Объяснение такого объемного материала, каким является фотосинтез, лучше проводить на двух спаренных уроках – тогда не теряется целостность восприятия темы. Урок необходимо начать с истории изучения фотосинтеза, строения хлоропластов и проведения лабораторной работы по изучению хлоропластов листа. После этого необходимо перейти к изучению световой и темновой фаз фотосинтеза. При объяснении реакций, происходящих в этих фазах, необходимо составить общую схему:
По ходу объяснения надо нарисовать схему световой фазы фотосинтеза .
1. Поглощение кванта света молекулой хлорофилла, которая находится в мембранах тилакоидов гран, приводит к потере ею одного электрона и переводит ее в возбужденное состояние. Электроны переносятся по электронтранспортной цепи, что приводит к восстановлению НАДФ + до НАДФ Н.
2. Место вышедших электронов в молекулах хлорофилла занимают электроны молекул воды – так вода под действием света подвергается разложению (фотолизу). Образовавшиеся гидроксилы ОН– становятся радикалами и объединяются в реакции 4 ОН – → 2 H 2 O +O 2 , приводящей к выделению в атмосферу свободного кислорода.
3. Ионы водорода Н+ не проникают через мембрану тилакоида и накапливаются внутри, заряжая его положительно, что приводит к увеличению разности электрических потенциалов (РЭП) на мембране тилакоида.
4. При достижении критической РЭП протоны устремляются по протонному каналу наружу. Этот поток положительно заряженных частиц используется для получения химической энергии с помощью специального ферментного комплекса. Образовавшиеся в результате молекулы АТФ переходят в строму, где участвуют в реакциях фиксации углерода.
5. Ионы водорода, вышедшие на поверхность мембраны тилакоида, соединяются с электронами, образуя атомарный водород, который идет на восстановление переносчика НАДФ + .
Спонсор публикации статьи группа компаний "Арис". Производство, продажа и аренда строительных лесов (рамные фасадные ЛРСП, рамные высотные А-48 и др.) и вышек-тур (ПСРВ "Арис", ПСРВ "Арис компакт" и "Арис-дачная", помосты). Хомуты для строительных лесов, строительные ограждения, колесные опоры для вышек. Узнать подробнее о компании, посмотреть каталог продукции и цены, контакты Вы сможете на сайте, который располагается по адресу: http://www.scaffolder.ru/.
После рассмотрения данного вопроса, проанализировав его еще раз по составленной схеме, предлагаем учащимся заполнить таблицу.
Таблица. Реакции световой и темновой фаз фотосинтеза
После заполнения первой части таблицы можно перейти к разбору темновой фазы фотосинтеза .
В строме хлоропласта постоянно присутствуют пентозы – углеводы, представляющие собой пятиуглеродные соединения, которые образуются в цикле Кальвина (цикл фиксации углекислого газа).
1. К пентозе присоединяется углекислый газ, образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое распадается на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (ФГК).
2. Молекулы ФГК принимают от АТФ по одной фосфатной группе и обогащаются энергией.
3. Каждая из ФГК присоединяет по одному атому водорода от двух переносчиков, превращаясь в триозу. Триозы, объединяясь, образуют глюкозу, а затем крахмал.
4. Молекулы триозы, объединяясь в разных сочетаниях, образуют пентозы и вновь включаются в цикл.
Суммарная реакция фотосинтеза:
Схема. Процесс фотосинтеза
Тест
1. Фотосинтез осуществляется в органеллах:
а) митохондрии;
б) рибосомы;
в) хлоропласты;
г) хромопласты.
2. Пигмент хлорофилл сосредоточен в:
а) оболочке хлоропласта;
б) строме;
в) гранах.
3. Хлорофилл поглощает свет в области спектра:
а) красной;
б) зеленой;
в) фиолетовой;
г) во всей области.
4. Свободный кислород при фотосинтезе выделяется при расщеплении:
а) углекислого газа;
б) АТФ;
в) НАДФ;
г) воды.
5. Свободный кислород образуется в:
а) темновой фазе;
б) световой фазе.
6. В световой фазе фотосинтеза АТФ:
а) синтезируется;
б) расщепляется.
7. В хлоропласте первичный углевод образуется в:
а) световой фазе;
б) темновой фазе.
8. НАДФ в хлоропласте необходим:
1) как ловушка для электронов;
2) в качестве фермента для образования крахмала;
3) как составная часть мембраны хлоропласта;
4) в качестве фермента для фотолиза воды.
9. Фотолиз воды – это:
1) накопление воды под действием света;
2) диссоциация воды на ионы под действием света;
3) выделение водяных паров через устьица;
4) нагнетание воды в листья под действием света.
10. Под воздействием квантов света:
1) хлорофилл превращается в НАДФ;
2) электрон покидает молекулу хлорофилла;
3) хлоропласт увеличивается в объеме;
4) хлорофилл превращается в АТФ.
ЛИТЕРАТУРА
Богданова Т.П., Солодова Е.А. Биология. Справочник для старшеклассников и поступающих в вузы. – М.: ООО «АСТ-Пресс школа», 2007.
Для темновых реакций, которые протекают в строме, свет не нужен. Восстановление СО 2 происходит за счет энергии (АТФ) и восстановительной силы (НАДФ·Н 2), образующихся при световых реакциях. Темновые реакции контролируются ферментами. Последовательность этих реакций была определена в США Кальвином, Бенсоном и Бэссемом в период с 1946 по 1953 г.; в 1961 г. Кальвину была присуждена за эту работу Нобелевская премия.
Эксперименты Кальвина
Работы Кальвина были основаны на использовании радиоактивного изотопа углерода 14 С (период полураспада 5570 лет, см. Приложение 1.3), который стал доступным для исследователей только в 1945 г. Кроме того, Кальвин применял бумажную хроматографию, которая в то время была сравнительно новым, еще мало распространенным методом. Культуры одноклеточной зеленой водоросли хлореллы (Chlorella) выращивали в специальном аппарате (рис. 9.17). Культуру выдерживали с 14 СО 2 в течение различных промежутков времени, затем клетки быстро фиксировали, выливая суспензию в горячий метанол. Растворимые продукты фотосинтеза экстрагировали, концентрировали и разделяли при помощи двумерной хроматографии на бумаге (рис. 9.18 и Приложение 1.8.2). Цель состояла в том, чтобы проследить путь, по которому меченый углерод попадает (через ряд промежуточных продуктов) в конечные продукты фотосинтеза. Положение радиоактивных соединений на бумаге определяли с помощью радиоавтографии : для этого на хроматограмму накладывали фотопленку, чувствительную к излучению 14 С, и она засвечивалась, т. е. чернела, в тех местах, где находились радиоактивные вещества (рис. 9.18). Уже за одну минуту инкубации с 14 СО 2 синтезировались многие сахара и органические кислоты, в том числе различные аминокислоты. Однако Кальвину удалось, используя очень короткие экспозиции - в течение 5 и менее секунд - идентифицировать первый продукт фотосинтеза и установить, что это кислота, содержащая три атома углерода, а именно фосфоглицериновая кислота (ФГК). Затем он выяснил всю цепь промежуточных соединений, по которой передается фиксированный углерод; эти стадии будут рассмотрены позднее. С тех пор эти реакции называют циклом Кальвина (или циклом Кальвина - Бенсона- Бэссема).
