Типы жизни, основанные на фотофосфорилировании. Фотосинтез.

Жизнедеятельность некоторых групп анаэробных бактерий основана на способности получать энергию в реакциях субстратного фосфорилирования и не зависеть от молекулярного кислорода. Это древнейшие прокариоты, у которых единственным источником свободной энергии была химическая энергия органических молекул. Увеличение численности прокариот привело к значительному исчерпанию органических молекул из окружающей среды. На определенном этапе перестало хватать органических соединений – источников свободной энергии. Возникла проблема поисков новых источников питания и постоянно действующего источника энергии. Таким источником энергии оказалась солнечная радиация. Прокариоты, ранее способные только к анаэробному превращению органических субстратов, постепенно эволюционировали в анаэробов, способных жить за счет энергии света. Возник фотосинтез – единственный на Земле процесс, приводящий к увеличению свободной энергии планеты за счет превращения энергии света в химическую энергию.

Механизм передачи световой энергии в реакционные центры построен по одному и тому же принципу у высших растений, водорослей, цианобактерий, пурпурных бактерий и зеленых бактерий. Пигменты, поглощающие свет, белки в составе пигмент-белковых мембранных комплексов и окислительно-восстановительные компоненты фотосинтетического аппарата у всех фотосинтезирующих организмов в основном одинаковы. По механизму фотосинтез делится на два типа: оксигенный (с образованием кислорода) и аноксигенный (без образования кислорода). Оксигенный фотосинтез осуществляют все фототрофные эукариоты (растения и водоросли) и две группы прокариот – цианобактерии и прохлорофиты. Аноксигенный фотосинтез осуществляют пурпурные и зеленые бактерии и гелиобактерии.

Общее известное уравнение фотосинтеза:

свет

6СО₂ + 12Н₂О С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О + 6О₂показывает точное количественное определение газообмена растений, водорослей и цианобактерий при оксигеном фотосинтезе. Пурпурные, зеленые и гелиобактерии при ассимиляции СО₂ в качестве донора водорода используют не воду, а сероводород или другие восстановленные соединения:

свет

СО₂ + 2H₂S (CH₂O) + H₂O + 2S, осуществляя таким образом фоторедукцию. Голландский микробиолог Ван – Ниль, изучая микробиологический фотосинтез (фоторедукцию) предложил уравнение, которое бы подходило и для фотосинтеза, и для фоторедукции:

СО₂ + 2Н₂А (СН₂О) + Н₂О + 2А

Если А – кислород – осуществляется оксигенный фотосинтез, если А, например, сера – осуществляется фоторедукция.

В фотосинтезе участвуют три группы пигментов. Хлорофиллы – пигменты фототрофных кислород-образующих (оксигенных) организмов, бактериохлорофиллы – пигменты аноксигенных фототрофных бактерий, представляющие собой циклические тетрапироллы. В молекулах хлорофилла и бактериохлорофилла имеются чередующиеся одинарные и двойные связи, поэтому они эффективно поглощают свет в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Известно шесть типов бактериохлорофиллов (a, b, c, d, e, g) и два типа хлорофиллов (a, b). Хлорофилл а и бактериохлорофиллы a, b и g входят в состав светособирающих антенн, выполняют функцию фотохимически активных пигментов в составе реакционных центров. Другими светособирающими пигментами являются каротиноиды. У цианобактерий, красных водорослей и некоторых других водорослей поглощение света осуществляется фикобилипротеинами, состоящими из белковых субъединиц, простетическими группами которых являются фикобелины. Все пигменты связаны с белками фотосинтетического аппарата и выполняют функцию поглощения и передачи световой энергии.

Хлоропласты под действием света способны отдавать электроны и восстанавливать НАДФ⁺и синтезировать АТФ:

хлоропласты

НАДФ⁺ НАДФН

свет

хлоропласты

АДФ + Р_Н АТФ

свет

В присутствии НАДФН и АТФ хлоропласты способны синтезировать углеводы в темноте:

темнота

СО₂ + АТФ + НАДФН С – сахара

хлоропласты

Таким образом, в фотосинтезе есть световые и темновые этапы. В световых реакциях, локализованных на мембране тилакоида, происходит фотоокисление воды, выделяется кислород, синтезируются АТФ и НАДФН:

[1]

В темновых реакциях происходит связывание СО₂ и образование углеводов:

4 Н⁺ + 4 ē + СО₂ (СН₂О) + Н₂О

строма хлоропластов

Образование NADФН, АТФ и О₂в хлоропластах происходит при переносе электронов по цепи переносчиков. Для переноса электронов необходимо, чтобы каждый переносчик поочередно восстанавливался и окислялся, обеспечивая перенос энергии по цепи. Восстановление – это присоединение электрона к молекуле переносчика, а окисление – потеря электрона молекулой. Перенос электронов по цепи сопровождается поглощением энергии или высвобождением ее.

