Фотосинтетический кислород: роль H2O2 Фотосинтетический кислород: роль H2O2
Фотосинтетический кислород: роль H2O2 РЕФЕРАТЫ РЕКОМЕНДУЕМ  
 
Тема
 • Главная
 • Авиация
 • Астрономия
 • Безопасность жизнедеятельности
 • Биографии
 • Бухгалтерия и аудит
 • География
 • Геология
 • Животные
 • Иностранный язык
 • Искусство
 • История
 • Кулинария
 • Культурология
 • Лингвистика
 • Литература
 • Логистика
 • Математика
 • Машиностроение
 • Медицина
 • Менеджмент
 • Металлургия
 • Музыка
 • Педагогика
 • Политология
 • Право
 • Программирование
 • Психология
 • Реклама
 • Социология
 • Страноведение
 • Транспорт
 • Физика
 • Философия
 • Химия
 • Ценные бумаги
 • Экономика
 • Естествознание




Фотосинтетический кислород: роль H2O2


Фотосинтетический кислород: роль H
2
O
2
По современным представлениям фотосинтетический кислород выделяется из воды. Имеется ряд соединений, аналогов H
2
O, взаимодействующих с водоокисляющим комплексом. Среди них особый интерес представляет пероксид водорода в связи с его возможным участием в фотосинтетическом выделении O
2
. Существуют предположения об H
2
O
2 как промежуточном продукте окисления H
2
O и даже как об исходном субстрате-доноре электронов. У некоторых цианобактерий и водорослей выделение O
2 прекращается в анаэробных условиях. Исследования роли H
2
O
2
в фотосинтетическом выделении O
2 представляются перспективными.
According to current views, the photosynthetic oxygen is evolved from the water. There is a number of compounds, of the H
2
O analogues, interacting with the water-oxidizing complex. Among these compounds, of particular interest is hydrogen peroxide as a possible participant in photosynthetic O
2 evolution. There are the assumptions of H
2
O
2 as an intermediate in H
2
O oxidation and, moreover, as the starting electron donor substrate. In several cyanobacteria and algae, O
2 evolution in the light is ceased under the anaerobic conditions. The elucidation of the H
2
O
2 role looks promising for the studies on photosynthetic O
2 evolution.
Фундаментальная проблема биохимии - механизм фотосинтетического выделения кислорода. Проблема не нова, возникла со времен Джозефа Пристли, открывшего в 1771 г. фотосинтетический кислород. Важность ее решения трудно переоценить: космическая роль зеленого листа по К.А.Тимирязеву заключается в фотосинтезе органических веществ и молекулярного кислорода - субстратов, обеспечивающих жизнедеятельность хемотрофных организмов. Проблема фотосинтетического кислорода имеет комплексный характер, исследования ведутся во многих лабораториях мира. В последние годы в решении проблемы наметился определенный прогресс. Наряду с фундаментальностью, проблема имеет и прикладную перспективу, в частности, ее решение позволило бы использовать принципы фотосинтетического механизма для получения из воды молекулярного водорода в качестве энергоносителя.
По современным представлениям фотосинтетический кислород выделяется из воды [1]. Фотосистема (ФС) II хлоропластов и цианобактерий функционирует как H2O:пластохинон-оксидоредуктаза [2]:
H
2
O → (Mn)
4 → Y
Z → P680 → Фео → Q
A → Q
B Q
P → Q
Z (
b
6
f
),
где (Mn)
4 - четырехъядерный Mn-кластер водоокисляющего комплекса (ВОК), Y
Z - остаток тирозина-161 в полипептиде D1 фотосистемы II, P680 - реакционный центр ФСII, Фео - промежуточный акцептор электронов (феофитин), Q
A и Q
B - первичный и вторичный пластохиноны, Q
P - мембранный фонд пластохинона, Q
Z - участок связывания пластохинона в
b
6
f
-цитохромном комплексе.
Окисление H
2
O включает четыре одноэлектронные стадии, приводящие к последовательному накоплению окислительных эквивалентов в Mn-кластере. Соответственно, Mn-кластер может находиться в пяти различных окислительно-восстановительных состояниях, обозначаемых символами S
0
-S
4
. Состояния S
0 и S
1
стабильны в темноте, S
4 превращается в S
0 сопряженно с выделением O
2
, состояния S
2 и S
3 не устойчивы и релаксируют в темноте в состояние S
1 за десятки секунд. В темноте соотношение S
1
:S
0 составляет 3-4, поэтому в условиях импульсного освещения, когда каждая световая вспышка вызывает один оборот P680, максимальный выход O
2 из H
2
O наблюдается в ответ на третий импульс; на первый импульс O
2 не выделяется.
