В. П. Скулачёв
Эволюция механизмов запасания энергии

Введение

Использование внешних энергетических ресурсов для совершения полезной работы — универсальная функция всех живых систем. Столь же непреложным фактом является то обстоятельство, что химия современной жизни базируется прежде всего на процессах, осуществляемых белками и нуклеиновыми кислотами. Что касается белков, то их выдающаяся роль в жизненных явлениях объясняется, скорее всего, необычайным разнообразием свойств молекул этого класса, обусловленным наличием в их структуре самых различных химических группировок, которые удаётся уникальным образом расположить в пространстве. Вот почему среди биохимиков бытует афоризм: „Белок может всё“. Однако в явном противоречии с этой максимой находится факт, состоящий в том, что такие важнейшие функции клетки, как хранение и реализация генетической информации, обеспечиваются прежде всего нуклеиновыми кислотами, а составляющие их мономеры-нуклеотиды используются клеткой в качестве коферментов и „конвертируемой энергетической валюты“. В принципе можно представить себе, например, особый белок, кодирующий структуру других белков (как думал когда-то Н.К. Кольцов) или коферменты, сделанные из аминокислот либо других веществ ненуклеотидной природы. И если этого в действительности не происходит, то нужно искать какие-то достаточно веские основания. Ниже изложена концепция, предполагающая, что решение загадки лежит в происхождении жизни.

Современные биохимические механизмы, без сомнения, несут на себе отпечаток эволюционного прошлого, так сказать, „родимые пятна“ своей истории. Не исключено, что выбор пал на нуклеиновые кислоты по причине, сегодня уже не актуальной, но сыгравшей решающую роль на заре становления живых систем.

Исходной посылкой в нашем рассуждении будет гипотеза о том, что в те далёкие времена, когда зарождалась жизнь, азотистые основания нуклеотидов служили той антенной, которая улавливала ультрафиолетовые кванты, ответственные, как мы полагаем, за энергообеспечение первичных биохимических реакций. В развитие этой системы взглядов рассмотрим возможные пути возникновения основных энергетических механизмов современных живых существ.

«Ультрафиолетовый фотосинтез» с аденином в качестве антенны, улавливающей свет

Синтез АТФ из АДФ под действием ультрафиолетового света. Путь от смеси органических и неорганических молекул к первой живой клетке был, по-видимому, столь долог, что требовался некий постоянный источник энергии, доступный в течение всего периода возникновения жизни. Среди возможных кандидатов на роль такого источника, пожалуй, предпочтительнее всего ультрафиолетовый свет. Он поглощается любыми химическими веществами, резко повышая их реакционную способность благодаря большому запасу энергии ультрафиолетового кванта. Есть основания считать, что на заре биологической эволюции ультрафиолетовые кванты свободно достигали поверхности Земли, лишённой в те времена современной кислородсодержащей атмосферы с её поглощающим ультрафиолетовый свет озоновым слоем.

Моделируя атмосферу древнейшей Земли, К. Саган пришёл к выводу о существовании в ней „окна“ в области 240–290 нм, прозрачного для ультрафиолетового света, поскольку основные простые компоненты этой атмосферы (H2O, CH4, NH3, CO2, CO и HCN) поглощают свет короче 240 нм, а формальдегид, также входивший, как полагают, в её состав, имеет максимум поглощения длиннее 290 нм. Именно в этом „окне“ располагаются спектральные максимумы пуринов и пиримидинов.

Ещё в 60-е годы С. Понамперума и сотрудники экспериментально показали, что облучение ультрафиолетовым светом синильной кислоты ведёт к химическому синтезу аденина и гуанина. Обнаружено также, что облучение смеси метана, аммиака, водорода и воды вызывает образование как пуринов, так и пиримидинов, причём с наибольшим выходом для аденина. Ультрафиолетовый свет можно использовать также для синтеза аденозина из аденина и рибозы и далее аденозинмоно- и дифосфатов из аденозина и этилметафосфата. Но, пожалуй, наиболее важный опыт был поставлен теми же авторами с АДФ. Оказалось, что облучение смеси АДФ и этилметафосфата ультрафиолетовым светом даёт АТФ с достаточно хорошим выходом, причём этот процесс демонстрируется в строго стерильных условиях и в отсутствие каких-либо белков.