Хлорофиллы и пигменты объединены в структуры, которые называются антеннами, улавливающими фотоны света. В одну антенну входит около 300 молекул хлорофилла. Световая энергия улавливается антеннами и передается от хлорофилла к хлорофиллу и на специальный хлорофилл реакционного центра, который осуществляет фотосинтетический транспорт электрона. У эукариот и цианобактерий есть два вида антенн, которые находятся в двух разных фотосистемах. Фотосистема I (ФС I) адсорбирует длинноволновый свет (≥ 680 нм), энергия в этом случае попадает в хлорофиллу а, который обозначается П₇₀₀. Фотосистема II (ФС II) поглощает коротковолновый свет (≤ 680 нм) и передает энергию на специальный хлорофилл П₆₈₀.

В фотосистеме I первичным акцептором электронов является хлорофилл а₆₉₅, вторичными акцепторами – железосерные белки ( −FeS). Комплекс ФС I под действием света восстанавливает железосодержащий белок – ферредоксин (фd) и окисляет медьсодержащий белок – пластоцианин (Пц).

ФС II включает реакционный центр (хлорофилл а – П₆₈₀) и антенные пигменты – хлорофиллы а₆₇₀ _{– 683}. Первичным акцептором электронов является феофитин (Ф_Ф), который передает электроны на пластохинон (РQ), последний восстанавливается, окисляя воду с выделением О₂ и протонов. Связующим звеном между ФС I и ФС II является комплекс пластохинонов, белковый цитохромный комплекс (b₆, f) и пластоцианин. Фотосинтетическое фосфорилирование, т.е. образование АТФ в хлоропластах в ходе реакций, активируемых светом, может осуществляется циклическим и нециклическим путями.

При циклическом пути в ФС I электрон движется через ряд переносчиков к окисленному П₇₀₀. При этом на участке цитохрома b₆ синтезируется АТФ. Этот процесс называется циклическим фотофосфорилированием. Циклическое фотофосфорилирование является более простым и более древним. Функционирует только ФС I, единственный продукт – АТФ.

Сущность циклического фотофосфорилирования состоит с следующем. При поглощении кванта света электрон хлорофилла П₇₀₀ переходит на более высокий энергетический уровень (возбуждается) и захватывается железосерным белком (Fe – S), затем передается на железосодержащий белок – ферредоксин. Затем, через ряд промежуточных переносчиков (флавопротеиды и цитохромы) электрон возвращается обратно к П₇₀₀. По мере транспорта электрона его энергия высвобождается и используется на образование АТФ. Обедненный энергией электрон возвращается на ФС I. У простейших автотрофов – зеленых, пурпурных бактерий и других фотосинтезирующих бактерий это единственный механизм получения энергии в виде АТФ.

return false">ссылка скрыта

У высших растений участвуют в фотофосфорилировании две системы: ФС I и ФС II. Восстановление НАДФ происходит за счет фотоокисления воды в фотосистеме I, а фотоокисление воды осуществляет фотосистема II. Эти две системы функционируют одновременно и взаимосвязано.

При нециклическом транспорте электрона в фотосистемах I и II синтез АТФ сопряжен с образованием НАДФН и выделением О₂. П₇₀₀ возбуждается под действием света и передает электрон на ферредоксин (Fd), как и в циклическом пути, но здесь Fd восстанавливает НАДФ⁺ до НАДФН. Электрон потрачен на восстановительный эквивалент и Fd не может восстановить окисленный П₇₀₀, поэтому включается фотосистема II и дает электроны для восстановления П₇₀₀. Таким образом, при нециклическом пути происходит не замкнутый по циклу транспорт электронов. Донором электронов является вода, конечным акцептором – НАДФ. Для переноса каждого электрона расходуется два кванта света. На участке между ФС II и ФС I транспорт электрона идет по убывающему градиенту окислительно-восстановительного потенциала с высвобождением энергии и запасанием ее в АТФ. П₆₈₀ в фотосистеме II получает необходимые электроны из окисления воды с выделением О₂. При движении двух электронов от воды до НАДФ⁺ синтезируется одна молекула АТФ путем нециклического фотофосфорилирования. Таким образом, нециклическое фотофосфорилирование – это синтез АТФ, сопряженный с нециклическим электронным транспортом. Соответственно, циклическое фотофосфорилирование – это синтез АТФ, сопряженный с циклическим потоком электронов. Схема циклического транспорта электронов представлена на рисунке.

