|
gordon0030@yandex.ru |
||||||
Архив выпусков | Участники | |||||||
Фотосинтез и флуоресценция |
↓№ 272↑ 23.06.2003 39:46 | ||||||
Стенограмма эфира Каким образом свет, поглощаемый растением, трансформируется и перераспределяется в нем? Может ли испускаемая растением слабая флуоресценция служить индикатором «самочувствия» растений? О работе первичных стадий фотосинтеза — Участник: Рубин Андрей Борисович — Обзор темы Свет как питательный субстрат. Фотосинтез возник в процессе эволюции, придя на смену гетеротрофному способу питания, в котором изначально потреблялись абиогенно синтезированные питательные вещества. Можно сказать, что фотосинтез обязан своим «происхождением» своего рода экологическому кризису, возникшему в результате исчерпания на определенном этапе развития жизни органических ресурсов планеты. В настоящее время фотосинтез — главный процесс, обеспечивающий энергией все живое на Земле за счет энергии света. Достаточно сказать, что ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется около На начальных стадиях эволюции в качестве уловителей энергии света стали использоваться порфириновые молекулы ароматических соединений, которые до этого уже существовали на Земле. Теперешние фотосинтезирующие организмы обязательно содержат магнийпорфириновые пигменты — хлорофиллы. Известно больше десяти видов хлорофиллов, но все они поглощают свет видимой и инфракрасной частей спектра от 300 до 1100 нм. Для всех хлорофиллов характерно наличие нескольких максимумов поглощения и флуоресценции. Первичные процессы фотосинтеза. Суммарный процесс фотосинтеза высших растений можно разделить на две взаимосвязанные стадии: световую и темновую. Со времен К. А. Тимирязева было ясно, что центральное место в системе фотосинтеза занимают первичные фотопроцессы. Это реакции, в которых энергия света, поглощенная пигментами фотосинтезирующего организма, преобразуется непосредственно в энергию химических связей продуктов фотосинтеза. Раньше систему первичных процессов фотосинтеза называли системой световых реакций, где поглощение квантов света приводит к тому, что энергия электронного возбуждения молекул хлорофилла запасается в виде химической энергии молекул восстановленного никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ) и аденозинтрифосфата (АТФ). Эти соединения являются конечными продуктами световой стадии фотосинтеза. Они необходимы и достаточны для того, чтобы в темноте (без непосредственного участия света) произошло восстановление СО2 в цикле Кальвина. Основная проблема состоит в том, каковы механизмы этих начальных стадий фотосинтеза. Именно здесь находятся «энергетические ворота жизни», где происходит стыковка физических, биологических, биохимических, физиологических процессов, которые и создают энергетическую основу жизни на Земле и сопровождаются выделением кислорода в качестве побочного продукта фотосинтеза. Изучение системы первичных процессов требует усилий специалистов различного профиля: физиологов растений, биохимиков, биофизиков, физиков, математиков. По сравнению с другими биологическими системами первичные процессы фотосинтеза — очень своеобразный объект, где происходит непосредственное взаимодействие физических процессов (электронного возбуждения, транспорта электронов) с биологическими. Характер изменения первичных стадий фотосинтеза непосредственно отражается в изменении флуоресценции хлорофилла в фотосинтетических мембранах клеток. Флуоресценция хлорофилла способна обеспечивать резонансный перенос энергии, однако в то же время по так называемым индукционным кривым флуоресценции представляется возможным судить не только об эффективности энергозапасающих процессов фотосинтеза, но и о состояние мембран хлоропластов или даже экологических систем. Реакционные центры (РЦ) — это «приводные ремни» фотосинтеза, его ключевое звено. Они представляют собой «белковую машину», в которой происходит трансформация энергии электронного возбуждения. Принципы работы этой машины лежат также в основе функционирования других энергопреобразующих макромолекулярных комплексов трансформации энергии В частности, своеобразие В системе первичных процессов фотосинтеза высших растений РЦ обеспечивают перенос электрона с одной стороны мембраны на другую. В этом смысл работы РЦ фотосинтеза. Между макромолекулярными комплексами РЦ находятся подвижные переносчики, которые, получив электрон от фотосистемы 2, переносят его к фотосистеме 1. При переносе электронов внутри тилакоида одновременно накапливаются