Схема «аденинового» фотосинтеза - предполагаемого первичного механизма запасания энергии в живой клетке. Квант ультрафиолетового света поглощается адениновой частью аденозиндифосфата (АДФ), переводя её в возбуждённое состояние. Возбуждение облегчает присоединение неорганического фосфата (Ф) к аминогруппе аденина. В результате образуется ФАДФ, изомер аденозинтрифосфата (АТФ), где третий фосфат присоединён не к пирофосфатному «хвосту», а к адениновой «голове» АДФ. Затем происходит перенос фосфата от «головы» к «хвосту» с образованием обычного АТФ
Рис. 1.  Схема „аденинового“ фотосинтеза — предполагаемого первичного механизма запасания энергии в живой клетке. Квант ультрафиолетового света поглощается адениновой частью аденозиндифосфата (АДФ), переводя её в возбуждённое состояние. Возбуждение облегчает присоединение неорганического фосфата (Ф) к аминогруппе аденина. В результате образуется ФАДФ, изомер аденозинтрифосфата (АТФ), где третий фосфат присоединён не к пирофосфатному „хвосту“, а к адениновой „голове“ АДФ. Затем происходит перенос фосфата от „головы“ к „хвосту“ с образованием обычного АТФ.
К. Саган и С. Понамперума приводят следующие доводы в пользу заключения о том, что в качестве антенны для ультрафиолетового света аденин имеет преимущества по сравнению с другими пуринами и пиримидинами: 1) наибольшее поглощение света в спектральном „окне“, о котором шла речь выше; 2) наибольшая стабильность к разрушительному действию ультрафиолетового света и 3) большее время жизни возбуждённого состояния, возникающего в ответ на поглощение ультрафиолетового кванта.

Расчёты Л.А. Блюменфельда и М.И. Тёмкина привлекли наше внимание к тому факту, что величины изменения свободной энергии при нарушении ароматической структуры аденина близки к энергии реакции синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата.

Приняв во внимание все названные выше обстоятельства, мы предположили следующий механизм фосфорилирования за счёт ультрафиолетового света в первичных живых клетках:

    1) адениновая часть АДФ поглощает ультрафиолетовый квант, что переводит её в возбуждённое состояние с нарушенной системой двойных связей. При этом аминогруппа аденина, соответствующая в обычном состоянии ароматической, приобретает свойства алифатической, что облегчает её электрофильную атаку атомом фосфора неорганического фосфата;

    2) возбуждённый аденин АДФ фосфорилируется, давая изомер АТФ, третий фосфорил которого находится при аминогруппе аденина;

    3) фосфорил переносится с аденина на конечный (второй) фосфат АДФ. Такой перенос должен облегчаться тем обстоятельством, что расстояние между аминогруппой аденина и вторым фосфатом в АДФ в точности равно размеру ещё одного (третьего) фосфатного остатка. Перенос фосфорила с адениновой „головы“ нуклеотида на фосфатный „хвост“ должен сопровождаться его стабилизацией, поскольку весьма лабильный фосфоамид заменяется на менее лабильный фосфоангидрид (рис. 1).

Стадии 2 и 3 гипотетичны и призваны объяснить механизм синтеза АТФ под действием ультрафиолетового света в опытах С. Понамперумы и сотрудников [3].

Аденинсодержащие коферменты

Аденин и реже другие пурины или пиримидины входят в состав ключевых коферментов и простетических групп ферментов, таких, как никотинамидадениндинуклеотид (НАД+), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ+), флавинадениндинуклеотид (ФАД), кофермент А (КоА), тиаминопирофосфат (производное витамина B1, витамин B12. Все эти соединения, как правило, построены по одному и тому же принципу. Они содержат: 1) ту или иную функциональную группу, непосредственно участвующую в катализе, 2) пурин или реже пиримидин и 3) гибкую связку, позволяющую сблизить две другие части молекулы. Особенно наглядно устройство динуклеотидов: в них плоские остатки никотинамида (в НАД+ и НАДФ+) или изоаллоксазина (в ФАД) лежат на также плоском остатке аденина. Продемонстрирован перенос энергии от остатка аденина к остатку никотинамида или изоаллоксазина в ответ на поглощение аденином ультрафиолетового кванта. Поэтому можно предположить, что аденин, возбуждаясь ультрафиолетовым светом, передавал энергию на функциональную группу кофермента, который использовал эту энергию для проведения энергоёмких химических реакций (например, восстановления простых веществ среды до более сложных соединений первичной клетки).