Рис. Схема циклического транспорта электронов при фотосинтезе.

Первичными акцепторами электронов от П₇₀₀ являются хлорофилл а и филлохинон. Затем электрон поступает на мембранно-связанные железосерные белки (Fe – S), через которые электроны поступают на ферредоксин. От ферредоксина через флавопротеин электроны идут на восстановление НАДФ⁺до НАДФН.

Организация фотосинтетического аппарата у растений и цианобактерий представлена на рисунке.

Рисунок. Организация фотосинтетического аппарата у растений и цианобактерий (по Гусеву, Минеевой, 2008, с изменениями).

Хл – хлорофилл; феоф – феофитин; ФС – фотосистема; FeS – железо-серосодержащий белок; Ф_д – ферредоксин; Ф_п – флавопротеин; ПХ – пластохинон; ПЦ – пластоцианин; f – цитохром. Прямоугольниками обведены компоненты реакционного центра, овалом – компоненты электронного транспорта, связанные с мембраной. Двойной стрелкой обозначены перемещения электрона в реакционном центре.

Синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Р_Н) катализируется АТФ-синтазой. Этот фермент преобразует энергию электронов в энергию фосфоэфирных связей АТФ. Фермент найден в мембранах хлоропластов, митохондрий и бактерий. АТФ-синтаза катализирует присоединение фосфата к АДФ с отщеплением молекулы воды, в результате чего образуется АТФ.

Продуктами световых реакций фотосинтеза являются АТФ и НАДФН. Далее происходит темновые реакции фиксации СО₂, в которых используется восстановительная сила молекулы НАДФН и ассимиляционная сила молекулы АТФ, в результате которых СО₂ восстанавливается до углеводов. Механизм этого процесса расшифрован американскими исследователями во главе с М.Кальвиным. Схема последовательных реакций получила название цикла Кальвина. Особенностью цикла Кальвина является цикличность процесса, что обеспечивает непрерывность образования углеводов, высокую производительность и саморегуляцию. Другой особенностью является разветвленность процесса, образование разнообразных продуктов, дублирование образования акцепторов СО₂. Цикл состоит из четырех этапов.

1.Стадия карбоксилирования. На этой стадии происходит присоединение СО₂ к рибулозо-1,5-бисфосфату путем карбоксилирования с участием фермента рибулозобисфосфаткарбоксилазы (РУБИСКО). Акцепторами СО₂ в большинстве реакций его фиксации были органические кислоты в обычной или активированной форме. В цикле Кальвина акцептором СО₂ является соединение углеводной природы – активированная молекула пентозы. Фосфорибулокиназа активирует рибулозо-1,5-бисфосфат путем вторичного фосфорилирования. РУБИСКО катализирует реакцию акцептирования рибулозо-1,5-бисфосфатом молекулы СО₂ и последующее гидролитическое расщепление образовавшейся нестойкой гексозы на 2 молекулы 3-ФГК, одна из которых в карбоксильной группе содержит углерод из СО₂. Таким образом, можно считать, что первичным продуктом фотосинтеза является 3-фосфоглицериновая кислота. Рибулозо-бисфосфаткарбоксилаза (оксигеназа) – самый большой по массе белок в биосфере, играет ключевую роль в акцептировании СО₂ фосфорилированными пентозами.

2. Стадия восстановления ФГК. На этой стадии 3-фосфоглицериновая кислота восстанавливается до 3-фосфоглицеринового альдегида. Этот процесс происходит в два этапа. Сначала при участии АТФ и фосфоглицераткиназы 3-ФГК присоединяет еще одну фосфатную группу от молекулы АТФ с образованием 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты (1,3ФГК). Этим достигается повышение реакционной способности 3 ФГК и возможность ее восстановления с помощью НАДФН до 3-фосфоглицеринового альдегида, что и происходит на втором этапе. Этот процесс катализируется ферментом триозофосфатдегидрогеназой. Фосфоглицериновый альдегид по уровню восстановленности углерода соответствует углеводу с общей формулой (СН₂О)₃. Фаза восстановления – центральное звено цикла. Здесь встречаются световая (образование АТФ и НАДФН) и темновая (восстановление 3-ФГК до 3-ФГА) фазы фотосинтеза. Все остальные превращения происходят с сахарами одинаковых по степени восстановленности.