Данные структурных исследований позволяют предположить, что (Mn)
4 представляет собой димер из двух биядерных центров. Это согласуется с данными о функциональной неоднородности четырех Mn-центров (см. [3] и цитированную там литературу). Одна из (Mn)
2
-групп, (Mn-Mn)
ВОК
, образует каталитический центр ВОК; другая, (Mn-Mn)
C
, по-видимому, служит регулятором функциональной активности (Mn-Mn)
ВОК
. Существует ряд соединений, аналогов H
2
O, взаимодействующих с ВОК. Так, окисление NH
2
OH и NH
2
NH
2 ведет к образованию сверхвосстановленных состояний (Mn)
4
-кластера - состояний S
-1 и S
-2 [3]: протекают реакции S
1 → S
-1 и S
2 → S
-2
, которые в рамках представлений о биядерных (Mn)
2
-группах могут соответствовать переходам:
и
Особый интерес среди аналогов H
2
O представляет пероксид водорода. В присутствии H
2
O
2 хлоропласты выделяют O
2 в ответ на первый световой импульс [4]. Этот результат подтвержден в опытах с H
2
18
O
2 [5]. В темноадаптированных тилакоидах хлоропластов H
2
O
2 вызывает переход S
1 → S
-1 [4, 5]. При этом устанавливается соотношение S
0
:S
-1 :S
1
, близкое к 0:6:4 [5]. Состояние S
-1 стабильно и не релаксирует, по меньшей мере, в течение 15 мин [5]. Одиночный световой импульс вызывает переход S
-1
/S
1 → S
0
/S
2
, который инициирует темновую реакцию окисления H
2
O
2 с образованием O
2 [4,5]. Как продемонстрировано в опытах с H
2
18
O
2
, весь O
2 выделяется из H
2
O
2 [5], в расчете на 1 P680 после одиночной вспышки света выделяется более 20 молекул O
2
. Эта реакция, подобная каталазной реакции, предположительно обусловлена восстановлением S
2 до S
0 посредством H
2
O
2 (E
0
' для O
2
/H
2
O
2 равен 0,295 В) и последующим H
2
O
2
-зависимым окислением S
0 до S
2 (E
0
' для H
2
O
2
/H
2
O равен 1,42 В). Реакции S-состояний, вызываемые H
2
O
2
, иллюстрирует схема (по [5]).
Переходы S
2 → S
1 и S
0 S
-1 приводят к постепенному затуханию темнового выделения O
2 из H
2
O.
Имеются данные о том, что выделение O
2 из H
2
O
2 в результате циклического перехода S
2 → S
0 → S
2 возможно без предварительного воздействия одиночным световым импульсом [6-8]. Процесс зависит от (Mn)
4
, Ca
2+ и Cl
- [6]. Эти данные, однако, подвергнуты критике [9]. В частности, комплексы ФСII, лишенные субъединиц ВОК с молекулярной массой 17 и 24 кДа ( на которых проводились опыты [6-8]), по данным работы [10] при воздействии H
2
O
2 теряют Mn, а по данным работы [8] полностью сохраняют его и при этом характеризуются отсутствием шестиполосного сигнала ЭПР от Mn
2+
, находящегося в водном окружении. Утверждается [9], что такой сигнал в условиях комнатной температуры, в которых проводились измерения [8], должен регистрироваться и в образцах с нативным Mn-кластером ВОК. Тилакоидные мембраны, обедненные Cl
-
, не способны к фотоокислению H
2
O, но выделяют O
2 из H
2
O
2 на свету [11]. Опыты с антибиотиком A23187 (осуществляющим трансмембранный обмен двухвалентных катионов на 2H+) и данные о действии добавленного Mn
2+ склонили авторов работы [11] к предположению о том, что фотоокисление H
2
O
2 в таких мембранах катализируется свободным или лабильно связанным Mn, возникающим в результате H
2
O
2
-зависимой деструкции (Mn)
4
, входящего в состав ВОК. Добавленный Mn2+ поддерживает окисление H
2
O
2 в тилакоидных мембранах, обогащенных ФСII и предварительно лишенных Mn [12].