Рис. 9.18. А. Фиксация 14 СО 2 У водорослей при кратковременном освещении. Определение продуктов фиксации с помощью хроматографии на бумаге и радиоавтографии. Б. Радиоавтографы продуктов фотосинтеза, получающихся после кратковременного освещения водорослей в присутствии 14 СО 2
9.18. Какие преимущества дает применение долгоживущих радиоактивных изотопов в биологических исследованиях?
9.19. Какие преимущества можно получить, взяв хлореллу вместо высшего растения?
9.20. Почему сосуд аппарата Кальвина имеет плоскую, а не шарообразную форму?
Этапы пути углерода
Фиксация двуокиси углерода:
Акцептором СО 2 служит пятиуглеродный сахар (пентоза) рибулозобисфосфат (т. е. рибулоза с двумя фосфатными группами; раньше это соединение называли рибулозодифосфатом). Присоединение СО 2 к тому или иному веществу называется карбоксилированием , а фермент, катализирующий такую реакцию, - карбоксилазой . Образующийся шестиуглеродный продукт неустойчив и сразу же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК), которая и является первым продуктом фотосинтеза. Фермент рибулозобисфосфат-карбоксилаза содержится в строме хлоропластов в большом количестве - это фактически самый распространенный в мире белок.
Восстановительная фаза :
ФГК содержит три атома углерода и имеет кислотную карбоксильную группу (-СООН). ТФ - это триозофосфат, или глицеральдегидфосфат (трехуглеродный сахар); он имеет альдегидную группу (-СНО).
Для удаления кислорода из ФГК (т. е. для ее восстановления) используются восстановительная сила НАДФ·Н 2 и энергия АТФ. Реакция протекает в два этапа: сначала расходуется часть АТФ, образовавшегося в ходе световых реакций, а затем используется весь НАДФ·Н 2 , также полученный на свету. Суммарный результат - восстановление карбоксильной группы кислоты (-СООН) до альдегидной группы (-СНО). Продукт реакции - триозофосфат, т. е. трехуглеродный сахар с присоединенной к нему фосфатной группой. В этом соединении больше химической энергии, чем в ФГК, и это первый углевод, который образуется при фотосинтезе.
Регенерация акцептора для СО 2 - рибулозобисфосфата . Часть триозофосфата (ТФ) должна израсходоваться на регенерацию рибулозобисфосфата, который используется в первой реакции. Этот процесс представляет собой сложный цикл, в котором участвуют сахарофосфаты с 3, 4, 5, 6, 7 атомами углерода. Именно здесь и расходуется остальной АТФ. Все темновые реакции суммированы на рис. 9.19. На этом рисунке цикл Кальвина изображен в виде "черного ящика", в который с одной стороны поступают СО 2 и Н 2 О, а с другой стороны выходит триозофосфат. Как видно из этой схемы, остаток АТФ используется для фосфорилирования рибулозобисфосфата, однако детали этой сложной цепи реакций не показаны.
Из рис. 9.19 можно вывести такое суммарное уравнение:
Здесь важно обратить внимание на то, что на образование двух молекул триозофосфата идет шесть молекул СО 2 . Уравнение можно упростить, поделив все коэффициенты на 6:
9.21. Перерисуйте рис. 9.19, указав только число атомов углерода, участвующих в реакциях; например, вместо 6 РиБФ напишите "6 × 5С" и т. д.
Основные сведения о процессе фотосинтеза резюмированы в табл. 9.6.
| Световые реакции | Темновые реакции | |
| Локализация в хлоропластах | Тилакоиды | Строма |
| Реакции | Фотохимические, т. е. требуют света. Световая энергия вызывает перенос электронов от "доноров" электронов к их "акцепторам" либо по нециклическому, либо по циклическому пути. Участвуют две фотосистемы - Ι и ΙΙ. В них находятся молекулы хлорофиллов, которые при поглощении энергии света испускают электроны. Вода служит донором электронов для нециклического пути. Перенос электронов приводит к образованию АТФ (фотофосфорилированию) и НАДФ·Н 2 (см. также табл. 9.5). | Не требуют света. СО 2 фиксируется, когда связывается с пятиуглеродным акцептором - рибулозобисфосфатом (РиБФ); при этом образуются две молекулы трехуглеродного соединения-фосфоглицериновой кислоты (ФГК), первого продукта фотосинтеза. Происходит целый ряд реакций, в совокупности называемых циклом Кальвина; при этом регенерируется акцептор для СО 2 -РиБФ, а ФГК восстанавливается, превращаясь в сахар (см. также рис. 9.19). |
| Комбинированные уравнения |
Процесс фотосинтеза состоит из двух последовательных фаз: световой и темновой.
Световая фаза. Расположенные в хлоропластах молекулы хлорофилла поглощают лучи определенного участка спектра (красные и фиолетовые). Поглотив квант света, молекула хлорофилла возбуждается. Квант света срывает электрон с ее орбиты, в результате чего молекула хлорофилла окисляется, а электрон присоединяется к молекуле переносчика электронов .
В процессе последующих окислительно-восстановительных реакций электрон транспортируется другими переносчиками с более низкими окислительно-восстановительными потенциалами. Освобожденная при этом энергия используется прежде всего на образование АТФ из АДФ. Фотосинтетическое фосфорилирование – присоединение неорганического фосфата к АДФ с использованием энергии света . Различают циклическое и нециклическое фосфорилирование. При циклическом фосфорилировании восстановление молеул хлорофилла проходит за счет возвращения его собственных электронов, предварительно сорванных с орбиты квантом света. В этом случае образуется только АТФ за счет энергии электронов активированного светом хлорофилла.
В результате нециклического фосфорилирования хлорофилл восстанавливается за счет электронов гидроксильных ионов воды, которая предварительно подвергается фотолизу – фотохимическому расщеплению на ион водорода и гидроксил. На этом пути энергия электрона используется для «зарядки» АТФ, а протоны воды, соединяясь с НАДФ, образуют его восстановленную формулу – НАДФ. Н (с участием электронов, оторванных от молекулы хлорофилла). Кроме такого восстановления образуется и кислород из групп ОН. (рис).
Кроме АТФ энергия аккумулируется и в системе НАДФ – НАДФ. Н. Химическая энергия, аккумулированная в АТФ и НАДФ. Н используется в дальнейшем для синтеза органических соединений.
Процесс движения электронов при фосфорилировании не сопровождается мгновенной отдачей энергии. Это объясняется тем, что электроны с высших энергетических орбит могут переноситься от молекулы к молекуле системой переносчиков электронов, которыми являются пластохиноны, цитохромы, ферредоксин и другие соединения. Такая миграция электронов замедляет отдачу ими энергии, что биологически более целесообразно, чем одномоментная отдача энергии, которую соответствующие системы не успели бы «переработать».