РНК, ДНК, белки и мембраны

В дальнейшем не слишком специфичный и нерегулируемый катализ, осуществляемый низкомолекулярными коферментами, был дополнен (а затем и вытеснен) процессами с участием высокомолекулярных катализаторов-ферментов, отличающихся огромной избирательностью в отношении субстратов и возможностью регулировать катализ. По-видимому, первыми ферментами были рибонуклеиновые кислоты (РНК) — полимеры, составленные из мономеров-нуклеотидов. Можно полагать, что адениновый фотосинтез катализировался комплексами РНК с магниевыми солями АДФ и фосфата. При этом РНК могла бы выполнять также роль антенны, собирающей ультрафиолетовый свет и передающей возбуждение на АДФ.

Надо сказать, что ещё и сегодня в некоторых (весьма немногочисленных) случаях биохимические реакции могут катализироваться в искусственных условиях рибонуклеиновыми кислотами (так называемыми рибозимами). Однако несомненно, что каталитические функции современных организмов осуществляются белками, обладающими гораздо большим, чем РНК, разнообразием химических группировок и их сочетаний.

Синтез белков, включая кодирование их структуры, первоначально осуществлялся рибонуклеиновыми кислотами. Затем функция кодирования была передана дезоксирибонуклеиновым кислотам (ДНК), а сам катализ стал обслуживаться комплексами РНК и специальных белков (рибосомами и факторами трансляции), информационными и транспортными РНК и соответствующими ферментами.

Другим важнейшим изобретением биологической эволюции стали жиры и жироподобные вещества, прежде всего фосфолипиды. Замечательной особенностью фосфолипидов является их способность самопроизвольно, без какой-либо помощи извне, образовывать тончайшую плёнку, непроницаемую для гидрофильных веществ, таких, как нуклеотиды-коферменты, РНК, ДНК, белки и углеводы. Эта плёнка (мембрана) представляет собой бислой, образованный двумя рядами молекул фосфолипидов, соприкасающихся гидрофобными (углеводородными) „хвостами“. При этом гидрофильные „головы“ (фосфатные остатки) фосфолипидов оказываются на двух противоположных поверхностях мембраны.

С образованием мембран стало возможно говорить о первичной живой клетке, содержимое которой было отделено от внешней среды достаточно надёжным барьером. Появление клетки как обособленного мельчайшего пузырька могло бы сыграть роль в защите от неблагоприятных эффектов ультрафиолетового облучения.

Как избежать разрушительных эффектов ультрафиолетового света

Запасные энергетические ресурсы и гликолиз

Ультрафиолетовый свет — обоюдоострое оружие. Он хорош тем, что способен развязать разнообразные химические реакции, среди которых могут быть полезные, как, например, фосфорилирование адениновой аминогруппы АДФ. Но в то же время (и по той же причине) ультрафиолетовый свет опасен: он может разрушить уже синтезированные молекулы живой клетки. Одним из способов уменьшить ультрафиолетовую опасность могли стать запасные вещества — энергетические ресурсы, образуемые на свету, чтобы затем использоваться в темноте.
Энергетика первичной живой клетки, основанная на «адениновом» фотосинтезе. Предполагается, что ультрафиолетовые кванты, достигая поверхности первичного океана, использовались клеткой для синтеза АТФ, который запускал синтез углеводородов (гликогенез). Клетка, увлекаемая потоком океанской воды с поверхности на некоторую глубину, оказывалась вне досягаемости ультрафиолетового облучения. Здесь происходило расщепление накопленных углеводов и синтез АТФ, использовавшегося для совершения клеткой различных типов полезной работы
Рис. 2.  Энергетика первичной живой клетки, основанная на „адениновом“ фотосинтезе. Предполагается, что ультрафиолетовые кванты, достигая поверхности первичного океана, использовались клеткой для синтеза АТФ, который запускал синтез углеводородов (гликогенез). Клетка, увлекаемая потоком океанской воды с поверхности на некоторую глубину, оказывалась вне досягаемости ультрафиолетового облучения. Здесь происходило расщепление накопленных углеводов и синтез АТФ, использовавшегося для совершения клеткой различных типов полезной работы.
Ультрафиолетовый свет, достигающий поверхности океана, не может проникать на сколько-нибудь значительную глубину из-за мутности, наличия растворённых веществ, поглощающих ультрафиолетовые кванты и, быть может, флуктуации плотности морской воды. Фактически только очень тонкий поверхностный слой подвергается бомбардировке этими квантами. Данное обстоятельство позволяет предположить следующий механизм энергообеспечения первичных живых клеток. Под действием движения слоёв жидкости в океане клетки постоянно циркулировали между тонкой верхней плёнкой воды, доступной для ультрафиолетового света, и более глубокими слоями, которых он не достигал. При этом вблизи поверхности происходил синтез АТФ, использовавшегося для образования резервных соединений, которые затем расщеплялись на глубине, поддерживая ресинтез АТФ. В результате короткие экспозиции на ультрафиолетовом свету чередовались с гораздо более длительными периодами, где ультрафиолетовой опасности уже не было (рис. 2). Кроме того, резервные вещества помогали клеткам пережить ночь.

