Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

В целом в процессе фотосинтеза в растениях углекислый газ (СО 2) из воздуха превращается в простые органические молекулы, такие как сахара (общая формула СН 2О). Затем в митохондриях эти сахара сжигаются с образованием дополнительного АТФ (см. главу 3), а также превращаются в другие углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых строятся клетки. В главе 5 мы узнали о самом распространенном на планете ферменте Рубиско, который включает водород в молекулу углекислого газа. Однако, чтобы фермент работал, его нужно снабжать исходными материалами. Углекислый газ содержится в воздухе и растворен в океанской воде, так что с ним все просто. Получить водород сложнее — он очень быстро вступает в реакции (особенно с кислородом с образованием воды) и настолько легкий, что улeтучивается в космическое пространство. Таким образом, для доставки водорода нужна специализированная система. На самом деле в этом и заключается суть фотосинтеза, но на протяжении многих лет никто ее не понимал. Забавно, что ученые открыли механизм фотосинтеза только тогда, когда поняли, откуда берется кислород.

При оксигенном фотосинтезе водород происходит из воды, а вот происхождение кислорода точно неизвестно. Из суммарного уравнения фотосинтеза следует, что кислород берется либо из углекислого газа, либо из воды:

Сначала ученые думали, что кислород происходит из углекислого газа. Это вполне логичное, но, как оказалось, совершенно неверное предположение. Ошибка была обнаружена в 1931 г., когда Корнелис ван Нил показал, что один штамм фотосинтезирующей бактерии в присутствии света использует углекислый газ и сероводород (Н 2S) для производства углеводородов и серы, но при этом не выделяет кислород:

На основании химического сходства между молекулами Н 2S и H 2О он предположил, что растения могут извлекать кислород вовсе не из углекислого газа, а из воды и что суть фотосинтеза в обоих случаях одна и та же. Справедливость этого предположения в 1937 г. доказал Роберт Хилл, который обнаружил, что при замене углекислого газа феррицианидом железа (который не содержит кислорода) растения перестают расти, но продолжают производить кислород. Наконец, в 1941 г., когда был выделен тяжелый изотоп кислорода 18О, Сэмюэл Рубен и Мартин Кеймен попробовали выращивать растения на воде, содержащей тяжелый изотоп кислорода. Выделяемый растениями кислород состоял исключительно из тяжелого изотопа, происходившего из воды. Это позволило окончательно подтвердить, что кислород при фотосинтезе берется не из углекислого газа, а из воды.

Таким образом, при оксигенном фотосинтезе из воды экстрагируются атомы водорода (точнее, протоны (Н +) и электроны (е -)), а ненужный растениям кислород выделяется в воздух. Воду расщеплять трудно, поэтому единственное преимущество заключается в ее доступности. Для экстракции протонов и электронов из воды нужно гораздо больше энергии (примерно в полтора раза), чем для их извлечения из сероводорода. Для получения этой дополнительной энергии необходим специальный «высоковольтный» молекулярный механизм, который, по-видимому, эволюционировал на основе «низковольтного» фотосинтетического аппарата, ранее применявшегося для расщепления сероводорода. Чтобы понять, как это произошло, нужно подробнее изучить механизм фотосинтеза.

Вне зависимости от того, какая молекула (сероводород или вода) является источником атомов водорода, возбуждение атомов происходит за счет энергии электромагнитного излучения, которое мы называем солнечным светом. Все электромагнитные лучи, включая свет, состоят из множества фотонов, каждый из которых обладает определенной энергией. Энергия фотона связана с длиной волны света, измеряемой в нанометрах. Чем меньше длина волны, тем больше энергия. Это означает, что фотоны ультрафиолетового света (длина волны менее 400 нм) обладают более высокой энергией, чем фотоны красного света (длина волны от 600 до 700 нм), которые, в свою очередь имеют бóльшую энергию, чем инфракрасные фотоны (длина волны 800 нм).

Взаимодействие света с веществом происходит на уровне фотонов. В процессе фотосинтеза фотоны поглощаются молекулой хлорофилла. Но хлорофилл поглощает не любые фотоны: его возможности определяются структурой связей в молекуле. Хлорофилл растений поглощает фотоны красного света с длиной волны 680 нм. Хлорофилл аноксигенной пурпурной фотосинтезирующей бактерии Rhodobacter sphaeroides относится к другому типу и поглощает фотоны с меньшим уровнем энергии из инфракрасного диапазона (длина волны 870 нм) [39] Поскольку растения поглощают красный свет и отражают синий и желтый, нам они кажутся зелеными. На самом деле, хлорофилл — не единственная светопоглощающая молекула. Другие пигменты, такие как каротиноиды, тоже поглощают свет с разной длиной волны и передают его энергию хлорофиллу. Именно общий спектр поглощения всех пигментов придает растениям зеленую окраску. .

Когда хлорофилл поглощает фотон, его внутренние связи получают дополнительную энергию, что приводит к выталкиванию электрона из молекулы. При потере электрона хлорофилл переходит в неустойчивую, реакционноспособную форму. Однако он не может возвратиться в исходное состояние, просто вернув себе свой электрон. Электрон исчезает в молекуле расположенного поблизости белка и передается по цепочке связанных белков — как мяч в регби, переданный через все поле по цепочке игроков [40] Электрон движется по электрохимическому градиенту от соединений с низким сродством к электронам (с низким редокс-потенциалом) к соединениям с высоким сродством к электронам (с высоким редокс-потенциалом). Электронтранспортная цепь представляет собой набор белков и других молекул, способных передавать электроны и связанных между собой в порядке возрастания электрохимического потенциала. Обычно электроны плавно проходят по цепи от одного конца до другого, но иногда кислород выхватывает их и превращается в супероксидный радикал. На некоторых участках цепи переход электрона от одной молекулы к другой обеспечивает достаточное количество энергии для производства АТФ. . Энергия этого электрона используется для синтеза АТФ, как при митохондриальном дыхании.

Присвоение электрона можно приравнять к присвоению половины атома водорода, поскольку атом водорода состоит всего из одного протона и одного электрона. Чтобы присоединить протон, нужно приложить еще немного усилий. В результате электростатических перестроек положительно заряженный протон (из воды в случае оксигенного фотосинтеза) следует за отрицательно заряженным электроном. В конечном итоге протон и электрон при помощи Рубиско соединяются в атоме водорода в молекуле сахара.