Световая фаза проходит в мембране гран (рис.2).Под действием кванта света хлорофилл теряет электрон и переходит в возбужденное состояние:
Хл свет Хл * + е - .
Эти электроны передаются переносчиками на наружную (обращенную к матриксу) поверхность мембраны тилакоидов, где накапливаются. Одновременно внутри полостей тилакоидов происходит фотолиз:
Н 2 О свет Н + + ОН - .
Ионы гидроксила отдают свои электроны, превращаясь в реакционноспособные радикалы ОН:
ОН - – е - = ОН.
Образующиеся электроны передаются переносчиками к молекулам хлорофилла и восстанавливают их, а радикалы ОН объединяются, образуя перекись водорода, которая на свету быстро разлагается на воду и свободный кислород:
4ОН = 2Н 2 О 2 ; 2Н 2 О 2 = 2Н 2 О + О 2 .
Протоны водорода, образовавшиеся при фотолизе воды, не могут проникнуть через мембрану граны и накапливаются внутри нее, создавая и пополняя протонный резервуар . В результате внутренняя поверхность мембраны граны заряжается положительно (за счет Н +), а наружная – отрицательно (за счет е -). По мере накопления по обе стороны мембраны противоположно заряженных частиц нарастает разность потенциалов. При достижении ее критической величины сила электростатического поля начинает проталкивать протоны через канал АТФ-синтетазы, расположенный в АТФсоме. На выходе из протонного канала создается высокий уровень энергии, которая используется для фосфорилирования имеющихся в матриксе молекул АДФ:
АДФ + Ф = АТФ.
Ионы водорода, оказавшись на наружной поверхности мембраны тилакоида, встречаются там с электронами, образуя атомарный водород, который идет на восстановление специфического переносчика НАДФ + (никотинамидадениндинуклеотидфосфата ):
2Н + + 4е - + НАДФ + = НАДФ. Н 2 .
Таким образом цикл световых реакций фотосинтеза представляет собой индуцированное светом перенесение электронов в реакциях циклического и нециклического фосфорилирования, во время которых происходят три процесса: образование кислорода вследствие разложения воды, синтез АТФ и образование атомов водорода в форме НАДФ. Н 2 . Кислород диффундирует в атмосферу, а 3 АТФ и 2 НАДФ. Н 2 транспортируются в матрикс пластид и участвуют в процессах темновой фазы.
Поглощенная световая энергия может переводить электроны молекул хлорофилла только на высший уровень. Если такая система не имеет компонентов электронно-транспортной цепи, то электроны за очень короткое время возвращаются к предыдущему состоянию и молекулы отдают освобожденную энергию в виде света флуоресценции.
Темновая (термохимическая) фаза фотосинтеза протекает в матриксе хлоропласта как на свету, так и в темноте, и представляет собой ряд последовательных преобразований СО 2 , поступающего из воздуха. НАДФ. Н 2 и АТФ, образованные во время световой фазы, запускает циклический механизм темновых реакций – цикл Кальвина.
Углекислый газ присоединяется к акцептору – рибулозо-1,5-дифосфату . Образуется нестойкое шестиуглеродное (С6) соединение, которое распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты (С3): начинается так называемый углеродный цикл фотосинтеза , который включает 13 и более этапов – последовательных и взаимообусловленных реакций, в результате которых образуются богатые энергией углеводы, а немного позже – жиры и белки. Важнейшие и узловые реакции и этапы этих преобразований:
- фосфоглицериновая кислота , используя кислотный остаток и энергию ранее синтезированной АТФ, превращается в дифосфоглицериновую кислоту;
- дифосфоглицериновая кислота с помощью водорода от НАДФ. Н 2 восстанавливается до фосфоглицеринового альдегида; последний может изомеризироваться в фосфодиоксиацетон, который может быть исходным для образования глицерола и жирных кислот;
Остатки фосфоглицеринового альдегида соединяются с образованным фосфодиоксиацетоном , образуя фруктозодифосфат – исходное вещество для синтеза растворимых углеводов, крахмала и других полисахаридов;
От части молекул фруктозодифосфата отщепляется по одному остатку фосфорной кислоты, вследствие чего образуется фруктозомонофосфат (фруктозо-6-фосфат);
- фруктозо-6-фосфат соединяется с фосфоглицериновым альдегидом, образуя одну молекулу эритрозофосфата и одну молекулу ксилулозофосфата; эти фосфорилированные 4- и 5-углеродные сахара в свою очередь в результате сложных реакций превращаются в некоторые аминокислоты (триптофан) и далее в НАДФ и азотистые основания; образование других аминокислот начинается на этапе образования фосфоглицериновой кислоты, часть которой отделяется;
- эритрозофосфат проходит ряд реакций, в результате которых образуется рибозофосфат;
Рибозофосфат с участием АТФ фосфорилируется и превращается в рибулезо-1,5-дифосфат и начинается новый цикл.
В результате шести циклов темновых реакций синтезируется одна молекула глюкозы и другие важные соединения, для чего необходимо 18 молекул АТФ и 12 молекул НАДФ. Н 2 , т. е. на восстановление одной молекулы СО 2 необходимо 3 АТФ и 2 НАДФ. Н 2 .
| Фотосинтез | Стадии фотосинтеза | |
| Световая стадия (или энергетическая) | Темновая стадия (или метаболическая) | |
| Место протекание реакции | В квантосомах мембран тилактоидов, протекает на свету. | Осуществляется вне тилактоидов, в водной среде стромы. |
| Начальные продукты | Энергия света, вода (Н2О), АДФ, хлорофилл | СО2, рибулозодифосфат, АТФ, НАДФН2 |
| Суть процесса | Фотолиз воды, фосфорилирование В световой стадии фотосинтеза энергия света трансформируется в химическую энергию АТФ, а бедные энергией электроны воды переходят в богатые энергией электроны НАДФ·Н2. Побочным веществом, образующимся в ходе световой стадии, является кислород. Реакции световой стадии получили название "световых реакций". | Карбоксилирование, гидрирование, дефосфорилирование В темновой стадии фотосинтеза протекают "темновые реакции" при которых наблюдается восстановительный синтез глюкозы из CO2. Без энергии световой стадии темновая стадия невозможна. |
| Конечные продукты | О2, АТФ, НАДФН2 Богатые энергией продукты световой реакции - АТФ и НАДФ·Н2 далее используются в темновой стадии фотосинтеза. | С6Н12О6 |
Взаимосвязь между световой и темновой стадиями можно выразить схемой
Процесс фотосинтеза эндергонический, т.е. сопровождается увеличением свободной энергии, поэтому требует значительного количества энергии, подведенной извне. Суммарное уравнение фотосинтеза:
6СО2 + 12Н2О--->С6Н12О62 + 6Н2О + 6О2 + 2861 кДж/моль.
|
Значение фотосинтеза :
1. «Консервирование» солнечной энергии : в процессе фотосинтеза световая энергия трансформируется в энергию химических связей синтезированных органических соединений. Такая форма энергии сохраняется до момента распада органических соединений, т. е. неопределенно долго. При полном окислении 1 г глюкозы выделяется 669 ккал, т. е. столько, сколько поглощается при ее образовании, Тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании нефти, угля, торфа, древесины, - все это энергия Солнца, усвоенная и преобразованная растениями.