Таким образом, к настоящему времени нет ясности по вопросу, нужен ли для выделения O
2 из H
2
O
2 интактный ВОК. Или этот процесс протекает и после деструкции ВОК? В этом случае пути окисления H
2
O и H
2
O
2 расходятся, и тогда изучение разложения H
2
O
2 в качестве подхода для познания механизма выделения O
2 из H
2
O теряет смысл.
Однако имеются данные, полученные с применением другого подхода. В определенных условиях электрон-донорная ветвь ФСII может генерировать H
2
O
2
. Образование H
2
O
2 на свету вызывают ADRY-реагенты (ADRY - от английского "Acceleration of Deactivation Reactions of the Water-Oxidizing Complex Y", см. [2] в качестве обзора) [13] - соединения, которые, окисляясь, ускоряют дезактивацию S
2
- и S
3
-состояний с образованием S
1
. H
2
O
2 образуется в вывернутых тилакоидных мембранах, если они лишены 16- и 23 кДа-полипептидов ВОК [14]. Процесс зависит от добавленного Mn
2+ и подавляется ЭДТА. Освещение мембран, обогащенных ФСII в результате обработки детергентом, тоже приводит к образованию H
2
O
2 [15, 16], как предполагают авторы, в электрон-донорной ветви ФСII.
H
2
O
2
, образованный в электрон-донорной ветви ФСII, высвобождается лишь при кислотной обработке мембран - при снижении pH до 1,4 [15]. Связанный H
2
O
2 образуется на первую вспышку света, на последующие вспышки наблюдаются осцилляции с периодом в два такта: на нечетные вспышки H
2
O
2 образуется, а на четные - исчезает. Выход связанного H
2
O
2 составляет 0,35 моль на 1 моль P680. Связанный H
2
O
2 образуется и в мембранах, лишенных Mn, но без осцилляций на последовательные вспышки света [15].
Условием образования H
2
O
2 по данным работы [16] является помещение мембран в гипотоническую среду с низкой концентрацией сахарозы. Если в качестве акцептора электронов в реакции Хилла использовать 2,6-дихлорфенолиндофенол (ДФИФ), то количество фотовосстановленного ДФИФ в расчете на электронные эквиваленты более чем в 1,5 раза превышает количество выделенного O
2
. Разница стирается при добавлении каталазы [16]. Это свидетельствует о том, что значительная доля электронного транспорта через ФСII имеет результатом не выделение O
2
, а образование H
2
O
2 [16]. Предлагаются два возможных варианта объяснения полученных результатов [16]: образование H
2
O
2 как промежуточного продукта на пути окисления H
2
O до O
2 или как продукта, возникающего в результате замыкания цикла S-состояний (S
2
- или S
3
-состояния Mn-кластера релаксируют соответственно в S
0 или S
1 с высвобождением H
2
O
2
).
Таким образом, и этот подход не дает однозначных результатов относительно роли H
2
O
2 в фотоокислении H
2
O. Более того, при одноэлектронном восстановлении O
2 компонентами электрон-акцепторных ветвей ФСII и ФСI образуется O
2
-. (см. [17] и цитированную там литературу). В изолированных хроматофорах пурпурных бактерий окисляется вторичный хинон, наиболее вероятно, в форме семихинона [18, 19]. При обработке хроматофоров детергентами с O
2 взаимодействует бактериофеофитин [20]. В модельных системах кислородом окисляются фотовозбужденные хлорофилл
а и бактериохлорофилл
а [21, 22]. Комплексы ФСII обладают высокой активностью супероксиддисмутазы [17], катализирующей реакцию:
2O
2
-. + 2H
+ → H
2
O
2 + O
2
.
Применение еще одного подхода, "эволюционного", к проблеме фотосинтетического кислорода представляется перспективным. Эволюционно творцами оксигенного фотосинтеза стали цианобактерии. Многие из них образуют на свету H
2
O
2 [23]. Перенос электронов на O
2 с последующим образованием H
2
O
2 у цианобактерии
Microcoleus chtonoplastes достигает 40% общего потока электронов через ФСII [24]. Исследованная цианобактерия имеет высокую активность супероксиддисмутазы и не содержит каталазы [24].