протоны, что лежит в основе движущей силы образования АТФ. Каковы же механизмы транспорта электрона, которые обеспечивают его эффективный и направленный перенос в макромолекулярных комплексах РЦ? Очевидно, здесь не годятся механизмы, связанные с обычными Важно подчеркнуть, что макромолекулярные комплексы — это та форма организации фотосинтетического аппарата, которая отвечает за общий характер и эффективность первичных процессов фотосинтеза. Вопрос о том, каков механизм переноса электрона в этих условиях, имеет важное значение. Электрон не просто переносится между переносчиками, а совершает работу по восстановлению соединений НАДФ и образованию АТФ в световой стадии. Понять, как происходит перенос электрона, — значит понять, как работает электрон в реальных условиях. Экспериментально установлено, что начальная фотохимическая реакция в РЦ — появление электрона на первичном акцепторе (I) и положительного заряда на фотоактивном хлорофилле (P) — происходит очень быстро и с большой эффективностью: Каким же образом происходит запасание энергии в РЦ? Поглощение света переводит молекулы в Дальнейший перенос электрона по цепи фотосинтеза приводит уже к восстановлению других переносчиков и в итоге к появлению конечных продуктов световой стадии (НАДФН и АТФ), которые вступят в обычные ферментативные реакции. Известно, что среднее время ферментативных реакций находится в диапазоне миллисекунд Фотоконформационный переход. Для того чтобы происходил эффективный перенос электрона между донорными и акцепторными группами переносчиков, необходимо, чтобы они были сориентированы определенным образом, то есть пришли в контактное состояние. Именно для формирования этого исходного контактного состояния необходимы определенные крупномасштабные Известно, что приход электрона в равновесную молекулу акцептора изменяет ее электронное состояние, а поскольку конформация молекулы должна соответствовать ее электронному состоянию, то при этом исходная конформация становится неравновесной. В результате возникают внутримолекулярные силы, которые стремятся привести молекулу в новое Это было продемонстрировано в опытах на РЦ, где молекулы пигмента и первичного хинона обмениваются электронами Однако ситуация принципиально меняется, если понижать температуру не в темноте, а одновременно с освещением образца. При освещении электрон попадает на хинон, где Таким образом, полученные результаты показывают, что скорости реакций переноса электрона зависят от того, в каком конформационном состоянии находится соответствующий переносчик. Конформация переносчиков меняется на свету, значит, и константы скоростей реакций в цепи фотосинтеза будут зависеть от условий предварительного освещения. Существуют физические и математические модели, которые позволяют описать такие конформационные движения. На основании теоретической обработки экспериментальных данных можно определить масштабы и времена смещений, внутримолекулярную вязкость. Необходимо также отметить следующее. Обычно перенос электрона по цепи фотосинтеза или митохондриальной дыхательной цепи представляется в виде движения шарика, катящегося вниз по лестнице, где каждая ступенька — энергетический уровень переносчика. В такой модели при переходе электрона на новую ступеньку часть энергии электрона либо расходуется в тепло, либо запасается в АТФ. Теперь эти представления в свете полученных результатов следует дополнить следующим образом. Каждый раз, попадая на соответствующую ступеньку, шарик, условно говоря, под действием силы тяжести вызывает поворот ступеньки (в результате Механизм переноса электрона. В реакционных центрах происходит быстрый (150 пс) перенос электрона на большие межмолекулярные расстояния, с одной стороны мембраны на другую (до 50 Å) Активная роль в этом процессе принадлежит белковому окружению Механизмы переноса электрона изучают в биофизике методами низкотемпературной фиксации объекта, которые позволяют исследовать кинетику процессов при пониженных температурах. Принципиальным результатом, который показал своеобразие первичных процессов фотосинтеза, является то, что процесс переноса электрона при низких температурах (−196 °C) протекает в реакционных центрах с высокими скоростями. Впервые это было установлено в начале В основе этого лежит так называемый туннельный эффект — квантовомеханическое явление. Электрон переносится между двумя молекулами переносчиков, разделенных барьером, в условиях, когда энергия электрона недостаточна для преодоления этого