2. Образование свободного кислорода : свободный кислород необходим для дыхания всех аэробов – один человек за сутки потребляет 500 л кислорода, а за год – более 180 000 л.; кислородное дыхание обеспечивает по сравнению с анаэробным более высокий жизненный уровень, быстрый рост, интенсивное размножение, широкое расселение вида, т. е. биологический прогресс.
3. Образование разнообразных органических соединений : растения синтезируют углеводы, белки, жиры, которые служат пищей для животных и человека, сырьем для промышленности; растения образуют каучук, гуттаперчу, эфирные масла, смолы, дубильные вещества, алколоиды и т. п.; продукты переработки растительного сырья – это ткани, бумага, красители, лекарственные и взрывчатые вещества, искусственное волокно, строительные материалы и др.
4. Извлечение из атмосферы углекислого газа : ежегодно растения поглощают 15,6х10 10 тонн углекислого газа (1/16 часть мирового запаса) и 220 млрд. тонн воды. Количество органического вещества на Земле составляет 10 14 тонн, причем масса растений относится к массе животных как 2200:1.
Фотосинтез - это преобразование энергии света в энергию химических связей органических соединений.
Фотосинтез характерен для растений, в том числе всех водорослей, ряда прокариот, в том числе цианобактерий, некоторых одноклеточных эукариот.
В большинстве случаев при фотосинтезе в качестве побочного продукта образуется кислород (O 2). Однако это не всегда так, поскольку существует несколько разных путей фотосинтеза. В случае выделения кислорода его источником является вода, от которой на нужды фотосинтеза отщепляются атомы водорода.
Фотосинтез состоит из множества реакций, в которых участвуют различные пигменты, ферменты, коферменты и др. Основными пигментами являются хлорофиллы, кроме них - каротиноиды и фикобилины.
В природе распространены два пути фотосинтеза растений: C 3 и С 4 . У других организмов есть своя специфика реакций. Все, что объединяет эти разные процессы под термином «фотосинтез», – во всех них в общей сложности происходит преобразование энергии фотонов в химическую связь. Для сравнения: при хемосинтезе происходит преобразование энергии химической связи одних соединений (неорганических) в другие - органические.
Выделяют две фазы фотосинтеза - световую и темновую. Первая зависит от светового излучения (hν), которое необходимо для протекания реакций. Темновая фаза является светонезависимой.
У растений фотосинтез протекает в хлоропластах. В результате всех реакций образуются первичные органические вещества, из которых потом синтезируются углеводы, аминокислоты, жирные кислоты и др. Обычно суммарную реакцию фотосинтеза пишут в отношении глюкозы - наиболее распространенного продукта фотосинтеза :
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Атомы кислорода, входящие в молекулу O 2 , берутся не из углекислого газа, а из воды. Углекислый газ – источник углерода , что более важно. Благодаря его связыванию у растений появляется возможность синтеза органики.
Представленная выше химическая реакция есть обобщенная и суммарная. Она далека от сути процесса. Так глюкоза не образуется из шести отдельных молекул углекислоты. Связывание CO 2 происходит по одной молекуле, которая сначала присоединяется к уже существующему пятиуглеродному сахару.
Для прокариот характерны свои особенности фотосинтеза. Так у бактерий главный пигмент - бактериохлорофилл, и не выделяется кислород, так как водород берется не из воды, а часто из сероводорода или других веществ. У сине-зеленых водорослей основным пигментом является хлорофилл, и при фотосинтезе выделяется кислород.
Световая фаза фотосинтеза
В световой фазе фотосинтеза происходит синтез АТФ и НАДФ·H 2 за счет лучистой энергии. Это происходит на тилакоидах хлоропластов , где пигменты и ферменты образуют сложные комплексы для функционирования электрохимических цепей, по которым передаются электроны и отчасти протоны водорода.
Электроны в конечном итоге оказываются у кофермента НАДФ, который, заряжаясь отрицательно, притягивает к себе часть протонов и превращается в НАДФ·H 2 . Также накопление протонов по одну сторону тилакоидной мембраны и электронов по другую создает электрохимический градиент, потенциал которого используется ферментом АТФ-синтетазой для синтеза АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.
Главными пигментами фотосинтеза являются различные хлорофиллы. Их молекулы улавливают излучение определенных, отчасти разных спектров света. При этом некоторые электроны молекул хлорофилла переходят на более высокий энергетический уровень. Это неустойчивое состояние, и по-идее электроны путем того же излучения должны отдать в пространство полученную из вне энергию и вернуться на прежний уровень. Однако в фотосинтезирующих клетках возбужденные электроны захватываются акцепторами и с постепенным уменьшением своей энергии передаются по цепи переносчиков.
На мембранах тилакоидов существуют два типа фотосистем, испускающих электроны при действия света. Фотосистемы представляют собой сложный комплекс большей частью хлорофильных пигментов с реакционным центром, от которого и отрываются электроны. В фотосистеме солнечный свет ловит множество молекул, но вся энергия собирается в реакционном центре.
Электроны фотосистемы I, пройдя по цепи переносчиков, восстанавливают НАДФ.
Энергия электронов, оторвавшихся от фотосистемы II, используется для синтеза АТФ. А сами электроны фотосистемы II заполняют электронные дырки фотосистемы I.
Дырки второй фотосистемы заполняются электронами, образующимися в результате фотолиза воды . Фотолиз также происходит при участии света и заключается в разложении H 2 O на протоны, электроны и кислород. Именно в результате фотолиза воды образуется свободный кислород. Протоны участвуют в создании электрохимического градиента и восстановлении НАДФ. Электроны получает хлорофилл фотосистемы II.
Примерное суммарное уравнение световой фазы фотосинтеза:
H 2 O + НАДФ + 2АДФ + 2Ф → ½O 2 + НАДФ · H 2 + 2АТФ
Циклический транспорт электронов
Выше описана так называемый нецикличная световая фаза фотосинтеза . Есть еще циклический транспорт электронов, когда восстановления НАДФ не происходит . При этом электроны от фотосистемы I уходят на цепь переносчиков, где идет синтез АТФ. То есть эта электрон-транспортная цепь получает электроны из фотосистемы I, а не II. Первая фотосистема как бы реализует цикл: в нее возвращаются ей же испускаемые электроны. По дороге они тратят часть своей энергии на синтез АТФ.
Фотофосфорилирование и окислительное фосфорилирование
Световую фазу фотосинтеза можно сравнить с этапом клеточного дыхания - окислительным фосфорилированием, которое протекает на кристах митохондрий. Там тоже происходит синтез АТФ за счет передачи электронов и протонов по цепи переносчиков. Однако в случае фотосинтеза энергия запасается в АТФ не для нужд клетки, а в основном для потребностей темновой фазы фотосинтеза. И если при дыхании первоначальным источником энергии служат органические вещества, то при фотосинтезе – солнечный свет. Синтез АТФ при фотосинтезе называется фотофосфорилированием , а не окислительным фосфорилированием.