Хорошими кандидатами на роль энергетического резерва первичных клеток могли быть неорганические пиро- и полифосфаты. Они и сегодня играют эту роль у некоторых видов живых существ. Например, в клетках грибов полифосфаты образуются из АТФ в условиях избытка энергетических ресурсов и расщепляются, давая АТФ, при дефиците источников энергии. Однако в подавляющем большинстве дошедших до нас организмов функцию легко мобилизуемого энергетического резерва выполняют не полифосфаты, а углеводы. Их синтез за счёт энергии АТФ (гликогенез) представляет собой длинную последовательность реакций, намного более сложную, чем синтез полифосфатов из АТФ.

Преимущество углеводов перед полифосфатами состоит в том, что в них запасены не только энергия, но и „строительный материал“. Расщепление углеводов (гликолиз) даёт помимо АТФ карбоновые кислоты, такие, как пировиноградная кислота, которая может использоваться клеткой при биосинтезе самых разнообразных соединений.

Описаны два основных типа гликолиза. В одном случае (спиртовое брожение) конечными продуктами расщепления углеводов оказываются этиловый спирт и углекислый газ — вещества, легко проникающие через мембрану клетки. Это обстоятельство имеет как преимущества (нет проблемы переполнения клетки конечными продуктами гликолиза), так и недостатки (трудно вернуться назад, к углеводу, если конечные продукты уже вышли из клетки и разбавились в океане внешней среды).

Указанный недостаток отсутствует во втором, сегодня гораздо более распространённом типе гликолиза, когда конечным продуктом оказывается молочная или какая-либо другая карбоновая кислота. Молочная кислота не проникает через мембрану, не покидает пределы клетки и потому может быть использована клеткой для ресинтеза углеводов, когда возникает такая возможность. Неудачно лишь то, что молекулы молочной кислоты, образуясь, диссоциируют с образованием ионов лактата и водорода. Последние также не могут пройти через мембрану, остаются в клетке и закисляют её содержимое. Закисление, если его не предотвратить, должно привести к гибели клетки из-за кислотной денатурации белков. Решение этой проблемы описано в следующем разделе.

Протонные каналы и H+-АТФаза предотвращают закисление клетки при гликолизе

У современных клеток проблема проникновения через клеточную мембрану веществ, которые сами по себе не могут сквозь неё пройти, решается с помощью встроенных в мембрану белков-переносчиков. В частности, известны белки — переносчики ионов H+. Так называемый фактор F0 белок, входящий в состав H+-АТФ-синтазы, действует как переносчик H+ или протонный канал.

Как первичная клетка могла избавиться от ионов H+, образуемых гликолизом: а — облегчённая диффузия ионов H+ посредством белка (фактора F0), образующего H+-проводящий путь сквозь клеточную мембрану; б — комплекс факторов F0 и F1 (Н+-АТФаза) активно откачивает из клетки ионы Н+ за счёт гидролиза АТФ. Мембранные липиды показаны горизонтальной штриховкой, белки не заштрихованы.
Рис. 3.  Как первичная клетка могла избавиться от ионов H+, образуемых гликолизом: а — облегчённая диффузия ионов H+ посредством белка (фактора F0), образующего H+-проводящий путь сквозь клеточную мембрану; б — комплекс факторов F0 и F1 +-АТФаза) активно откачивает из клетки ионы H+ за счёт гидролиза АТФ. Мембранные липиды показаны горизонтальной штриховкой, белки не заштрихованы.
Можно предположить, что у первичных гликолизирующих клеток фактор F0 функционировал при отсутствии фактора F1; второго компонента H+-АТФ-синтазы, разрешая ионам H+, образующимся при гликолизе, покинуть пределы клетки. Тем самым предотвращалось закисление внутриклеточной среды, которая оказывалась в равновесии по ионам H+ с внеклеточной средой. Единственным ограничением гликолиза в такой ситуации должно было стать закисление внеклеточной среды, что автоматически вело к закислению содержимого клетки. Снять данное ограничение можно было достроив белок — переносчик ионов H+ (фактор F0) другим белком, называемым фактором F1; способным использовать энергию АТФ для активной откачки из клетки ионов H+ через фактор F0. Известно, что H+-АТФ-синтаза (комплекс факторов F0 и F1), действуя в обратном направлении, способна катализировать вместо синтеза АТФ гидролиз АТФ, сопряжённый с откачкой ионов H+. Этот процесс носит название H+-АТФазной реакции. Можно полагать, что с образованием H+-АТФазы завершилось формирование первичной клетки, использовавшей ультрафиолетовый свет в качестве источника энергии для жизнедеятельности (рис. 3).