3. Стадия регенерации первичного акцептора СО₂, рибулозобисфосфата (РуБФ). Этот процесс происходит с участием фосфатов трех-,четырех-, пяти-, шести- и семиуглеродных сахаров. В результате процессов конденсации, катализируемых альдолазами и транскетолазных реакций из пяти молекул 3^х углеродных сахаров образуется 3 молекулы 5^и углеродных сахаров, которые превращаются в РуБФ. Таким образом, при фиксации трех молекул СО₂ образуется шесть молекул восстановленных 3-фосфотриоз, пять из них используется для регенерации РуБФ, а одна – для синтеза глюкозы.

4. Стадия синтеза углеводных продуктов фотосинтеза. На этом этапе из фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона под действием альдолазы синтезируется фруктозо-1,6-бисфосфат, который может превращаться в крахмал или сахарозу. Это происходит в результате следующих реакций. Часть молекул 3 ФГА превращается в фосфодиоксиацетон (ФДА) под действием фермента триозофосфатизомеразы. Затем два изомера ФГА и ФДА конденсируются, образуя фруктозо-1,6-бисфосфат под влиянием фермента альдолазы. Далее возникает цепь фосфорных эфиров сахаров, содержащих 4,5,7 атомов углерода. В этих реакциях участвуют ферменты транскетолазы и альдолазы. Транскетолаза катализирует перенос двухуглеродной группировки от фруктозо-6-фосфата на 3 ФГА с образованием эритрозо-4-фосфата (С₄) и ксилулозо-5-фосфата (С₅). Затем при участии альдолазы происходит перенос трехуглеродного остатка фосфодиоксиацетона (ФДА) на эритрозо-4-фосфат в результате синтезируется седогептулозо-1,7-бисфосфат (С₇). Под действием транскетолазы из седогептулозо-1,7-бисфосфата и 3 ФГА образуются ксилулозо-5-фосфат (С₅) и рибозо-5-фосфат (С₅). Затем две молекулы ксилулозо-5-фосфата и одна молекула рибозо-5-фосфата за счет изомеризации превращаются в три молекулы рибозо-5-фосфата (С₅), который подвергается фосфорилированию за счет АТФ с образованием рибулозо-1,5-бисфосфата. Цикл замыкается.

6^ая молекула 3 ФГА при повторении цикла под действием альдолазы трансформируется в фруктозо-1,6-бисфосфат, из которого образуются глюкоза, сахароза, крахмал.

Для синтеза одной молекулы глюкозы в цикле Кальвина необходимо 12 молекул НАДФН и 18 молекул АТФ. Цикл Кальвина функционирует у высших растений, водорослей, цианобактерий, у большинства фототрофных и хемолитоавтотрофных бактерий.

Суммарное уравнение цикла Кальвина (восстановительного пентозофосфатного цикла) можно представить следующим образом:

6 СО₂ + 18 АТФ + 12 НАДФН С₆Н₁₂О₆ + 18 АДФ + 12 НАДФ⁺+ 18 Ф_Н

Для синтеза одной молекулы глюкозы из СО₂ необходимо шесть оборотов цикла. В каждом обороте используются три молекулы АТФ: две для активирования двух молекул ФГК и одна при регенерации акцептора СО₂ (1,5-рибулозо-бисфосфата) и две молекулы НАДФН для восстановления ФГК до ФГА.

Таким образом, вклад световой фазы фотосинтеза в темновую фиксацию СО₂ составляет 12 НАДФН и 18 АТФ.

Поскольку в цикл Кальвина первичными продуктами являются трехуглеродные соединения (3 ФГК, 3 ФГА, ФДА), этот способ фиксации СО₂ растениями носит название С₃ – путь фотосинтеза, а растения, использующие этот путь называются С₃ – растениями.

Другие растения: сахарный тростник, кукуруза, сорго, амарант и др. способны фиксировать СО₂ не только в реакциях цикла Кальвина, но и другим путем, в котором появляются С₄ – кислоты (щавелевоуксусная, яблочная, аспарагиновая). Такой способ связывания углекислоты получил название С₄ – путь фотосинтеза, а растения, соответственно, С₄ – растения.

Схема цикла Кальвина представлена на рисунке.

Рис. С3-путь фотосинтеза (цикл Кальвина).