Темновая фаза фотосинтеза
Впервые темновую фазу фотосинтеза подробно изучили Кальвин, Бенсон, Бэссем. Открытый ими цикл реакций в последствии был назван циклом Кальвина, или C 3 -фотосинтезом. У определенных групп растений наблюдается видоизмененный путь фотосинтеза – C 4 , также называемый циклом Хэтча-Слэка.
В темновых реакциях фотосинтеза происходит фиксация CO 2 . Темновая фаза протекает в строме хлоропласта.
Восстановление CO 2 происходит за счет энергии АТФ и восстановительной силы НАДФ·H 2 , образующихся в световых реакциях. Без них фиксации углерода не происходит. Поэтому хотя темновая фаза напрямую не зависит от света, но обычно также протекает на свету.
Цикл Кальвина
Первая реакция темновой фазы – присоединение CO 2 (карбоксилировани е ) к 1,5-рибулезобифосфату (рибулезо-1,5-дифосфат ) – РиБФ . Последний представляет собой дважды фосфорилированную рибозу. Данную реакцию катализирует фермент рибулезо-1,5-дифосфаткарбоксилаза, также называемый рубиско .
В результате карбоксилирования образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое в результате гидролиза распадается на две трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК) – первый продукт фотосинтеза. ФГК также называют фосфоглицератом.
РиБФ + CO 2 + H 2 O → 2ФГК
ФГК содержит три атома углерода, один из которых входит в состав кислотной карбоксильной группы (-COOH):
Из ФГК образуется трехуглеродный сахар (глицеральдегидфосфат) триозофосфат (ТФ) , включающий уже альдегидную группу (-CHO):
ФГК (3-кислота) → ТФ (3-сахар)
На данную реакцию затрачивается энергия АТФ и восстановительная сила НАДФ · H 2 . ТФ - первый углевод фотосинтеза.
После этого большая часть триозофосфата затрачивается на регенерацию рибулозобифосфата (РиБФ), который снова используется для связывания CO 2 . Регенерация включает в себя ряд идущих с затратой АТФ реакций, в которых участвуют сахарофосфаты с количеством атомов углерода от 3 до 7.
В таком круговороте РиБФ и заключается цикл Кальвина.
Из цикла Кальвина выходит меньшая часть образовавшегося в нем ТФ. В перерасчете на 6 связанных молекул углекислого газа выход составляет 2 молекулы триозофосфата. Суммарная реакция цикла с входными и выходными продуктами:
6CO 2 + 6H 2 O → 2ТФ
При этом в связывании участвую 6 молекул РиБФ и образуется 12 молекул ФГК, которые превращаются в 12 ТФ, из которых 10 молекул остаются в цикле и преобразуются в 6 молекул РиБФ. Поскольку ТФ - это трехуглеродный сахар, а РиБФ - пятиуглеродный, то в отношении атомов углерода имеем: 10 * 3 = 6 * 5. Количество атомов углерода, обеспечивающих цикл не изменяется, весь необходимый РиБФ регенерируется. А шесть вошедших в цикл молекул углекислоты затрачиваются на образование двух выходящих из цикла молекул триозофосфата.
На цикл Кальвина в расчете на 6 связанных молекул CO 2 затрачивается 18 молекул АТФ и 12 молекул НАДФ · H 2 , которые были синтезированы в реакциях световой фазы фотосинтеза.
Расчет ведется на две выходящие из цикла молекулы триозофосфата, так как образующаяся в последствии молекула глюкозы, включает 6 атомов углерода.
Триозофосфат (ТФ) - конечный продукт цикла Кальвина, но его сложно назвать конечным продуктом фотосинтеза, так как он почти не накапливается, а, вступая в реакции с другими веществами, превращается в глюкозу, сахарозу, крахмал, жиры, жирные кислоты, аминокислоты. Кроме ТФ важную роль играет ФГК. Однако подобные реакции происходят не только у фотосинтезирующих организмов. В этом смысле темновая фаза фотосинтеза – это то же самое, что цикл Кальвина.
Из ФГК путем ступенчатого ферментативного катализа образуется шестиуглеродный сахар фруктозо-6-фосфат , который превращается в глюкозу . В растениях глюкоза может полимеризоваться в крахмал и целлюлозу. Синтез углеводов похож на процесс обратный гликолизу.
Фотодыхание
Кислород подавляет фотосинтез. Чем больше O 2 в окружающей среде, тем менее эффективен процесс связывания CO 2 . Дело в том, что фермент рибулозобифосфат-карбоксилаза (рубиско) может реагировать не только с углекислым газом, но и кислородом. В этом случае темновые реакции несколько иные.
Фосфогликолат - это фосфогликолевая кислота. От нее сразу отщепляется фосфатная группа, и она превращается в гликолевую кислоту (гликолат). Для его «утилизации» снова нужен кислород. Поэтому чем больше в атмосфере кислорода, тем больше он будет стимулировать фотодыхание и тем больше растению будет требоваться кислорода, чтобы избавиться от продуктов реакции.
Фотодыхание - это зависимое от света потребление кислорода и выделение углекислого газа. То есть обмен газов происходит как при дыхании, но протекает в хлоропластах и зависит от светового излучения. От света фотодыхание зависит лишь потому, что рибулозобифосфат образуется только при фотосинтезе.
При фотодыхании происходит возврат атомов углерода из гликолата в цикл Кальвина в виде фосфоглицериновой кислоты (фосфоглицерата).
2 Гликолат (С 2) → 2 Глиоксилат (С 2) →2 Глицин (C 2) - CO 2 → Серин (C 3) →Гидроксипируват (C 3) → Глицерат (C 3) → ФГК (C 3)
Как видно, возврат происходит не полный, так как один атом углерода теряется при превращении двух молекул глицина в одну молекулу аминокислоты серина, при этом выделяется углекислый газ.
Кислород необходим на стадиях превращения гликолата в глиоксилат и глицина в серин.
Превращения гликолата в глиоксилат, а затем в глицин происходят в пероксисомах, синтез серина в митохондриях. Серин снова поступает в пероксисомы, где из него сначала получается гидрооксипируват, а затем глицерат. Глицерат уже поступает в хлоропласты, где из него синтезируется ФГК.
Фотодыхание характерно в основном для растений с C 3 -типом фотосинтеза. Его можно считать вредным, так как энергия бесполезно тратится на превращения гликолата в ФГК. Видимо фотодыхание возникло из-за того, что древние растения были не готовы к большому количеству кислорода в атмосфере. Изначально их эволюция шла в атмосфере богатой углекислым газом, и именно он в основном захватывал реакционный центр фермента рубиско.
C 4 -фотосинтез, или цикл Хэтча-Слэка
Если при C 3 -фотосинтезе первым продуктом темновой фазы является фосфоглицериновая кислота, включающая три атома углерода, то при C 4 -пути первыми продуктами являются кислоты, содержащие четыре атома углерода: яблочная, щавелевоуксусная, аспарагиновая.
