Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад

Фотосинтетический кислород: роль H2 O2


По современным представлениям фотосинтетический кислород выделяется из воды. Имеется ряд соединений, аналогов H2 O, взаимодействующих с водоокисляющим комплексом. Посреди их особенный энтузиазм представляет пероксид водорода в связи с его вероятным ролью в фотосинтетическом выделении O2 . Есть догадки об H2 O2 как промежном продукте окисления H Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад2 O и даже как об начальном субстрате-доноре электронов. У неких цианобактерий и водных растений выделение O2 прекращается в анаэробных критериях. Исследования роли H2 O2 в фотосинтетическом выделении O2 представляются многообещающими.

According to current views, the photosynthetic oxygen is evolved from the water. There is a number of compounds Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад, of the H2 O analogues, interacting with the water-oxidizing complex. Among these compounds, of particular interest is hydrogen peroxide as a possible participant in photosynthetic O2 evolution. There are the assumptions of H2 O2 as an intermediate in H2 O oxidation and, moreover, as the starting electron donor Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад substrate. In several cyanobacteria and algae, O2 evolution in the light is ceased under the anaerobic conditions. The elucidation of the H2 O2 role looks promising for the studies on photosynthetic O2 evolution.

Базовая неувязка биохимии - механизм фотосинтетического выделения кислорода. Неувязка не нова, появилась со времен Джозефа Пристли, открывшего в 1771 г Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад. фотосинтетический кислород. Значимость ее решения тяжело переоценить: галлактическая роль зеленоватого листа по К.А.Тимирязеву заключается в фотосинтезе органических веществ и молекулярного кислорода - субстратов, обеспечивающих жизнедеятельность хемотрофных организмов. Неувязка фотосинтетического кислорода имеет полный нрав, исследования ведутся в почти всех лабораториях мира. В последние годы в решении препядствия Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад наметился определенный прогресс. Вместе с фундаментальностью, неувязка имеет и прикладную перспективу, а именно, ее решение позволило бы использовать принципы фотосинтетического механизма для получения из воды молекулярного водорода в качестве энергоэлемента.

По современным представлениям фотосинтетический кислород выделяется из воды [1]. Фотосистема (ФС) II хлоропластов и цианобактерий работает как H2O:пластохинон-оксидоредуктаза Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад [2]:

H2 O → (Mn)4 → YZ → P680 → Фео → QA → QB QP → QZ (b6 f ),

где (Mn)4 - четырехъядерный Mn-кластер водоокисляющего комплекса (ВОК), YZ - остаток тирозина-161 в полипептиде D1 фотосистемы II, P680 - обскурантистский центр ФСII, Фео - промежный акцептор электронов (феофитин), QA и QB - первичный и вторичный пластохиноны, QP - мембранный фонд Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад пластохинона, QZ - участок связывания пластохинона в b6 f -цитохромном комплексе.

Окисление H2 O включает четыре одноэлектронные стадии, приводящие к поочередному скоплению окислительных эквивалентов в Mn-кластере. Соответственно, Mn-кластер может находиться в 5 разных окислительно-восстановительных состояниях, обозначаемых знаками S0 -S4 . Состояния S0 и S1 размеренны в мгле, S4 преобразуется в Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад S0 сопряженно с выделением O2 , состояния S2 и S3 не устойчивы и релаксируют в мгле в состояние S1 за 10-ки секунд. В мгле соотношение S1 : S0 составляет 3-4, потому в критериях импульсного освещения, когда любая световая вспышка вызывает один оборот P680, наибольший выход O2 из H2 O наблюдается в ответ Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад на 3-ий импульс; на 1-ый импульс O2 не выделяется.