Ферменты: 1 – рибулозо-5-фосфаткиназа; 2 – рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа (РУБИСКО); 3 – фосфоглицераткиназа; 4 – НАДФ-глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа; 5 – триозофосфатизомераза; 6 – альдолаза; 7 – фруктово-1,6-бисфосфатфосфатаза; 8 – транскетолаза; 9 – альдолаза; 10 – седогептулозо-1,7-бисфосфатфосфатаза; 11 – транскетолаза; 12 – рибозо-5-фосфатизомераза; 13 – рибулозо-5-фосфатэпимераза.

0,25, N-2. Водные растворы этих кислот имеют pH=2,6-2,8 и оказывают разрушающее действие на минералы; легко мигрируют в почве.

По данным Шнибцера-Кодама (1953) фульвокислоты включают 2 ароматических кольца, 6 групп ―COOH, 2 группы C=O, 2 фенильных и 6 спиртовых гидроксилов.

Негидролизуемый остаток (гумин) представляет собой конгломерат сложных эфиров гумусовых кислот и их органо-минеральных компонентов с глинистыми минералами, содержит некоторое количество минеральных частиц.

Гумин очень устойчив в почве, слабо разлагается биотой, составляет от 35-40 до 50-60% общей массы гумуса. Наиболее активно разлагаемой частью гумуса являются детриты - не полностью гумифицированные фрагменты растительного и животного происхождения. Детриты не связаны с минеральной частью почв, устойчивость к биодеградации определяется их химическим составом. Период полного разложения детритов длится от нескольких месяцев до нескольких лет.

В гидросфере углерод содержится в газообразной форме (CO₂ поглощен водой), в виде ионов HCO₃^-, CO₃^2-, в виде водорастворимого органического вещества (ВОВ) и углерода в составе органических взвесей и осадков, а также карбонатов на дне.

интенсивным обменом углекислого газа. СО₂ хорошо растворяется в холодных приполярных водах при этом увеличивается плотность воды, она опускается на глубину и течениями перемещается к экватору. Здесь нагревается, уменьшается плотность воды, она поднимается вверх и освобождается от избытка СО₂. Происходит поглощение СО₂ из атмосферы холодными водами и выделение теплыми в условиях тропического климата. Образование карбонатов в Океане основано на взаимодействии СО₂ атмосферы с водой Океана и участии в этом процессе организмов Океана. Карбонат-гидрокарбонатная система Океана лежит в основе образования карбоната кальция:

Эта система – своеобразное депо углекислоты. В дневное время, когда при интенсивном фотосинтезе фитопланктона углекислота расходуется, карбонаты служат дополнительным источником ее образования. Ночью при увеличении содержания свободной углекислоты за счет дыхания растений и животных значительная ее часть снова входит в состав карбонатов:

Живое вещество СО₂ Н₂СО₃ Са(НСО₃)₂ СаСО₃

Значительную роль в накоплении карбонатов на дне Океана играют так называемые кальциевые организмы, концентрация кальция в которых достигает 10% и больше (бактерии, водоросли, простейшие, моллюски, брахиоподы, иглокожие, мшанки, кораллы). При отмирании они пополняют запасы карбонатов на дне Океана. Карбонатные толщи на дне Океана иногда достигают 400 метров. Считается, что, по крайней мере, 2/3 дна Мирового океана покрыта осадками карбонатов высотой 40 – 60 метров.

Осаждение карбонатов 1,5 млрд. лет тому назад сильно преобладало над осадконакоплением органического углерода. В морских отложениях верхнего протерозоя углерода карбонатов (С_к) к углероду органическому (С_орг) было 18, в палеозое 11, в мезозое 5,2, в кайнозое – 2,9 – 1,4 (Добровольский, 2003). Образование карбонатов и аккумуляция органического происходят и на Суше. Взаимодействие СО₂ почвы с

развиваться такие сложные многоклеточные организмы, которые при дыхании в результате окисления органических веществ, созданных автотрофами, получают необходимую энергию. Только после возникновения фотосинтезирующих организмов и накопления в атмосфере достаточного количества свободного кислорода для образования озонового экрана живые организмы смогли выйти на Сушу. С этого момента началась новая эпоха в развитии биосферы.

Кислород необходим для дыхания животных, растений, микроорганизмов в атмосфере, почве, воде, участвует в химических реакциях окисления, происходящих в горных породах, почвах, илах, водоносных горизонтах. В отсутствии свободного кислорода анаэробные оргазмы используют кислород минеральных соединений (нитратов, сульфатов, гидроокислов железа и др.) для окисления органических соединений.