С 4 -фотосинтез наблюдается у многих тропических растений, например, сахарного тростника, кукурузы.
С 4 -растения эффективнее поглощают оксид углерода, у них почти не выражено фотодыхание.
Растения, в которых темновая фаза фотосинтеза протекает по C 4 -пути, имеют особое строение листа. В нем проводящие пучки окружены двойным слоем клеток. Внутренний слой - обкладка проводящего пучка. Наружный слой - клетки мезофилла. Хлоропласты клеток слоев отличаются друг от друга.
Для мезофильных хлоропласт характерны крупные граны, высокая активность фотосистем, отсутствие фермента РиБФ-карбоксилазы (рубиско) и крахмала. То есть хлоропласты этих клеток адаптированы преимущественно для световой фазы фотосинтеза.
В хлоропластах клеток проводящего пучка граны почти не развиты, зато высока концентрация РиБФ-карбоксилазы. Эти хлоропласты адаптированы для темновой фазы фотосинтеза.
Углекислый газ сначала попадает в клетки мезофилла, связывается с органическими кислотами, в таком виде транспортируется в клетки обкладки, освобождается и далее связывается также, как у C 3 -растений. То есть C 4 -путь дополняет, а не заменяет C 3 .
В мезофилле CO 2 присоединяется к фосфоенолпирувату (ФЕП) с образованием оксалоацетата (кислота), включающего четыре атома углерода:
Реакция происходит при участии фермента ФЕП-карбоксилазы, обладающего более высоким сродством к CO 2 , чем рубиско. К тому же ФЕП-карбоксилаза не взаимодействует с кислородом, а значит не затрачивается на фотодыхание. Таким образом, преимущество C 4 -фотосинтеза заключается в более эффективной фиксации углекислоты, увеличению ее концентрации в клетках обкладки и следовательно более эффективной работе РиБФ-карбоксилазы, которая почти не расходуется на фотодыхание.
Оксалоацетат превращается в 4-х углеродную дикарбоновую кислоту (малат или аспартат), которая транспортируется в хлоропласты клеток обкладки проводящих пучков. Здесь кислота декарбоксилируется (отнятие CO 2), окисляется (отнятие водорода) и превращается в пируват. Водород восстанавливает НАДФ. Пируват возвращается в мезофилл, где из него регенерируется ФЕП с затратой АТФ.
Оторванный CO 2 в хлоропластах клеток обкладки уходит на обычный C 3 -путь темновой фазы фотосинтеза, т. е. в цикл Кальвина.
Фотосинтез по пути Хэтча-Слэка требует больше энергозатрат.
Считается, что C 4 -путь возник в эволюции позже C 3 и во многом является приспособлением против фотодыхания.
Биохимические функции
Перенос гидрид-ионов Н– (атом водорода и электрон) в окислительно-восстановительных реакциях
Благодаря переносу гидрид-иона витамин обеспечивает следующие задачи:
1. Метаболизм белков, жиров и углеводов . Так как НАД и НАДФ служат коферментами большинства дегидрогеназ, то они участвуют в реакциях
- при синтезе и окислении жирных кислот,
- при синтезе холестерола,
- обмена глутаминовой кислоты и других аминокислот,
- обмена углеводов: пентозофосфатный путь, гликолиз,
- окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты,
- цикла трикарбоновых кислот.
2. НАДН выполняет регулирующую функцию, поскольку является ингибитором некоторых реакций окисления, например, в цикле трикарбоновых кислот.
3. Защита наследственной информации – НАД является субстратом поли-АДФ-рибозилирования в процессе сшивки хромосомных разрывов и репарации ДНК, что замедляет некробиоз и апоптоз клеток.
4. Защита от свободных радикалов – НАДФН является необходимым компонентом антиоксидантной системы клетки.
5. НАДФН участвует в реакциях ресинтеза тетрагидрофолиевой кислоты из дигидрофолиевой, например после синтеза тимидилмонофосфата.
Гиповитаминоз
Причина
Пищевая недостаточность ниацина и триптофана. Синдром Хартнупа.
Клиническая картина
Проявляется заболеванием пеллагра (итал.: pelle agra – шершавая кожа). Проявляется каксиндром трех Д :
- деменция (нервные и психические расстройства, слабоумие),
- дерматиты (фотодерматиты),
- диарея (слабость, расстройство пищеварения, потеря аппетита).
При отсутствии лечения заболевание кончается летально. У детей при гиповитаминозе наблюдается замедление роста, похудание, анемия.
Антивитамины
Фтивазид, тубазид, ниазид – лекарства, используемые для лечения туберкулеза.
Лекарственные формы
Никотинамид и никотиновая кислота.
Витамин В5 (пантотеновая кислота)
Источники
Любые пищевые продукты, особенно бобовые, дрожжи, животные продукты.
Суточная потребность
Строение
Витамин существует только в виде пантотеновой кислоты, в ее составе находится β-аланин и пантоевая кислота (2,4-дигидрокси-3,3-диметилмасляная).
> 
Строение пантотеновой кислоты
Его коферментными формами являются кофермент А (коэнзим А, HS-КоА) и 4-фосфопантетеин.
Строение коферментной формы витамина В5 — коэнзима А
Биохимические функции
Коферментная форма витамина коэнзим А не связан с каким-либо ферментом прочно, он перемещается между разными ферментами, обеспечивая перенос ацильных (в том числе ацетильных) групп :
- в реакциях энергетического окисления глюкозы и радикалов аминокислот, например, в работе ферментов пируватдегидрогеназы, α-кетоглутаратдегидрогеназы в цикле трикарбоновых кислот),
- как переносчик ацильных групп при окислении жирных кислот и в реакциях синтеза жирных кислот
- в реакциях синтеза ацетилхолина и гликозаминогликанов, образования гиппуровой кислоты и желчных кислот.
Гиповитаминоз
Причина
Пищевая недостаточность.
Клиническая картина
Проявляется в виде педиолалгии (эритромелалгии) – поражение малых артерий дистальных отделов нижних конечностей, симптомом является жжение в стопах . В эксперименте проявляется поседение волос, поражение кожи и ЖКТ, дисфункции нервной системы, дистрофия надпочечников, стеатоз печени, апатия, депрессия, мышечная слабость, судороги.
Но так как витамин есть во всех продуктах, гиповитаминоз встречается очень редко.
Лекарственные формы
Пантотенат кальция, коэнзим А.
Витамин В6 (пиридоксин, антидерматитный)
Источники
Витамином богаты злаки, бобовые, дрожжи, печень, почки, мясо, также синтезируется кишечными бактериями.
Суточная потребность
Строение
Витамин существует в виде пиридоксина. Его коферментными формами являются пиридоксальфосфат и пиридоксаминфосфат.
Похожая информация:
Поиск на сайте:
Структурная формула веществ
Что такое структурная формула
Она имеет две разновидности: плоскостная (2D) и пространственная (3D) (рис. 1).
Строение окисленных форм НАД и НАДФ
Внутримолекулярные связи при изображении структурной формулы принято обозначать черточками (штрихами).