барьера. В классической физике в этих условиях перенос электрона был бы невозможен, поскольку при низких температурах он не может получить необходимую для преодоления барьера энергию. Квантовомеханический эффект состоит в том, что в силу своей волновой природы электрон как бы просачивается под барьером. Отсюда и название — туннельный перенос. Электрон туннелирует от одного переносчика к другому с вероятностью, которая зависит от ширины и высоты барьера: она экспоненциально уменьшается с увеличением этих параметров. Принципиальным обстоятельством является то, что в экспериментах перенос электрона в фотосинтетической цепи в реакционных центрах происходит с очень большой эффективностью и, следовательно, он должен происходить необратимо. Однако туннельный перенос возможен в принципе как от донора к акцептору, так и в обратном направлении. И в случае, если молекулы обладают одинаковыми размерами, эффективность переноса электрона составляет всего около 50%. Для того чтобы сделать перенос необратимым, нужно, чтобы во время пребывания электрона на молекуле акцептора он успел потерять часть энергии. Тогда совпадение уровней между донором и акцептором будет нарушено. Если при этом электрон успел локализоваться на акцепторе, то он уйдет дальше в цепь переносчиков и перенос на этом участке станет необратимым. Процесс туннелирования лежит в основе переноса электрона на многие межмолекулярные расстояния в фотосинтетических мембранах. Надо отметить, что туннельный перенос настолько эффективен, что происходит даже при комнатной температуре с большей эффективностью, чем обычный надбарьерный активационный перенос. Современная биофизика показывает совершенно определенную взаимосвязь между внутримолекулярной подвижностью белка РЦ и переносом электрона. Например, при понижении температуры происходит некоторое замедление переноса электрона на участке между первичным и вторичным акцепторами Однако существуют обратные реакции транспорта электронов, которые сопровождаются люминесценцией (флуоресценцией) хлорофилла. По величине флуоресценции, которая соответствует потерям поглощенной энергии света, можно судить об эффективности запасания энергии в начальных стадиях фотосинтеза. Флуоресцентные методы в экологическом мониторинге. Характер изменения первичных стадий фотосинтеза непосредственно отражается в изменении флуоресценции хлорофилла в фотосинтетических мембранах клеток. Флуоресценция хлорофилла является пока единственным показателем, который позволяет исследовать в живых объектах протекание фотохимических реакций, связанных с работой фотосистемы 2 высших растений (ответственной за разложение воды и выделение кислорода) — системы, наиболее чувствительной к факторам внешней среды таким как: экстремальные температуры, избыточная освещенность, соли тяжелых металлов, высушивание, повышение содержания солей в питательной среде. При активном фотосинтезе, когда все РЦ находятся в открытом рабочем состоянии, в условиях слабого освещения почти вся поглощенная энергия света используется в процессе фотосинтеза. Поэтому интенсивность флуоресценции хлорофилла в клетке намного ниже, чем в растворе. Однако и здесь небольшая часть энергии электронного возбуждения (не более 3%) переходит в энергию света флуоресценции в виде так называемой фоновой флуоресценции F0. Как правило, в нормальных условиях величина F0 мала, что говорит об активном использовании клетками энергии поглощенного света. Но если при Флуоресценция фитопланктона. Для исследования флуоресценции фитопланктона в природных водоемах на кафедре биофизики биологического факультета МГУ разработан специальный прибор (погружной Использование погружной аппаратуры для регистрации параметров флуоресценции хлорофилла показало пространственную неоднородность распределения количества клеток и активности фотосинтеза в популяции фитопланктона. Во многих водоемах максимальная эффективность фотосинтетического аппарата не всегда совпадает с максимумом концентрации фитопланктона, однако коррелирует с обеспеченностью минеральным питанием фитопланктона. Например, в низкопродуктивных районах Тихого океана, Средиземного моря и озера Байкал значения Индукционные кривые флуоресценции, отражающие увеличение интенсивности флуоресценции после начала освещения, является совокупным результатом фотосинтетических процессов в мембранах фотосинтезирующих организмов. В популяции, как правило, могут присутствовать индивидуальные клетки, находящиеся в различных физиологических состояниях, которые