Введение больших количеств ионов калия в клетку оказывается необходимым, так как ионы калия способствуют синтезу белка (в рибосомах), а также ускоряют процесс гликолиза.
В мембране клетки и располагается (K + Na) АТФ-аза — белок с молекулярной массой 670 000, который до сих пор не удалось отделить от мембран. Этот фермент гидролизует АТФ, а энергия гидролиза используется для переноса в направлении роста концентрации.
Замечательным свойством (К + Na) АТФ-азы является то, что она в процессе гидролиза АТФ активируется изнутри клетки ионами натрия (и тем обеспечивает выведение натрия), а снаружи клетки (со стороны среды) — ионами калия (облегчая их введение в клетку); в итоге и происходит необходимое клетке распределение ионов этих металлов. Интересно отметить, что ионы натрия в клетке никакими другими ионами заменить нельзя. АТФ-аза активируется изнутри только ионами натрия, но ионы калия, действующие снаружи, можно заменить на ионы рубидия или аммония.
Для функций отдельных органов, в частности сердца, имеет значение не только концентрация ионов калия, натрия, кальция и магния, но и их отношение, которое должно лежать в определенных пределах. Отношение концентраций этих ионов в крови человека не слишком отличается от соответствующего отношения, характерного для морской воды. Возможно, что биологическая эволюция от первых форм жизни, возникших в водах первичного океана или на его отмелях, до ее высших форм, сохранила некоторые химические "отпечатки" далекого прошлого...
Возвращаясь к началу этой главы, мы снова вспоминаем о многофункциональности ионов, об их способности выполнять в организмах самые разнообразные обязанности. Кальций, натрий, калий, а также кобальт проявляют эту способность неодинаковым образом. Кобальт образует прочный комплекс корринового типа, и уже этот комплекс катализирует разнообразные реакции. Кальций, натрий, калий выполняют функции активаторов. А вот ион магния может действовать и как активатор, и как составная часть прочного комплексного соединения — хлорофилла, одного из самых важных соединений, созданных природой.
Выдающийся ученый К. А. Тимирязев посвятил хлорофиллу труд, названный им "Солнце, жизнь и хлорофилл", указав в нем, что именно хлорофилл и есть то звено, которое связывает процессы выделения энергии на Солнце с жизнью на Земле.
В следующей главе мы и рассмотрим свойства этого интересного соединения.
Глава 10. Магний и фотосинтез
Ионы магния играют в поддержании жизни на Земле совершенно исключительную роль. Поток солнечной энергии, падавший на поверхность Земли в отдаленные геологические периоды, сначала не использовался примитивными формами живых существ. Положение, однако, постепенно изменялось, и некоторые из организмов приобрели особый аппарат, позволивший им направить этот практически неиссякаемый поток энергии в русло хемосинтеза, заставить свет участвовать в создании необходимых для клетки веществ.
Работа фотосинтетического аппарата позволяет клеткам, которые им вооружились, строить сложные органические соединения, прежде всего углеводы, из диоксида углерода СО2 и воды. В результате фотосинтеза в углеводах запасается энергия солнечного света:
В результате фотосинтеза в углеводах запасается энергия солнечного света
Из уравнения видно, что кислород молекул воды освобождается, а водород идет на образование глюкозы, которая в дальнейшем превращается в крахмал. В процессах фотосинтеза, протекающих в клетках некоторых бактерий, источником водорода служит не вода, а другие вещества (например, сероводород).
Существенной частью биологического аппарата для использования энергии света является хлорофилл. Хлорофилл очень похож на гем: его молекула также содержит порфириновый цикл.
Хлорофилл очень похож на гем: его молекула также содержит порфириновый цикл
Отличие хлорофилла от гема заключается прежде всего в том, что хлорофилл — это комплексное органическое соединение магния, а не железа (как гем). Кроме того, в молекуле хлорофилла к порфириновому циклу присоединен еще и высокомолекулярный спирт — фитол. Известно несколько видов хлорофилла, но основной порфириновый каркас сохраняется во всех его видах. Есть и еще одно отличие гема от хлорофилла. Как видно из схемы, в молекуле хлорофилла, кроме типичных для порфирина четырех пиррольных колец, имеется дополнительный пятый цикл (V), содержащий атом водорода, карбонильную группу С=O и карбометоксильную группу . В целом вся сложная макроциклическая система имеет ароматический характер; термин "ароматический" отнюдь не связан с каким-либо запахом — он указывает на сходство в состоянии электронов этого макроцикла и электронов ароматических углеводородов (а бензол и его гомологи действительно имеют легкий специфический запах). Часть электронов атомов углерода и азота порфиринового кольца — π-электроны — являются общими, так что внутри макроцикла существует своеобразный круговой ток (как и в бензоле).