Возникновение фотосинтеза, использующего видимый свет

Бактериородопсиновый фотосинтез

Со временем всё 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, всё ещё доступный для них в новых условиях. Таким источником стал, вероятно, видимый свет.

Другой сценарий эволюции мог бы состоять в том, что возникновение фотосинтеза, использующего видимый свет, произошло ещё до помутнения атмосферы, а именно при проникновении жизни в более глубокие уровни океана, лишённые ультрафиолета. Замена опасного ультрафиолетового излучения на безопасный видимый свет могла бы быть тем признаком, который лёг 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 зелёных 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 A, ретиналь, соединение с особым белком, названным бактериородопсином. Хлорофилл обнаружен у зелёных 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.

Бактериородопсиновый фотосинтез солелюбивых архебактерий. Ионы H+ откачиваются из клетки бактериородопсином — белком, содержащим ретиналь в качестве хромофора, то есть группировки, поглощающей видимый свет. Ионы H+ возвращаются в клетку, двигаясь „под гору“ через H+-АТФазный комплекс F0F1. При этом оказывается, что H+-АТФаза катализирует обратную реакцию, то есть синтез АТФ, а не его гидролиз.
Рис. 4.  Бактериородопсиновый фотосинтез солелюбивых архебактерий. Ионы H+ откачиваются из клетки бактериородопсином — белком, содержащим ретиналь в качестве хромофора, то есть группировки, поглощающей видимый свет. Ионы H+ возвращаются в клетку, двигаясь „под гору“ через H+-АТФазный комплекс F0F1. При этом оказывается, что H+-АТФаза катализирует обратную реакцию, то есть синтез АТФ, а не его гидролиз.
Бактериородопсин — светозависимый протонный насос. Он способен активно откачивать ионы H+ из клетки за счёт энергии видимого света, поглощённого ретиналевой частью его молекулы. В результате световая энергия превращается в трансмембранную разность электрохимических потенциалов ионов H+ (сокращённо протонный потенциал, или ΔμH+). Для бактерий ΔμH+ это свободная энергия ионов H+, откачанных из клетки во внешнюю среду. Ионы H+ как бы стремятся вернуться в клетку, где их стало меньше и где возник недостаток положительных электрических зарядов из-за действия бактериородопсинового H+-насоса. Энергия света, запасённая таким образом в виде ΔμH+, освободится, если позволить ионам H+ войти обратно в клетку. У микробов, имеющих бактериородопсин, ионы H+ 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 ΔμH+ за счёт видимого света, а эта ΔμH+, образовавшись, просто развернула вспять H+-АТФазную реакцию, существовавшую ранее в качестве механизма откачки из клетки гликолитических ионов H+. 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 ΔμH+. При этом на один поглощённый квант через мембрану переносится один ион H+.