Рис. 1. Структурная формула этилового спирта: а) плоскостная; б) пространственная.
Плоскостные структурные формулы могут изображаться по-разному.
Выделяют краткую графическую формулу, в которой связи атомов с водородом не указываются:
CH3 - CH2 - OH (этанол);
скелетную графическую формулу, которую наиболее часто используют при изображении строения органических соединений, в ней не только не указываются связи углерода с водородом, но и не обозначаются связи, соединяющие атомы углерода друг с другом и другими атомами:
для органических соединений ароматического ряда используются специальные структурные формулы, изображающие бензольное кольцо в виде шестиугольника:
Примеры решения задач
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - универсальный источник и основной аккумулятор энергии в живых клетках . АТФ содержится во всех клетках растений и животных. Количество АТФ в среднем составляет 0,04% (от сырой массы клетки), наибольшее количество АТФ (0,2-0,5%) содержится в скелетных мышцах.
В клетке молекула АТФ расходуется в течение одной минуты после ее образования. У человека количество АТФ, равное массе тела, образуется и разрушается каждые 24 часа .
АТФ – мононуклеотид, состоящий из остатков азотистого основания (аденина), рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Поскольку АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, она относится к рибонуклеозидтрифосфатам .
Для большинства видов работ, происходящих в клетках, используется энергия гидролиза АТФ.
При этом при отщеплении концевого остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту), при отщеплении второго остатка фосфорной кислоты – в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту).
Выход свободной энергии при отщеплении как концевого, так и второго остатков фосфорной кислоты составляет около 30,6 кДж/моль. Отщепление третьей фосфатной группы сопровождается выделением только 13,8 кДж/моль.
Связи между концевым и вторым, вторым и первым остатками фосфорной кислоты называются макроэргическими (высокоэнергетическими).
Запасы АТФ постоянно пополняются.
Биологические функции.
В клетках всех организмов синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения фосфорной кислоты к АДФ. Фосфорилирование происходит с разной интенсивностью при дыхании (митохондрии), гликолизе (цитоплазма), фотосинтезе (хлоропласты).
АТФ является основным связующим звеном между процессами, сопровождающимися выделением и накоплением энергии, и процессами, протекающими с затратами энергии.
Кроме этого, АТФ наряду с другими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) является субстратом для синтеза РНК.
Кроме АТФ есть и другие молекулы с макроэргическими связями – УТФ (уридинтрифосфорная кислота), ГТФ (гуанозинтрифосфорная кислота), ЦТФ (цитидинтрифосфорная кислота), энергия которых используются для биосинтеза белка (ГТФ), полисахаридов (УТФ), фосфолипидов (ЦТФ). Но все они образуются за счет энергии АТФ.
Помимо мононуклеотидов, важную роль в реакциях обмена веществ играют динуклеотиды (НАД+, НАДФ+, ФАД), относящиеся к группе коферментов (органические молекулы, сохраняющие связь с ферментом только в ходе реакции).
НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид), НАДФ+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) – динуклеотиды, имеющие в своем составе два азотистых основания – аденин и амид никотиновой кислоты – производное витамина РР), два остатка рибозы и два остатка фосфорной кислоты (рис. .). Если АТФ – универсальный источник энергии, то НАД+ и НАДФ+ – универсальные акцепторы, а их восстановленные формы – НАДН и НАДФН – универсальные доноры восстановительных эквивалентов (двух электронов и одного протона).
Входящий в состав остатка амида никотиновой кислоты атом азота четырехвалентен и несет положительный заряд (НАД+ ). Это азотистое основание легко присоединяет два электрона и один протон (т.е.
восстанавливается) в тех реакциях, в которых при участии ферментов дегидрогеназ от субстрата отрываются два атома водорода (второй протон уходит в раствор):
Субстрат-Н2 + НАД+ субстрат + НАДН + Н+
В обратных реакциях ферменты, окисляя НАДН или НАДФН , восстанавливают субстраты, присоединяя к ним атомы водорода (второй протон приходит из раствора).
ФАД – флавинадениндинуклеотид – производное витамина В2 (рибофлавина) также является кофактором дегидрогеназ, но ФАД присоединяет два протона и два электрона, восстанавливаясь до ФАДН2 .
⇐ Предыдущая1234567
Нуклеозидциклофосфаты (цАМФ и цГМФ) как вторичные посредники в регуляции метаболизма клетки.
К нуклеозидциклофосфатам относятся нуклеотиды, у которых одна молекула фосфорной кислоты этерифицирует одновременно две гидроксильные группы углеводного остатка.
Практически во всех клетках присутствуют два нуклеозидциклофосфата — аденозин-3′,5′- циклофосфат (cAMP) и гуанозин-3′,5′-циклофосфат (cGMP). Они являются вторичными посредниками (мессенджерами) в передаче гормонального сигнала в клетку.
6. Строение динуклеотидов: ФАД, НАД+, его фосфата НАДФ+.
Их участие в окислительно-восстановительных реакциях.
Наиболее важными представителями этой группы соединений являются никотинамидадениндинуклеотид (NAD, или в русской литературе НАД) и его фосфат (NADP, или НАДФ). Эти соединения выполняют важную роль коферментов в осуществлении многих окислительно-восстановительных реакций.
В соответствии с этим они могут существовать как в окисленной (НАД+, НАДФ+), так и восстановленной (НАДН, НАДФН) форме.
Структурным фрагментом НАД+ и НАДФ+ является никотинамидный остаток в виде пиридиниевого катиона. В составе НАДН и НАДФН этот фрагмент превращается в остаток 1,4-дигидропиридина.
В ходе биологического дегидрирования субстрат теряет два атома водорода, т.е.
два протона и два электрона (2Н+, 2е) или протон и гидрид-ион (Н+ и Н-). Кофермент НАД+ обычно рассматривается, как акцептор гидрид-иона Н- (хотя окончательно не установлено, происходит ли перенос атома водорода к этому коферменту одновременно с переносом электрона или эти процессы протекают раздельно).
В результате восстановления путем присоединения гидрид-иона к НАД+ пиридиниевое кольцо переходит в 1,4-дигидропиридиновый фрагмент.
Этот процесс обратим.
В реакции окисления ароматический пиридиниевый цикл переходит в неароматический 1,4-дигидропиридиновый цикл. В связи с потерей ароматичности возрастает энергия НАДН по сравнению с НАД+. Таким способом НАДН запасает энергию, которая затем расходуется в других биохимических процессах, требующих энергетических затрат.
Типичными примерами биохимических реакций с участием НАД+ служат окисление спиртовых групп в альдегидные (например, превращение этанола в этаналь), а с участием НАДН — восстановление карбонильных групп в спиртовые (превращение пировиноградной кислоты в молочную).
Реакция окисления этанола с участием кофермента НАД+:
В ходе окисления, субстрат теряет два атома водорода, т.е.
два протона и два электрона. Кофермент НАД+, приняв два электрона и протон восстанавливается до НАДН при этом нарушается ароматичность. Эта реакция обратима.
