся
энергия используется для синтеза АТФ. Нетрудно представить себе, как
возник фотосинтез АТФ, катализируемый бактериородопсином и комплексом
F0F1 С появлением бактериородопсина клетка научилась создавать ДДН+ за
счет видимого света, а эта ?[pic]Н+, образовавшись, просто развернула
вспять Н+ - АТФазную реакцию, существовавшую ранее в качестве механизма
откачки из клетки гликолитических ионов Н+. Так комплекс F0F1 мог
превратиться из АТФазы в АТФ-синтетазу (рис. 4).
Устройство бактериородопсина намного проще системы хлорофилльного
фотосинтеза. Белковая часть бактериородопсина представляет собой одну
полипептидную цепь средней длины, которая не содержит других коферментов
и простетических групп, кроме ретиналя. Бактериородопсин чрезвычайно
устойчив: без потери активности его можно кипятить в автоклаве при +
130°С, изменять содержание NaCl в омывающем мембрану растворе от нуля до
насыщения, в широких пределах менять рН этого раствора. Более того, можно
удалить выступающие из мембраны концевые участки полипептидной цепи и
даже расщепить эту цепь в одном месте по середине без ущерба для
активности насоса. В то же время эффективность бактериородопсина как
преобразователя энергии сравнительно низка: всего 20% энергии светового
кванта превращается в ?[pic]Н+. При этом на один поглощенный квант через
мембрану переносится один ион Н+.
[pic]
Рис. 4. Бактериородопсиновый фотосинтез со-лелюбивых архебактерий.
Ионы 1-Г откачиваются из клетки бактериородопсином - белком, содержащим
ретиналь в качестве хромофора, то есть группировки, поглощающей видимый
свет. Ионы Н* возвращаются в клетку, двигаясь "под гору" через Н+
-АТФазный комплекс F0F,. При этом оказывается, что Н+ - АТФаза
катализирует обратную реакцию, то есть синтез АТФ, а не его гидролиз
Хлорофилльный фотосинтез
Хлорофилльный фотосинтез отличается от бактериородопсинового большей
эффективностью использования светового кванта. Он устроен таким образом,
что либо на каждый квант переносится через мембрану не один, а два иона
Н+, либо помимо транспорта Н+ происходит запасание энергии в форме
углеводов, синтезируемых из С02 и Н2О. Вот почему бактериородопсиновый
фотосинтез был оттеснен эволюцией с авансцены. Он сохранился только у
бактерий, живущих в экстремальных условиях, где более сложный и менее
устойчивый хлорофилльный фотосинтез, по-видимому, просто не может
существовать.
Хлорофилльный фотосинтез катализируется ферментной системой,
включающей несколько белков. Квант света поглощается хлорофиллом,
молекула которого, перейдя в возбужденное состояние, передает один из
своих электронов в фотосинтетическую цепь переноса электронов. Эта цепь
представляет собой последовательность окислительно-восстановительных
ферментов и коферментов, находящихся во внутренней мембране бактерий или
хлоропластов растений, где локализованы также белки, связанные с
хлорофиллом. Компоненты цепи содержат, как правило, ионы металлов с
переменной валентностью (железо, медь, реже марганец или никель). При
этом железо может входить в состав тема (в таком случае белки называются
цитохромами). Большую роль играют также негемовые железопротеиды, где ион
железа связан с белком через серу цистеина или реже азот гистидина.
Помимо ионов металлов роль переносчиков электронов играют производные
хинонов, такие, как убихинон, пластохинон и витамины группы К.
Перенос по цепи электрона, отнятого от возбужденного хлорофилла,
завершается по-разному в зависимости от типа фотосинтеза. У зеленых
бактерий, использующих комплекс хлорофилла и белка, называемый
фотосистемой 1 (рис. 5, а), продуктом оказывается НАДН, то есть
восстановленная форма НАД+. Восстанавливаясь, то есть присоединяя два
электрона, НАД+ связывает также один Н+. В дальнейшем образованный таким
образом НАДН окисляется, передавая свой водород на различные субстраты
биосинтезов.
Что касается хлорофилла, окисленного цепью, то у зеленых серных
бактерий он получит недостающий электрон от сероводорода (H,S). В
результате образуются также элементарная сера и ион Н+. Белок, окисляющий
H2S, расположен на внешней поверхности бактериальной мембраны, а белок,
восстанавливающий НАД+, — на внутренней ее поверхности. Вот почему
оказывается, что запускаемый светом перенос электронов от H,S к НАД"1"
образует ионы Н+ снаружи и потребляет их внутри бактерии. При этом
внутренний объем клетки заряжается отрицательно относительно внешнего.
Тем самым создается ?[pic]Н+, которая потребляется Н+ - АТФ-синтазой
(комплексом факторов F0 и F,), образующей АТФ при переносе ионов Н "под
гору", то есть снаружи внутрь.
Другой тип бактериального фотосинтеза обнаружен у пурпурных бактерий
(рис. 5. б). Здесь действует набор ферментов, отличающихся от ферментного
комплекса зеленых бактерий. Это несущая хлорофилл фотосистема 2 и
комплекс III. Как и в предыдущем случае, процесс начинается с поглощения
кванта хлорофиллом. Первоначатьно перенос электронов происходит по
фотосистеме 2.
Затем вступает комплекс III, способный транспортировать электроны
сопряженно с откачкой ионов Н+ из бактерии. Процесс завершается
возвращением электрона с комплекса III на хлорофилл. Что касается ионов
Н+, то они возвращаются в клетку через Н+-АТФ-синтазу, образуя АТФ.
Отличительная черта фотосинтеза у пурпурных бактерий состоит в том,