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 H+, либо помимо транспорта H+ происходит запасание энергии в форме углеводов, синтезируемых из CO2 и H2O. Вот почему бактериородопсиновый фотосинтез был оттеснён 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 зелёных серных (а) и пурпурных (б) бактерий: а - хлорофилл, связанный с особым белковым комплексом - фотосистемой 1 (ФС1), возбуждается квантом света и отдаёт электрон по цепи электронных переносчиков на НАД+. Восстанавливаясь, НАД+ связывает внутриклеточный ион Н+. Потеря электрона на хлорофилле компенсируется окислением сероводорода до серы и иона H+ снаружи бактериальной клетки. Движение Н+ внутрь клетки через комплекс F0F1 даёт АТФ; б - хлорофилл, связанный с белком фотосистемы 2 (ФС2), поглощает квант света и запускает циклический перенос электронов. В этом процессе участвуют переносчики электронов ФС2 и дополнительного белкового комплекса III. Перенос электронов комплексом III сопряжён с откачкой ионов Н+ из клетки. Откачанные ионы Н+ возвращаются через комплекс F0F1 с образованием АТФ.
Рис. 5.  Хлорофилльный фотосинтез зелёных серных (а) и пурпурных (б) бактерий:
а — хлорофилл, связанный с особым белковым комплексом — фотосистемой 1 (ФС1), возбуждается квантом света и отдаёт электрон по цепи электронных переносчиков на НАД+. Восстанавливаясь, НАД+ связывает внутриклеточный ион H+. Потеря электрона на хлорофилле компенсируется окислением сероводорода до серы и иона H+ снаружи бактериальной клетки. Движение H+ внутрь клетки через комплекс F0F1 даёт АТФ;
б — хлорофилл, связанный с белком фотосистемы 2 (ФС2), поглощает квант света и запускает циклический перенос электронов. В этом процессе участвуют переносчики электронов ФС2 и дополнительного белкового комплекса III. Перенос электронов комплексом III сопряжён с откачкой ионов H+ из клетки. Откачанные ионы H+ возвращаются через комплекс F0F1 с образованием АТФ.
Хлорофилльный фотосинтез катализируется ферментной системой, включающей несколько белков. Квант света поглощается хлорофиллом, молекула которого, перейдя в возбуждённое 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 гема (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 K.

Перенос по цепи электрона, отнятого от возбуждённого хлорофилла, завершается по-разному в зависимости от типа фотосинтеза. У зелёных бактерий, использующих комплекс хлорофилла и белка, называемый фотосистемой 1 (рис. 5, а), продуктом оказывается НАДH, то есть восстановленная форма НАД+. Восстанавливаясь, то есть присоединяя два электрона, НАД+ связывает также один H+. В дальнейшем образованный таким образом НАДH окисляется, передавая свой водород на различные субстраты биосинтезов.

Что касается хлорофилла, окисленного цепью, то у зелёных серных бактерий он получит недостающий электрон от сероводорода (H2S). В результате образуются также элементарная сера и ион H+. Белок, окисляющий H2S, расположен на внешней поверхности бактериальной мембраны, а белок, восстанавливающий НАД+, — на внутренней её поверхности. Вот почему оказывается, что запускаемый светом перенос электронов от H2S к НАД+ образует ионы H+ снаружи и потребляет их внутри бактерии. При этом внутренний объём клетки заряжается отрицательно относительно внешнего. Тем самым создаётся ΔμH+, которая потребляется H+-АТФ-синтазой (комплексом факторов F0 и F1), образующей АТФ при переносе ионов H „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 зелёных бактерий. Это несущая хлорофилл фотосистема 2 и комплекс III. Как и в предыдущем случае, процесс начинается с поглощения кванта хлорофиллом. Первоначально перенос электронов происходит по фотосистеме 2.

Затем вступает комплекс III, способный транспортировать электроны сопряжённо с откачкой ионов H+ из бактерии. Процесс завершается возвращением электрона с комплекса III на хлорофилл. Что касается ионов H+, то они возвращаются в клетку через H+–АТФ-синтазу, образуя АТФ.

Отличительная черта фотосинтеза у пурпурных бактерий состоит в том, что система не нуждается во внешнем доноре электронов. Откачка ионов H+ осуществляется путём циклического переноса электронов, поддерживаемого энергией света. Данное обстоятельство можно отнести, по-видимому, на счёт эволюционного усовершенствования фотосинтеза пурпурными бактериями, которые по многим признакам являются эволюционно более продвинутой группой, чем зелёные серные бактерии.