Основными процессами биогеохимического цикла кислорода является образование свободного кислород при фотосинтезе 2Н₂О + СО₂ [СН₂О] + Н₂О + О₂ и его поглощение в процессе дыхания организмов [СН₂О] + О₂

Н₂О + СО₂. Кислород образуется при разложении молекулы Н₂О в процессе фотосинтеза и вновь включается в воду при биологическом окислении во время дыхания.

Образование озонового экрана, создание окислительно-восстановительных зон, окисление окиси углерода, появлявшейся в результате вулканической деятельности, накопление сульфатных осадочных пород и т.д. – во всех этих процессах участвует молекулярный кислород.

В настоящее время наибольшее влияние на круговорот кислорода в биосфере оказывает деятельность человека. Человечество ежегодно потребляет около 1*10¹⁰ т молекулярного кислорода. Огромное количество кислорода расходуют двигатели автомобилей, самолетов, теплоходов и т.д. Расширение площадей, занимаемых зеленой растительностью, повышение ее фотосинтетической деятельности и продуктивности – основные условия сохранения постоянства содержания О₂ в атмосфере.

Процесс образования свободного кислорода осуществляется растительным покровом Земли, а его связывание протекает в основном в почве в результате окислительных превращений органических веществ почвенными микроорганизмами («дыхание почвы» - выделяется СО₂ и поглощается О₂). Кислород потребляется также при нитрификации:

NH₄⁺+ 1 1/2 O₂ = 2H⁺ + H₂O + NO₂⁻ + 66 ккал

NO₂⁻ + 1 1/2 O₂ = NO₃⁻ + 17 ккал

окисление метана: СН₄ СН₃ОН СНОН НСООН СО₂и сероводорода: H₂S + 2 O₂ H₂SO₄прокариотами.

Процессы образования и поглощения О₂ в цикле кислорода представлены в таблице 10.

Таблица 10.

Процессы образования и поглощения О₂ в цикле кислорода (Г.Фукс, в кн. «Современная микробиология», 2005).

Процессы	Количество 10¹² моль О₂ /год
Образование О₂
Оксигенный фотосинтез
Абиогенное разложение Н₂О	0,007
	≈ 15000
Поглощение О₂
Дыхание и аэробный метаболизм
Абиогенное окисление метана
Выветривание (C-S и FeO-cодержащие минералы
Сгорание (древесина, уголь, нефть)	350
	≈ 15350

Молекулярный кислород участвует во многих метаболических реакциях всех организмов. У аэробных организмов кислород служит акцептором электронов в процессе дыхания, которое сопряжено с фосфорилированием АДР. У некоторых бактерий-анаэробов кислород используется для окисления избытка восстановителей, таких как НАДH, НАДH₂ и других, что не связано с запасанием энергии. Микробное разложение инертных субстратов, таких как нефть, лигнин, бензолов, фенолов начинается с включения в их молекулы кислорода из О₂ при участии моно- или диоксигеназ. Все реакции гидроксилирования – включения гидроксильных групп ОН⁻ в состав ароматических или циклических углеводородов, а также клеточных компонентов содержат атом кислорода, имеющий происхождение из О₂.

Таблица 11.

Типы ферментов и кофакторов, участвующих в реакциях с потреблением или выделением кислорода (по Г.Фукс, в кн. «Современная микробиология») с сокращениями автора.

Фермент	Кофактор, взаимодействующий с О₂	Реакция
Оксидазы
Цитохром-с-оксидаза	Гем	4 Цит.восст. + О₂ + 4Н⁺ 2Н₂О + + 4 Цит.окисл.
Глюкозооксидаза	FAD⁺	Глюкоза + О₂ Глюконат + Н₂О₂
Оксигеназы
Катехолдиоксигеназа	Fe³⁺	Катехол + О₂ цис,цисМуконат
Метанмонооксигеназа	Двухядерный Fe-Fe центр	СН₄ + НАДH + H⁺ + O₂ CH₃OH + +НАД⁺ + H₂O
Реакции с образованием О₂
Каталаза	Гем	Н₂О₂ + Н₂О₂ Н₂О + О₂
Система фотолиза Н₂О (фотосистема II)	Mn-содержащий комплекс	2Н₂О + 4 hv О₂ + 4Н⁺ + 4ē

Использование кислорода в качестве акцептора электронов обеспечивает эффективное получение энергии. Кислород служит энергетически более выгодным акцептором электронов. Более 90% органического вещества минерализуется микробами с использованием свободного кислорода в целях запасания большого количества свободной энергии при аэробном окислении субстратов. Большой выход АТФ в процессе аэробного разложения органических веществ обусловлен высокой положительной величиной окислительно-восстановительного потенциала О₂ как акцептора электронов. При участии свободного кислорода происходит более полное окисление органических веществ до СО₂ и Н₂О (аэробное дыхание). При отсутствии О₂ образуются более восстановленные конечные продукты (спирты, жирные кислоты и др.) даже при наличии акцепторов электронов (нитратов, сульфатов и др.). В результате в дыхательную цепь поступает меньше электронов и соответственно меньше синтезируется АТР (рис.).