связаны с различным уровнем фотосинтеза. Это проявляется в различном уровне флуоресценции, а также в различных формах индукционных кривых разгорания флуоресценции хлорофилла в этих клетках. С помощью микрофлуоресцентного микроскопа можно получить набор различных типов кривых индукции флуоресценции, снятых от одиночных клеток. Набор таких кривых может быть показателем гетерогенного состояния популяции в целом. Не вдаваясь в детальный анализ, отметим, что с помощью статистических методов обработки таких кривых можно построить диаграммы состояния популяции и проследить динамику его изменения. В природных условиях (Черное море) применение этого метода позволяло выявить, как меняется гетерогенный состав популяций в районах с различным уровнем антропогенных загрязнений. Там, где условия наименее благоприятные, преобладают клетки с такими типами индукционных кривых, где имеется высокий уровень флуоресценции, что указывает на низкую эффективность использования света в фотосинтезе. Замедленная флуоресценция. Другим источником информации о характере функционирования фотосинтетического аппарата является процесс замедленной флуоресценции (ЗФ), обнаруженный Арноном и Стреллером в 1951 году. Это явление состоит в том, что после светового возбуждения в фотосинтезирующих клетках наблюдается слабое (сверхслабое), длительно затухающее свечение, испускаемое хлорофиллом. Такое свечение возникает уже после прекращения флуоресценции (F0) за счет энергии, выделяемой в ходе темновых реакций первичных фотопродуктов фотосинтеза в РЦ. Было показано, что интенсивность ЗФ пропорциональна количеству РЦ в состоянии Р+А1− с разделенными зарядами. Это состояние зависит от скорости последующих стадий переноса электрона. При действии повреждающих факторов на фотосинтетический аппарат концентрация РЦ в состоянии Р+А1− может изменяться. Это позволяет использовать ЗФ для обнаружения загрязнений в различных средах обитания растений. Искусственный фотосинтез. На сегодня эффективность работы фотосинтезирующих организмов достаточно высока, но есть подходы и перспективы для ее качественного и количественного повышения. Это может быть достигнуто как на пути развития биотехнологических, а возможно и чисто технологических приемов. Пока что попытки создания искусственных систем по преобразованию солнечного света в органические материалы, проводившиеся многими лабораториями мира, не привели к существенным успехам на этом поприще. Функционирование искусственно созданных «молекулярных машин» отличалось нестабильностью или имело крайне низкий коэффициент полезного действия, в результате чего они оказывались экономически невыгодными. В то же время последние достижения в области нанотехнологий позволяют надеяться, что в перспективе можно будет создать эффективно работающие Библиография Веселовский В. А., Веселова Т. В. Люминесценция растений. М., 1990 Владимиров Ю. А., Потапенко А. Д. Караваев В. А., Кренделева Т. е. и др. Особенности фотосинтетического аппарата листьев бобов, выращенных на водных растворах хлорида цинка//Биофизика. 2001. Т. 46. Вып. 2 Лукашев Е. П., Сейфуллина Н. Х. Температурная зависимость электроиндуцированного образования «кислой» формы бактериородопсина в пленках пурпурных мембран галобактерий//Биологические мембраны. 2003. Т. 20. № 2 Маторин Д. Н., Венедиктов П. С. Люминесценция хлорофилла в культурах микроводорослей и природных популяциях фитопланктона//Итоги науки и техники. Биофизика. 1990. Т. 40 Рубин А. Б. Первичные процессы фотосинтеза//Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 10 Рубин А. Б. Биофизика: В Рубин А. Б. Биофизические методы в экологическом мониторинге//Соросовский Образовательный Журнал. 2000. № 4 Тихонов А. Н. Трансформация энергии в хлоропластах — энергообразующих органеллах растительной клетки//Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 4 Тихонов А. Н. Регуляция световых и темновых стадий фотосинтеза//Соросовский Образовательный Журнал. 1999. № 11 Шестаков С. В. Молекулярная генетика фотосинтеза//Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 9 Franck F., Juneau P. et al. Resolution of the Photosystem I and Photosystem II contributions to chlorophyll fluorescence of intact leaves at room temperature//Biochim. Biophys. Acta. 2002. № 2 Gust D., Moore T. et al. Mimicking photosynthetic solar energy transduction//Acc. Chem. Res. 2001. № 34 (1) Wunschiers R., Senger H. et al. Electron pathways involved in Тема № 272 Эфир 23.06.2003 Хронометраж 39:46 |
|||||||