Хлорофилльный фотосинтез цианобактерии. Квант света, поглощённый хлорофиллом фотосистемы 1, возбуждает перенос электронов по цепи, что завершается восстановлением НАДФ+ до НАДФH. Окисленный хлорофилл фотосистемы 1 восстанавливается комплексом III, который, в свою очередь, получает электрон от фотосистемы 2. Донирование электрона фотосистемой 2 требует ещё одного кванта света (поглощаемого хлорофиллом этой фотосистемы). Потеря электрона на хлорофилле фотосистемы 2 компенсируется за счет окисления молекулы воды до O2 и H+. Ферменты, катализирующие всю цепь реакций переноса электрона от H2O до НАДФ+, расположены в мембране таким образом, что ионы H+ откачиваются из бактериальной клетки, чтобы затем войти внутрь через F0F1 и сделать АТФ. В хлоропластах зелёных растений происходят те же события, но ориентация всех ферментов противоположна той, которая имеет место у цианобактерии и показана на рис. 6. Соответственно у хлоропластов фотосинтетическая цепь накачивает ионы H+ внутрь, а комплекс F0F1 переносит их наружу.
Рис. 6.  Хлорофилльный фотосинтез цианобактерии. Квант света, поглощённый хлорофиллом фотосистемы 1, возбуждает перенос электронов по цепи, что завершается восстановлением НАДФ+ до НАДФH. Окисленный хлорофилл фотосистемы 1 восстанавливается комплексом III, который, в свою очередь, получает электрон от фотосистемы 2. Донирование электрона фотосистемой 2 требует ещё одного кванта света (поглощаемого хлорофиллом этой фотосистемы). Потеря электрона на хлорофилле фотосистемы 2 компенсируется за счёт окисления молекулы воды до O2 и H+. Ферменты, катализирующие всю цепь реакций переноса электрона от H2O до НАДФ+, расположены в мембране таким образом, что ионы H+ откачиваются из бактериальной клетки, чтобы затем войти внутрь через F0F1 и сделать АТФ. В хлоропластах зелёных растений происходят те же события, но ориентация всех ферментов противоположна той, которая имеет место у цианобактерии и показана на рис. 6. Соответственно у хлоропластов фотосинтетическая цепь накачивает ионы H+ внутрь, а комплекс F0F1 переносит их наружу.
Следующим шагом в эволюции фотосинтеза стали, по-видимому, цианобактерии. Цепь переноса электронов в этом случае представляет собой комбинацию: а) фотосистемы 1 зелёных бактерий, б) фотосистемы 2 и комплекса III пурпурных бактерий и в) дополнительного комплекса, расщепляющего воду на O2 и H+ (рис. 6). Фактически донором электронов вместо сероводорода (встречающегося в достаточных количествах лишь в некоторых природных нишах) служит вездесущая вода, запасы которой практически неограничены. В результате конечный акцептор электронов — НАДФ+ восстанавливается, а вода окисляется. Образующийся НАДФH окисляется затем сложной системой восстановления углекислого газа до глюкозы. Таким образом, фотосинтез цианобактерии параллельно с образованием АТФ даёт углевод — одно из главных резервных веществ современных живых клеток. Нет сомнений, что цианобактерия является эволюционным предшественником хлоропластов — органелл зелёных растений, энергетика которых устроена в основном по той же схеме, что показана на рис. 6.

Дыхательный механизм энергообеспечения

Побочным продуктом фотосинтеза у цианобактерии и растений служит молекулярный кислород. Нарастание его концентрации в атмосфере привело к появлению ферментов, убирающих этот сильный окислитель, опасный для жизнедеятельности. Вероятно, первой функцией ферментов, восстанавливающих O2 до H2O, было снижение внутриклеточной концентрации кислорода. Однако в дальнейшем аэробная клетка научилась извлекать пользу из этого процесса, создав дыхательную цепь электронного транспорта, сопряжённого с откачкой ионов H+.

Дыхательная цепь некоторых современных бактерий включает уже знакомый нам комплекс III, служащий связующим звеном между двумя другими белковыми комплексами. Однако это уже не фотосистемы 1 и 2, а ферменты, выполняющие функции, противоположные таковым у фотосистем 1 и 2. Ферменты, о которых идёт речь, были названы комплекс I и комплекс IV.

Комплекс I не восстанавливает никотинамидный нуклеотид, а окисляет его. Комплекс IV не окисляет воду до O2, а восстанавливает O2 до воды. В итоге мы имеем сложную цепь реакций, начинающихся с окисления НАДH и кончающихся восстановлением O2. Все три комплекса дыхательной цепи способны откачивать из клетки ионы H+ сопряжённо с переносом электронов (рис. 7).