В условиях импульсного освещения изолированные тилакоиды
Oscillatoria chalybea выделяют O
2 в ответ на первую световую вспышку (см. [25] и цитированную там литературу). Такие же данные получены с представителями
Synechocystis и
Synechococcus
. Масс-спектрометрический анализ показал, что освещение мембран
O. chalybea в присутствии H
2
18
O
2 или
18
O
2 в газовой фазе приводит к выделению
18
O
2
. Сделан вывод о том, что
18
O
2
, добавленный в газовую фазу, растворяется в водной фазе, поглощается мембранами и превращается в компонент, который окисляется при освещении с выделением
18
O
2
. Данные изотопного распределения (
16
O
2
,
16
O
18
O,
18
O
2
) показывают, что кислород выделяется не из H
2
18
O, поскольку сигнал
16
O
18
O, который неизбежно должен возникать при окислении воды, невелик. Следовательно,
18
O
2 выделяется из H
2
18
O
2
, образующегося в результате темнового поглощения
18
O
2 из газовой фазы [25]. Фотоокисление воды у
O. chalybea тоже происходит, но доля H
2
O в светозависимом выделении O
2 значительно ниже, чем доля H
2
O
2
. В анаэробных условиях выход O
2 на свету существенно снижается, при этом подавляется выделение O
2 из H
2
O
2
, но не из H
2
O [25]. Анаэробиоз ингибирует также фотовыделение O
2 зеленой водорослью
Ulva sp. [26].
Таким образом, для фотосинтетического выделения O
2 указанными организмами требуется, чтобы в среде содержался O
2
, наиболее вероятно, как субстрат для образования H
2
O
2
. Предполагается, что H
2
O
2 является эволюционным предшественником H
2
O в качестве донора электронов для ФСII [25].
Более того, выдвинуто предположение [27], что в ходе современного фотосинтеза O
2 выделяется не из H
2
O, а из H
2
O
2 экзогенного и эндогенного (внутриклеточного) происхождения.
Процессы образования H
2
O
2 в атмосфере и природных водоемах, а также в клетках микроорганизмов подробно рассмотрены в обзоре [28]. Отметим лишь, что согласно расчетам [28] на каждый квадратный метр поверхности суши и океанов за год с осадками выпадает ~ 200 г H
2
O
2 [28], до 15% O
2
, потребляемого организмом животного, превращается в H
2
O
2 [29]. Генераторами H
2
O
2 в фотосинтезирующей клетке являются тилакоидные мембраны, митохондрии, пероксисомы, эндоплазматический ретикулум. Концентрация H
2
O
2 в водоемах в среднем составляет 10
-6 М [28]. Для использования в фотосинтезе маловато. Поэтому предполагаются механизмы концентрирования H
2
O
2 в клетке, например, в результате транспирации [27]. Напомним, что концентрация CO
2 в воздухе тоже невелика - 0,03%.
Если H
2
O
2 принять в качестве эволюционного предшественника H2O как донора электронов при фотосинтезе, то для образования H
2
O
2 был необходим O
2
. Мог ли O
2 появиться в добиогенный период развития Земли? Кислород современной земной атмосферы на 2,3% тяжелее кислорода, образующегося фотосинтетически [30]. Следовательно, помимо фотосинтеза должен быть другой источник O
2
, поставляющий его в атмосферу. "...свободный кислород в газовой фазе появился на Земле в глубокой древности, т.е. в раннем докембрии, в результате дегазации базальтовой магмы, подобно тому как появились в атмосфере и другие газы. Более того, он продолжает поступать из земных недр до настоящего времени. Магма является тем первым мощным источником кислорода в природе, который определяет количество и качество его в атмосфере совместно с появившимся несколько позднее кислородом фотосинтетическим" ([30], стр. 10). Кислород современной атмосферы на 30% имеет фотосинтетическое и на 70% геологическое (из земных недр) происхождение [30]. По данным минералогии, как было отмечено В.Н.Вернадским [31], в пределах научно изученных геологических периодов состав воздуха не менялся.
Рассмотренные данные показывают, что H
2
O
2
, возможно, играет важную роль в системе фотосинтетического выделения O
2
, однако эти данные не поддаются однозначной интерпретации. H
2
O
2 - промежуточный продукт окисления H
2
O или исходный субстрат-донор электронов? Пока нельзя даже ответить на вопрос: H
2
O
2 - это хорошо или плохо для фотосинтеза? Имеются данные о пагубном действии H
2
O
2
. H
2
O
2
, образующийся как в электрон-донорной, так и в электрон-акцепторной ветви ФСII, вызывает фотоингибирование ВОК [32].