Данные структурных исследовательских работ позволяют представить, что (Mn)4 представляет собой димер из 2-ух биядерных центров. Это согласуется с данными о многофункциональной неоднородности 4 Mn-центров (см. [3] и цитированную там литературу). Одна из (Mn)2 -групп, (Mn-Mn)ВОК , образует каталитический центр Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад ВОК; другая, (Mn-Mn)C , по-видимому, служит регулятором многофункциональной активности (Mn-Mn)ВОК . Существует ряд соединений, аналогов H2 O, взаимодействующих с ВОК. Так, окисление NH2 OH и NH2 NH2 ведет к образованию сверхвосстановленных состояний (Mn)4 -кластера - состояний S-1 и S-2 [3]: протекают реакции S1 → S-1 и S2 → S-2 , которые в Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад рамках представлений о биядерных (Mn)2 -группах могут соответствовать переходам:

и

Особенный энтузиазм посреди аналогов H2 O представляет пероксид водорода. В присутствии H2 O2 хлоропласты выделяют O2 в ответ на 1-ый световой импульс [4]. Этот итог доказан в опытах с H2 18 O2 [5]. В темноадаптированных тилакоидах хлоропластов H2 O2 вызывает переход S1 → S-1 [4, 5]. При всем Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад этом устанавливается соотношение S0 : S-1 : S1 , близкое к 0 : 6 : 4 [5]. Состояние S-1 размеренно и не релаксирует, само мало, в течение 15 мин [5]. Одиночный световой импульс вызывает переход S-1 /S1 → S0 /S2 , который инициирует темновую реакцию окисления H2 O2 с образованием O2 [4,5]. Как продемонстрировано в опытах с H2 18 O2 , весь O Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад2 выделяется из H2 O2 [5], в расчете на 1 P680 после одиночной вспышки света выделяется более 20 молекул O2 . Эта реакция, схожая каталазной реакции, предположительно обоснована восстановлением S2 до S0 средством H2 O2 (E0 ' для O2 /H2 O2 равен 0,295 В) и следующим H2 O2 -зависимым окислением S0 до S2 (E0 ' для H2 O Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад2 /H2 O равен 1,42 В). Реакции S-состояний, вызываемые H2 O2 , иллюстрирует схема (по [5]).

Переходы S2 → S1 и S0 S-1 приводят к постепенному затуханию темнового выделения O2 из H2 O.

Имеются данные о том, что выделение O2 из H2 O2 в итоге повторяющегося перехода S2 → S0 → S2 может Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад быть без подготовительного воздействия одиночным световым импульсом [6-8]. Процесс находится в зависимости от (Mn)4 , Ca2+ и Cl- [6]. Эти данные, но, подвергнуты критике [9]. А именно, комплексы ФСII, лишенные субъединиц ВОК с молекулярной массой 17 и 24 кДа ( на которых проводились опыты [6-8]), по данным работы [10] при воздействии H2 O2 теряют Mn, а по данным Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад работы [8] вполне сохраняют его и при всем этом характеризуются отсутствием шестиполосного сигнала ЭПР от Mn2+ , находящегося в аква окружении. Утверждается [9], что таковой сигнал в критериях комнатной температуры, в каких проводились измерения [8], должен региться и в образчиках с нативным Mn-кластером ВОК. Тилакоидные мембраны, обедненные Cl- , не способны к фотоокислению H Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад2 O, но выделяют O2 из H2 O2 на свету [11]. Опыты с антибиотиком A23187 (осуществляющим трансмембранный обмен двухвалентных катионов на 2H+) и данные о действии добавленного Mn2+ склонили создателей работы [11] к предположению о том, что фотоокисление H2 O2 в таких мембранах катализируется свободным либо лабильно связанным Mn, возникающим в Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад итоге H2 O2 -зависимой деструкции (Mn)4 , входящего в состав ВОК. Добавленный Mn2+ поддерживает окисление H2 O2 в тилакоидных мембранах, обогащенных ФСII и за ранее лишенных Mn [12].

Таким макаром, к истинному времени нет ясности по вопросу, нужен ли для выделения O2 из H2 O2 интактный ВОК. Либо этот процесс протекает и после деструкции Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад ВОК? В данном случае пути окисления H2 O и H2 O2 расползаются, тогда и исследование разложения H2 O2 в качестве подхода для зания механизма выделения O2 из H2 O теряет смысл.