Механизм дыхательного фосфорилирования в аэробных бактериях и митохондриях. Ферментные комплексы I, III и IV катализируют перенос электронов от НАДH к O2 с образованием воды. Перенос электронов сопряжён с откачкой ионов H+. Возвращение ионов H+ через F0F1 приводит к синтезу АТФ.
Рис. 7.  Механизм дыхательного фосфорилирования в аэробных бактериях и митохондриях. Ферментные комплексы I, III и IV катализируют перенос электронов от НАДH к O2 с образованием воды. Перенос электронов сопряжён с откачкой ионов H+. Возвращение ионов H+ через F0F1 приводит к синтезу АТФ.
Подобно тому как хлоропласты произошли от цианобактерий, митохондрии животных, растений и грибов ведут своё происхождение от аэробных бактерий. Поэтому неудивительно, что митохондриальная дыхательная цепь описывается той же схемой, что изображена на рис. 7.

Заключение

Знания, накопленные при изучении современных организмов различной степени сложности, позволяют сформулировать непротиворечивую концепцию эволюции биоэнергетических систем. Эта концепция даёт ключ к пониманию не только путей становления механизмов превращения энергии в клетке, но и позволяет объяснить, почему химия и физика живой клетки базируются на двух основных классах веществ: а) нуклеиновых кислотах и нуклеотидах и б) белках. Вкратце система взглядов, о которой идёт речь, может быть суммирована следующей схемой эволюции жизни.

    1. Образование азотистых оснований (пуринов и пиримидинов), а затем и нуклеотидов из H2O, NH3, CO2, HCN и некоторых других простейших соединений под действием ультрафиолетового излучения Солнца.

    2. Использование остатков аденина, а затем также других пуринов и пиримидинов в нуклеотидах для поглощения ультрафиолетового света. При этом энергия ультрафиолетовых квантов оказывается движущей силой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата или для осуществления других энергоёмких реакций коферментами-нуклеотидами (адениновый фотосинтез).

    3. Образование резервных веществ за счёт энергии АТФ (гликогенез) с тем, чтобы их последующее расщепление могло поддержать ресинтез АТФ при отсутствии ультрафиолетового света (гликолиз).

    4. Изменение спектральных свойств атмосферы, ставшей плохо проницаемой для ультрафиолета, и замена „аденинового“ фотосинтеза на фотосинтез, использующий видимый свет. В качестве пигментов используется ретиналь, а затем хлорофилл. В результате АТФ, бывший до того как преобразователем световой энергии, так и „конвертируемой энергетической валютой“, утрачивает первую из этих двух функций, сохранив только вторую.

    5. Увеличение концентрации O2 в атмосфере в результате деятельности фотосинтезирующих организмов и появление ферментов, поглощающих кислород с целью его детоксикации.

    6. Создание современных дыхательных систем, преобразующих в АТФ энергию окисления субстратов кислородом.

Литература
    1. Уайт А.,Хендлер Ф., Смит Р. и др. Основы биохимии. М.: Мир, 1981.
    2. Саган К.В. // Происхождение предбиологических систем /Под ред. А.И. Опарина. М.: Мир, 1966. С. 211.
    3. Понамперума С.В. //Тамже. С. 224.
    4. Скулачёв В.П. Аккумуляция энергии в клетке. М.: Наука, 1969.
    5. Скулачёв В.П. Мембранные преобразователи энергии. М.: Высш. ж., 1989.
    6. Скулачёв В.П. Энергетика биологических мембран. М.: Наука, 1989.
    7. Скулачёв В.П. Кислород в живой клетке: добро и зло // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 3. С. 4-16.
    8. Скулачёв В.П. Законы биоэнергетики //Там же. 1997. № 1. С. 9-14.
Об авторе:
Владимир Петрович Скулачёв
, действительный член Российской Академии наук, президент Российского биохимического общества, директор Института физико-химической биологии им. А.Н. Белозёрского МГУ. Автор фундаментальных работ по энергетике клетки, 300 статей в российских и международных журналах, шести монографий и одного учебника. Лауреат Государственной премии СССР, премии им. А.Н. Баха Президиума АН. Основатель отечественной школы энергетики биологических мембран. В течение многих лет читает курс биоэнергетики для студентов биологического факультета МГУ.

Соросовский образовательный журнал

Статьи близкой тематики:
Эволюция, митохондрии и кислород.  В. П. Скулачёв.
Неорганические полифосфаты.  И. С. Кулаев.
Сладкое топливо, прочные конструкции и другие углеводы.  М. Клейстер.


AthleticMed магазин спортивной медицины по низким ценам!
2007 Copyright © GenDNA.ru Мобильная Версия v.2015 | PeterLife и компания
Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт. Партнёрская программа.
Яндекс.Метрика Яндекс цитирования