При переходе окисленной формы кофермента в восстановленную происходит накопление энергии, выделяемой при окислении субстрата. Накопленная восстановленной формой энергия затем расходуется в других эндэргонических процессах с участием этих коферментов.
ФАД — флавинадениндинуклеотид — кофермент, принимающий участие во многих окислительно-восстановительных биохимических процессах.
ФАД существует в двух формах — окисленной и восстановленной, его биохимическая функция, как правило, заключается в переходе между этими формами.
ФАД может быть восстановлен до ФАДH2, при этом он принимает два атома водорода. 
Молекула ФАДH2 является переносчиком энергии, и восстановленный кофермент может быть использован, как субстрат в реакции окислительного фосфорилирования в митохондрии.
Молекула ФАДH2 окисляется в ФАД, при этом выделяется энергия, эквивалентная (запасаемая в форме) двум молям ATФ.
Основной источник восстановленного ФАД у эукариот — цикл Кребса и β-окисление липидов. В цикле Кребса ФАД является простетической группой фермента сукцинатдегидрогеназы, которая окисляет сукцинат до фумарата, в β -окислении липидов ФАД является коферментом ацил-CoA дегидрогеназы.
ФАД образуется из рибофлавина, многие оксидоредуктазы, называемые флавопротеинами, для своей работы используют ФАД как простетическую группу в реакциях переноса электронов.
Первичная структура нуклеиновых кислот: нуклеотидный состав РНК и ДНК, фосфодиэфирная связь. Гидролиз нуклеиновых кислот.
В полинуклеотидных цепях нуклеотидные звенья связаны через фосфатную группу. Фосфатная группа образует две сложноэфирные связи: с С-3′ предыдущего и с С-5′ последующего нуклеотидных звеньев (рис. 1). Каркас цепи состоит из чередующихся пентозных и фосфатных остатков, а гетероциклические основания являются «боковыми» группами, присоединенными к пентозным остаткам.
Нуклеотид со свободной 5′-ОН группой называют 5′-концевым, а нуклеотид со свободной З’-ОН группой — З’-концевым.
Рис. 1. Общий принцип строения полинуклеотидной цепи
На рисунке 2 приведено строение произвольного участка цепи ДНК, включающего четыре нуклеиновых основания. Легко представить, какое множество сочетаний можно получить путем варьирования последовательности четырех нуклеотидных остатков.
Принцип построения цепи РНК такой же, как и у ДНК, с двумя исключениями: пентозным остатком в РНК служит D-рибоза, а в наборе гетероциклических оснований используется не тимин, а урацил.
Первичная структура нуклеиновых кислот определяется последовательностью нуклеотидных звеньев, связанных ковалентными связями в непрерывную цепь полинуклеотида.
Для удобства записи первичной структуры существует несколько способов сокращений.
Один из них заключается в использовании ранее приведенных сокращенных названий нуклеозидов. Например, показанный на рис. 2 фрагмент цепи ДНК может быть записан, как d(ApCpGpTp…) или d(A-C-G-T…). Часто букву d опускают, если очевидно, что речь идет о ДНК.
7. Строение фермента.
Первичная структура участка цепи ДНК
Важной характеристикой нуклеиновых кислот служит нуклеотидный состав, т. е. набор и количественное отношение нуклеотидных компонентов. Нуклеотидный состав устанавливают, как правило, путем исследования продуктов гидролитического расщепления нуклеиновых кислот.
ДНК и РНК различаются поведением в условиях щелочного и кислотного гидролиза.
ДНК устойчивы к гидролизу в щелочной среде. РНК легко гидролизуются в мягких условиях в щелочной среде до нуклеотидов, которые, в свою очередь, способны в щелочной среде отщеплять остаток фосфорной кислоты с образованием нуклеозидов. Нуклеозиды в кислой среде гидролизуются до гетероциклических оснований и углеводов.
Понятие о вторичной структуре ДНК. Комплементарность нуклеиновых оснований. Водородные связи в комплементарных парах нуклеиновых оснований.
Под вторичной структурой понимают пространственную организацию полинуклеотидной цепи.
Согласно модели Уотсона-Крика молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных вокруг общей оси с образованием двойной спирали. Пуриновые и пиримидиновые основания направлены внутрь спирали. Между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи возникают водородные связи. Эти основания составляют комплементарные пары.
Водородные связи образуются между аминогруппой одного основания и карбонильной группой другого -NH…O=C-, а также между амидным и иминным атомами азота -NH…N.
Например, как показано ниже, между аденином и тимином образуются две водородные связи, и эти основания составляют комплементарную пару, т.
е. аденину в одной цепи будет соответствовать тимин в другой цепи. Другую пару комплементарных оснований составляют гуанин и цитозин, между которыми возникают три водородные связи.
Водородные связи между комплементарными основаниями — один из видов взаимодействий, стабилизирующих двойную спираль. Две цепи ДНК, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой.
Это означает, что первичная структура, т.е. нуклеотидная последовательность, одной цепи предопределяет первичную структуру второй цепи (рис. 3).
Рис. 3. Комплементарность полинуклеотидных цепей в двойной спирали ДНК
Комплементарность цепей и последовательность звеньев со-ставляют химическую основу важнейшей функции ДНК — хранения и передачи наследственной информации.
В стабилизации молекулы ДНК наряду с водородными связями, действующими поперек спирали, большую роль играют межмо-лекулярные взаимодействия, направленные вдоль спирали между соседними пространственно сближенными азотистыми основа-ниями.
Поскольку эти взаимодействия направлены вдоль стоп-ки азотистых оснований молекулы ДНК, их называют стэкинг-взаимодействиями. Таким образом, взаимодействия азотистых оснований между собой скрепляют двойную спираль молекулы ДНК и вдоль, и поперек ее оси.
Сильное стэкинг-взаимодействие всегда усиливает водород-ные связи между основаниями, способствуя уплотнению спира-ли.
Вследствие этого молекулы воды из окружающего раствора связываются в основном с пентозофосфатным остовом ДНК, полярные группы которого находятся на поверхности спирали. При ослаблении стэкинг-взаимодействия молекулы воды, про-никая внутрь спирали, конкурентно взаимодействуют с поляр-ными группами оснований, инициируют дестабилизацию и спо-собствуют дальнейшему распаду двойной спирали. Все это сви-детельствует о динамичности вторичной структуры ДНК под воздействием компонентов окружающего раствора.
4. Вторичная структура молекулы РНК
9. Лекарственные средства на основе модифицированных нуклеиновых оснований (фторурацил, меркаптопурин): структура и механизм действия.
В качестве лекарственных средств в онкологии используют синтетические производные пиримидинового и пуринового рядов, по строению похожие на естественные метаболиты (в данном случае — на нуклеиновые основания), но не полностью им идентичные, т.е.
являющиеся антиметаболитами. Например, 5-фторурацил выступает в роли антагониста урацила и тимина, 6-меркаптопурин — аденина.
Конкурируя с метаболитами, они нарушают синтез нуклеиновых кислот в организме на разных этапах.