Но имеются данные, приобретенные с применением другого подхода. В определенных критериях электрон-донорная ветвь ФСII может Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад генерировать H2 O2 . Образование H2 O2 на свету вызывают ADRY-реагенты (ADRY - от британского "Acceleration of Deactivation Reactions of the Water-Oxidizing Complex Y", см. [2] в качестве обзора) [13] - соединения, которые, окисляясь, ускоряют дезактивацию S2 - и S3 -состояний с образованием S1 . H2 O2 появляется в вывернутых тилакоидных мембранах, если они лишены Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад 16- и 23 кДа-полипептидов ВОК [14]. Процесс находится в зависимости от добавленного Mn2+ и угнетается ЭДТА. Освещение мембран, обогащенных ФСII в итоге обработки детергентом, тоже приводит к образованию H2 O2 [15, 16], как подразумевают создатели, в электрон-донорной ветки ФСII.

H2 O2 , образованный в электрон-донорной ветки ФСII, высвобождается только при кислотной Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад обработке мембран - при понижении pH до 1,4 [15]. Связанный H2 O2 появляется на первую вспышку света, на следующие вспышки наблюдаются осцилляции с периодом в два такта: на нечетные вспышки H2 O2 появляется, а на четные - исчезает. Выход связанного H2 O2 составляет 0,35 моль на 1 моль P680. Связанный H2 O2 появляется и в Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад мембранах, лишенных Mn, но без осцилляций на поочередные вспышки света [15].

Условием образования H2 O2 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 электрические эквиваленты более чем в 1,5 раза Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад превосходит количество выделенного O2 . Разница стирается при добавлении каталазы [16]. Это свидетельствует о том, что значимая толика электрического транспорта через ФСII имеет результатом не выделение O2 , а образование H2 O2 [16]. Предлагаются два вероятных варианта разъяснения приобретенных результатов [16]: образование H2 O2 как промежного продукта на пути окисления H2 O Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад до O2 либо как продукта, возникающего в итоге замыкания цикла S-состояний (S2 - либо S3 -состояния Mn-кластера релаксируют соответственно в S0 либо S1 с высвобождением H2 O2 ).

Таким макаром, и этот подход не дает конкретных результатов относительно роли H2 O2 в фотоокислении H2 O. Более того, при одноэлектронном восстановлении Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад O2 компонентами электрон-акцепторных веток ФСII и ФСI появляется O2 -. (см. [17] и цитированную там литературу). В изолированных хроматофорах пурпуровых микробов окисляется вторичный хинон, более возможно, в форме семихинона [18, 19]. При обработке хроматофоров детергентами с O2 ведет взаимодействие бактериофеофитин [20]. В модельных системах кислородом окисляются фотовозбужденные хлорофилл а и бактериохлорофилл Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад а [21, 22]. Комплексы ФСII владеют высочайшей активностью супероксиддисмутазы [17], катализирующей реакцию:

2O2 -. + 2H+ → H2 O2 + O2 .

Применение еще 1-го подхода, "эволюционного", к дилемме фотосинтетического кислорода представляется многообещающим. Эволюционно творцами оксигенного фотосинтеза стали цианобактерии. Многие из их образуют на свету H2 O2 [23]. Перенос электронов на O2 с следующим образованием H2 O2 у цианобактерии Microcoleus Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад chtonoplastes добивается 40% общего потока электронов через ФСII [24]. Исследованная цианобактерия имеет высшую активность супероксиддисмутазы и не содержит каталазы [24].

В критериях импульсного освещения изолированные тилакоиды Oscillatoria chalybea выделяют O2 в ответ на первую световую вспышку (см. [25] и цитированную там литературу). Такие же данные получены с представителями Synechocystis и Synechococcus Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад . Масс-спектрометрический анализ показал, что освещение мембран O. chalybea в присутствии H2 18 O2 либо 18 O2 в газовой фазе приводит к выделению 18 O2 . Изготовлен вывод о том, что 18 O2 , добавленный в газовую фазу, растворяется в аква фазе, поглощается мембранами и преобразуется в компонент, который окисляется при освещении с выделением 18 O2 . Данные изотопного Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад рассредотачивания (16 O2 , 16 O18 O, 18 O2 ) демонстрируют, что кислород выделяется не из H2 18 O, так как сигнал 16 O18 O, который безизбежно должен появляться при окислении воды, невелик. Как следует, 18 O2 выделяется из H2 18 O2 , образующегося в итоге темнового поглощения 18 O2 из газовой фазы [25]. Фотоокисление воды у O. chalybea тоже Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад происходит, но толика H2 O в светозависимом выделении O2 существенно ниже, чем толика H2 O2 . В анаэробных критериях выход O2 на свету значительно понижается, при всем этом угнетается выделение O2 из H2 O2 , но не из H2 O [25]. Анаэробиоз ингибирует также фотовыделение O2 зеленоватой водорослью Ulva sp. [26].