Рис. Окисление глюкозы в процессе аэробного и анаэробного дыхания.

Если в качестве доноров электронов используется Fe²⁺ или нитрит необходим обратный перенос электронов для восстановления НАД⁺.

6.2. Соотношение процессов “фотосинтез - дыхание” и содержание кислорода в атмосфере.

По данным В.В.Добровольского содержание кислорода в атмосфере 1,185*10¹⁵ т. Выделение кислорода фотосинтетиками Суши и Океана составляет 270 – 300*10¹⁵ т/год.

Если бы не происходило поглощения кислорода почвенной биотой в процессах окисления органического вещества, его содержание в атмосфере быстро увеличивалось. Однако, как известно, содержание кислорода в атмосфере стабильно, так как окисляется (разлагается) почти столько органического вещества, сколько его образуется при фотосинтезе. При разложении органических соединений поглощается почти весь выделившейся кислород при фотосинтезе. Однако 23% отмершей биомассы не окисляется, переходит в трудноразлагаемые соединения гуминовых кислот, гумина и на время выходит из биологического круговорота. На их окисление кислород не тратится и постепенно может накапливаться в атмосфере. Таким образом, усиление процесса гумификации, образование устойчивых к разложению органических соединений способствует накоплению кислорода в атмосфере. При увеличении гумуса в почвах дополнительные количества кислорода могут компенсировать его траты на окисление различных видов топлива при сжигании. Поэтому увеличение гумусированности почв имеет глобальное значение.

6.3. Поток кислорода в атмосферу. Образование О₂ при фотосинтезе.

Источником выделения кислорода в фотосинтезе является вода. Это открытие было сделано профессором Кембриджского университета Р.Хиллом в 1937 году. Он установил, что изолированные хлоропласты под действием света разлагают воду и выделяют кислород, если в среде имеются окислители, акцепторы электрона. Процесс разложения воды хлоропластами с выделением кислорода получил название реакции Хилла. Он идет в три этапа:

свет

1. 4 Н₂О 4Н⁺ + 4 ОН⁻

хлоропласты

2. 4 ОН⁻2 Н₂О + 4ē + О₂

3. бензохинон + 4Н⁺ + 4ē гидрохинон.

Кислород из воды выделяется в световых реакциях, локализованных на мембране тилакоида. Происходит фотоокисление воды, выделяется кислород, синтезируются АТФ и NADФН. Этот процесс осуществляется в хлоропластах при переносе электронов по цепи переносчиков. При поочередном окислении-восстановлении переносчиков происходит перенос электронов по цепи, который сопровождается высвобождением (окисление) или поглощением (восстановление) энергии.

Первым источником кислорода были предки цианобактерий – фотосинтезирующие прокариоты. Затем, выделять кислород в атмосферу стали цианобактерии и водоросли, затем высшие растения. По данным М.Шидловского (1980) весь выделившийся в результате фотосинтеза кислород связан в оксидах железа на 56%, в сульфатах на 39%, в свободном состоянии в атмосфере и Океане находится только 5%.

6.4. Поглощение кислорода в процессах аэробного и анаэробного дыхания прокариот при разложении органических субстратов. Поток О₂ из атмосферы в почву и Океан.

Все существующие на Земле прокариоты поглощают кислород, если он есть, даже строгие анаэробы. Кислород является обязательным компонентом любой живой клетки. При аэробном дыхании конечным

акцептором электронов в цепи переноса является молекулярный кислород, поэтому для аэробных микроорганизмов кислород является необходимым ростовым веществом. Кроме этого, молекулярный кислород необходим в реакциях включения его в некоторые молекулы (стероидов, каротиноидов, некоторых жирных кислот и т.п.), для начальных этапов окисления некоторых субстратов (например метана, ароматических молекул при их расщеплении с помощью моно- и диоксигеназ (минерализация лигнина, например)). Кислород необходим при работе оксидаз (например, глюкозооксидазы, цитохромоксидазы) и совершенно необходим как конечный акцептор электронов в дыхательной цепи.