Таким образом, представление о воде как доноре электронов и источнике кислорода при фотосинтезе не является однозначным. В последние годы появились данные об участии H
2
O
2 в фотосинтетическом выделении O
2
. Исследования в этой области представляются перспективными.
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грантом 94-04-12227-а).
Список литературы
Самуилов В.Д. (1993)
Биохимия
, 58,1481-1485.
Самуилов В.Д., Киташов А.В. (1996)
Биохимия
, 61, 404-411.
Messinger, J., and Renger, G. (1993)
Biochemistry
, 32, 9379-9386.
Velthuys, B., and Kok, B. (1978)
Biochim. Biophys. Acta
, 502, 211-221.
Mano, J., Takahashi, M., and Asada, K. (1987)
Biochemistry
, 26, 2495-2501.
Frasch, W.D., and Mei, R. (1987)
Biochim. Biophys. Acta
, 891, 8-14.
Frasch, W.D., and Mei, R. (1987)
Biochemistry
, 26, 7321- 7325.
Frasch, W.D., Mei, R., and Sanders, M.A. (1988)
Biochemistry
, 27, 3715-3719.
Debus, R.J. (1992)
Biochim. Biophys. Acta
, 1102, 269-352.
Ghanotakis, D.F., Topper, J.N., and Yocum, C.F. (1984)
Biochim. Biophys. Acta
, 767, 524-531.
Sandusky, P.O., and Yocum, C.F. (1988)
Biochim. Biophys. Acta
, 936, 149-156.
Klimov, V.V., Allakhverdiev, S.I., Shuvalov, V.A., and Krasnovsky, A.A. (1982)
FEBS Lett
., 148, 307-312.
Sayre, R.T., and Homann, P.H. (1979)
Arch. Biochem. Biophys
., 196, 525-533.
Schroder, W.P., and Akerlund, H.-E. (1986)
Biochim. Biophys. Acta
, 848, 359-363.
Ананьев Г.М., Климов В.В. (1988)
Докл. АН СССР
, 298, 1007-1011.
Wydrzynski, T., Angstrom, J., and Vanngard, T. (1989)
Biochim. Biophys. Acta
, 973, 23-28.
Ananyev, G., Renger, G., Wacker, H., and Klimov, V.V. (1994)
Photosynth. Res
., 41, 327-338.
Remennikov, V.G., and Samuilov, V.D. (1979)
Biochim. Biophys. Acta
, 546, 220-235.
Remennikov, V.G., and Samuilov, V.D. (1979)
Arch. Microbiol
., 123, 65-71.
Ременников В.Г., Самуилов В.Д. (1980)
Докл. АН СССР
, 252, 491-494.
Abdourashitova, F.D., Barsky, E.L., Gusev, M.V., Il'ina, M.D., Kotova, E.A., and Samuilov, V.D. (1984)
Photobiochem. Photobiophys
., 8, 133-142.
Барский Е.Л., Камилова Ф.Д., Ременников В.Г., Самуи-лов В.Д. (1986)
Биофизика , 31, 789-792.
Stevens, S.E., Patterson, C.O.P., and Myers, J. (1973)
J. Phycol
., 9, 427-435.
Дубинин А.В., Застрижная О.М., Гусев М.В. (1992)
Микробиология
, 61, 384-389.
Bader, K.P. (1994)
Biochim. Biophys. Acta
, 1188, 213-219.
Popovic, R., Swenson, S.I., Colbow, K., Vidaver, W.E., and Bruce, D. (1987)
Photosynthetica
, 21, 165-174.
Комиссаров Г.Г. (1995)
Хим. физика , 14, 20-28.
Штамм Е.В., Пурмаль А.П., Скурлатов Ю.И. (1991)
Успехи химии
, 60, 2373-2411.
Oshino, N., Jamieson, D., Sugano, T., and Chance, B. (1975)
Biochem J
., 146, 67-73.
Бгатов В.И. (1985)
История кислорода земной атмо-сферы
. Недра, Москва.
Вернадский В.Н. (1955)
Избр. соч
., Т. 2, Изд-во АН СССР, Москва, с. 448.
Bradley, R.L., Long, K.M., and Frash, W.D. (1991)
FEBS Lett
., 286, 209-213.

      ©2010