Таким Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад макаром, для фотосинтетического выделения O2 обозначенными организмами требуется, чтоб в среде содержался O2 , более возможно, как субстрат для образования H2 O2 . Подразумевается, что H2 O2 является эволюционным предшественником H2 O в качестве донора электронов для ФСII [25].

Более того, выдвинуто предположение [27], что в процессе современного фотосинтеза O2 выделяется не из H2 O Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад, а из H2 O2 экзогенного и эндогенного (внутриклеточного) происхождения.

Процессы образования H2 O2 в атмосфере и природных водоемах, также в клеточках микробов тщательно рассмотрены в обзоре [28]. Отметим только, что согласно расчетам [28] на каждый квадратный метр поверхности суши и океанов за год с осадками выпадает ~ 200 г H2 O Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад2 [28], до 15% O2 , потребляемого организмом животного, преобразуется в H2 O2 [29]. Генераторами H2 O2 в фотосинтезирующей клеточке являются тилакоидные мембраны, митохондрии, пероксисомы, эндоплазматический ретикулум. Концентрация H2 O2 в водоемах в среднем составляет 10-6 М [28]. Для использования в фотосинтезе мало. Потому предполагаются механизмы концентрирования H2 O2 в клеточке, к примеру, в итоге транспирации [27]. Напомним, что концентрация Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад CO2 в воздухе тоже невелика - 0,03%.

Если H2 O2 принять в качестве эволюционного предшественника H2O как донора электронов при фотосинтезе, то для образования H2 O2 был нужен O2 . Мог ли O2 показаться в добиогенный период развития Земли? Кислород современной земной атмосферы на 2,3% тяжелее кислорода, образующегося фотосинтетически [30]. Как следует Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад, кроме фотосинтеза должен быть другой источник O2 , поставляющий его в атмосферу. "...свободный кислород в газовой фазе появился на Земле в глубочайшей древности, т.е. в ранешном докембрии, в итоге дегазации базальтовой магмы, подобно тому как появились в атмосфере и другие газы. Более того, он продолжает поступать из Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад недр земли по сей день. Магма является тем первым массивным источником кислорода в природе, который определяет количество и качество его в атмосфере вместе с показавшимся несколько позже кислородом фотосинтетическим" ([30], стр. 10). Кислород современной атмосферы на 30% имеет фотосинтетическое и на 70% геологическое (из недр земли) происхождение [30]. По данным минералогии, как было отмечено В.Н Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад.Вернадским [31], в границах научно изученных геологических периодов состав воздуха не изменялся.

Рассмотренные данные демонстрируют, что H2 O2 , может быть, играет важную роль в системе фотосинтетического выделения O2 , но эти данные не поддаются конкретной интерпретации. H2 O2 - промежный продукт окисления H2 O либо начальный субстрат-донор электронов? Пока нельзя Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад даже ответить на вопрос: H2 O2 - это отлично либо плохо для фотосинтеза? Имеются данные о губительном действии H2 O2 . H2 O2 , образующийся как в электрон-донорной, так и в электрон-акцепторной ветки ФСII, вызывает фотоингибирование ВОК [32].

Таким макаром, представление о воде как доноре электронов и источнике кислорода при фотосинтезе не является Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад конкретным. В последние годы появились данные об участии H2 O2 в фотосинтетическом выделении O2 . Исследования в этой области представляются многообещающими.

Работа поддержана Русским фондом базовых исследовательских работ (грантом 94-04-12227-а).