В результате процессов окисления энергия, высвобождаемая при электронном транспорте на молекулярный кислород, трансформируется в химическую форму в молекулах АТФ. Реакции взаимодействия клетки с молекулярным кислородом делятся на 2 типа. Первый тип реакций катализируется трансферазами (диоксигеназами), которые осуществляют прямое присоединение молекулы кислорода к молекуле субстрата:

А + О₂ АО₂

Акцепторами кислорода могут быть молекулы двух разных субстратов: х + у + О₂ хО + уО. Такие реакции не связаны с получением энергии, представляют собой свободное окисление.

Второй тип реакций связан с получением энергии. Кислород выполняет функцию конечного акцептора электронов. Электроны от НАДH идут к кислороду по электрон-транспортной дыхательной цепи через серию переносчиков и акцептируется молекулой кислорода. Это приводит к ее полному восстановлению до Н₂О или неполному до О₂⁻ или Н₂О₂. Электронный транспорт сопряжен с формированием, образованием АТФ. Таким образом, свободный кислород поглощается в двух процессах: акцептирует электроны, превращаясь в воду или перекиси, или внедряется в субстраты с помощью оксигеназ. У анаэробных прокариот кислород, включаемый в молекулу субстрата, происходит не из О₂, а из воды, нитратов, карбонатов, сульфатов и др.

Как только в атмосфере Земли появился свободный кислород, возникла возможность переносить на него электроны, восстанавливая до воды. Этот перенос может быть связан с получением энергии только в случае, если: 1. сформирована электрон-транспортная цепь с переносчиками электронов; 2. сформирован ферментный комплекс, преобразующий электрохимическую энергию, возникающую при электронном транспорте, в

химическую в форме АТФ. Известно, что в клеточных мембранах функционируют ферменты-АТФ-синтазы (АТФ-азы), сопряженные с электронным транспортом. Их задача трансформировать электрохимическую энергию в энергию химических связей в АТФ.

Электрон-транспортные цепи, состоящие из нескольких ферментных комплексов, включают реакции окисления доноров электронов (НАДH, например), которое сопряжено с переносом протонов через плазматическую мембрану клетки. Электрон-транспортная цепь (ЭТЦ) представляет собой не единый комплекс ферментов, а набор отдельно расположенных компонентов, обязательно включающих дегидрогеназу и редуктазу, которые связаны с хиноном. Дегидрогеназы катализируют восстановление хинона, редуктазы – реокисление хинона. В качестве хинонов в ЭТЦ могут быть убихинон, менахинон, деметилменахинон, метилменахинон. Реокисление убихинона с переносом электрона на кислород катализирует цитохром хинолоксидаза или цитохромоксидаза.

В состав ферментов дыхательной цепи входят цитохромы – белки, содержащие гемы а, b, c, d. Структура гема представлена на рисунке.

H₃C

H₃C

N N

Fe²⁺

N N

CH₃

CH₂CH₂

COOH COOH

Рис. Структура гема

В отсутствии кислорода акцептором электронов может служить другое соединение (нитрат, сульфат и т.п.), рудектаза которого получает электроны от цитохрома с или другого переносчика, способного взаимодействовать с хинол-цитохром с-оксиредуктазой. Ее называют bc₁-комплексом или комплексом III. Она содержит Fe-S белок, гем с и две группы гема b.

Для синтеза 1 АТФ достаточно 150 – 300 mB. Образование АТФ происходит в определенных местах ЭТЦ (пунктах сопряжения), где находятся АТФ-синтазы (АТФ-азы). Цепь начинается с окисления восстановленных пиридиннуклеотидов (НАДH, НАДH₂). При полном окислении субстрата единственным окисленным продуктом является СО₂, а конечным этапом окисления – цикл трикарбоновых кислот или окислительный пентозофосфатный путь.

Схема электрон-транспортной цепи представлена на рисунке.

Рис. Схема ЭТЦ митохондрий (ФП-флавопротеид).

В процессах анаэробного дыхания используется связанный кислород в нитратах, сульфатах и т.п., который также поступил из атмосферы при образовании этих соединений. Расход кислорода на эти процессы по данным Дж.Уолкера (1980) (цит. по Добровольскому, 2003) составляет 70*10¹⁵ т/год, а поглощение О₂ процессами аэробного дыхания 210*10¹⁵ т/год.