Перечень литературы
  1. Самуилов В.Д. (1993) Биохимия , 58,1481-1485.
  2. Самуилов В.Д., Киташов А.В. (1996) Биохимия , 61, 404-411.
  3. Messinger, J., and Renger Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад, G. (1993) Biochemistry , 32, 9379-9386.
  4. Velthuys, B., and Kok, B. (1978) Biochim. Biophys. Acta , 502, 211-221.
  5. Mano, J., Takahashi, M., and Asada, K. (1987) Biochemistry , 26, 2495-2501.
  6. Frasch, W.D., and Mei, R. (1987) Biochim. Biophys. Acta , 891, 8-14.
  7. Frasch, W.D., and Mei, R. (1987) Biochemistry , 26, 7321- 7325.
  8. Frasch, W.D., Mei, R., and Sanders, M.A. (1988) Biochemistry , 27, 3715-3719.
  9. Debus, R.J. (1992) Biochim. Biophys Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад. Acta , 1102, 269-352.
  10. Ghanotakis, D.F., Topper, J.N., and Yocum, C.F. (1984) Biochim. Biophys. Acta , 767, 524-531.
  11. Sandusky, P.O., and Yocum, C.F. (1988) Biochim. Biophys. Acta , 936, 149-156.
  12. Klimov, V.V., Allakhverdiev, S.I., Shuvalov, V.A., and Krasnovsky, A.A. (1982) FEBS Lett ., 148, 307-312.
  13. Sayre, R.T., and Homann, P.H. (1979) Arch. Biochem. Biophys ., 196, 525-533.
  14. Schroder Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад, W.P., and Akerlund, H.-E. (1986) Biochim. Biophys. Acta , 848, 359-363.
  15. Ананьев Г.М., Климов В.В. (1988) Докл. АН СССР , 298, 1007-1011.
  16. Wydrzynski, T., Angstrom, J., and Vanngard, T. (1989) Biochim. Biophys. Acta , 973, 23-28.
  17. Ananyev, G., Renger, G., Wacker, H., and Klimov, V.V. (1994) Photosynth. Res ., 41, 327-338.
  18. Remennikov, V.G., and Samuilov, V.D. (1979) Biochim. Biophys. Acta , 546, 220-235.
  19. Remennikov Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад, V.G., and Samuilov, V.D. (1979) Arch. Microbiol ., 123, 65-71.
  20. Ременников В.Г., Самуилов В.Д. (1980) Докл. АН СССР , 252, 491-494.
  21. 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.
  22. Барский Е.Л., Камилова Ф.Д., Ременников Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад В.Г., Самуи-лов В.Д. (1986) Биофизика , 31, 789-792.
  23. Stevens, S.E., Patterson, C.O.P., and Myers, J. (1973) J. Phycol ., 9, 427-435.
  24. Дубинин А.В., Застрижная О.М., Гусев М.В. (1992) Микробиология , 61, 384-389.
  25. Bader, K.P. (1994) Biochim. Biophys. Acta , 1188, 213-219.
  26. Popovic, R., Swenson, S.I., Colbow, K., Vidaver, W.E., and Bruce, D. (1987) Photosynthetica , 21, 165-174.
  27. Комиссаров Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад Г.Г. (1995) Хим. физика , 14, 20-28.
  28. Штамм Е.В., Пурмаль А.П., Скурлатов Ю.И. (1991) Успехи химии , 60, 2373-2411.
  29. Oshino, N., Jamieson, D., Sugano, T., and Chance, B. (1975) Biochem J ., 146, 67-73.
  30. Бгатов В.И. (1985) История кислорода земной атмо-сферы . Недра, Москва.
  31. Вернадский В.Н. (1955) Избр. соч ., Т. 2, Изд-во АН СССР, Москва, с. 448.
  32. Bradley, R Фотосинтетический кислород: роль H2O2 - доклад.L., Long, K.M., and Frash, W.D. (1991) FEBS Lett ., 286, 209-213.

foto-predostavleni-avtorom.html
foto-v-profil-22062017g-gsemej.html
fotoapparat-doklad.html