Атом водорода в цикле V активно вступает в различные реакции обмена.
Исследования свойств хлорофилла показали, что атом магния не находится строго в плоскости макроцикла, а выведен из этой плоскости, располагаясь над ней. Если хлорофилл растворить в жидкости, молекулы которой имеют полярное строение, то молекула растворителя присоединяется к магнию за счет своей пары электронов (такие молекулы называют электронодонорными)[7]. Если же среда, окружающая хлорофилл, неполярна, то молекулы хлорофилла соединяются друг с другом, причем роль электронодонорной группы выполняет группа >С=O цикла V (>С=O... Mg). В бензольном растворе существуют, например, двойные молекулы хлорофилла; в алифатических углеводородах, которые очень слабо присоединяются к магнию, образуются даже частицы, состоящие из десяти молекул хлорофилла. В воде хлорофилл практически нерастворим. Однако молекулы воды связывают молекулы хлорофилла вместе таким образом, что пара электронов атома кислорода воды взаимодействует с атомом магния одной молекулы, а атомы водорода воды образуют водородные связи с группами >С=O и -СООН другой (на схеме символ Сhl обозначает молекулу хлорофилла):
Пара электронов атома кислорода воды взаимодействует с атомом магния одной молекулы, а атомы водорода воды образуют водородные связи с группами >С=O и -СООН другой
В результате возникают очень большие агрегаты частиц хлорофилла (коллоидные частицы). Следовательно, именно особенности строения макроцикла хлорофилла (наличие пятого цикла) и определяют его способность образовывать крупные скопления — агрегаты — тесно связанных частиц.
Свет действует на агрегаты хлорофилл — вода — хлорофилл, вызывает отделение электрона от одной из частиц комплекса, вода обеспечивает разделение зарядов.
В самой общей форме работу фотосинтетического механизма можно представить следующим образом. Молекула хлорофилла помещается между молекулами, способными присоединять и отдавать электроны. Свет, действуя на хлорофилл, переводит его электроны на более высокие энергетические уровни — свет поглощается хлорофиллом. (Возбужденное состояние обозначено на схеме звездочкой над символом хлорофилла Chl*). Затем возбужденный электрон выбрасывается молекулой хлорофилла и переходит к веществу, которое способно его принять, — так называемому акцептору электронов, и почти одновременно хлорофилл получает электроны от другого вещества — донора электронов:
Работа фотосинтетического механизма
Здесь D — донор, А — акцептор электронов; hv — поглощаемый хлорофиллом квант света; Chl — хлорофилл.
Такие акты совершаются очень быстро: за одну секунду на солнечном свету происходит около 1500 вспышек. Между донором и акцептором поток электронов совершает круговой путь, расходуя свою энергию на разложение воды, образование АТФ и НАДФ*Н. Эта приближенная картина уточнялась в течение многих лет, но и поныне не все ее детали достаточно ясны.
В фотосинтетическом аппарате растений действуют две системы переносчиков и содержится хлорофилл двух видов, немного различающихся между собой. Свет с большей длиной волны (700 нм) действует на электроны хлорофилла типа а (система, обозначенная на рис. 22 цифрой I). Другая система (обозначенная цифрой II) содержит хлорофилл b и фикобилиновые пигменты. Она поглощает свет с меньшей длиной волны (680 нм). Именно в системе II разлагается вода и выделяется кислород. В каждой системе имеется по 200-250 молекул хлорофилла; только одна из них (в системе II), получая энергию фотона, передает электрон дальше — к веществу Q, остальной хлорофилл работает как светоулавливающее устройство.
Рассмотрим последовательность процессов фотосинтеза, представленных схемой на рисунке 22 и начнем с той части системы, которая обозначена цифрой II. В этой системе имеются группы молекул хлорофилла, на которые падает свет. В результате поглощения энергии света (квант hv) одна из молекул хлорофилла отдает богатый энергией (возбужденный) электрон веществу-переносчику, который обозначен на схеме буквой Q. Результатом потери электрона будет возникновение положительного заряда на молекуле хлорофилла (в системе II).
В результате поглощения энергии света (квант hv) одна из молекул хлорофилла отдает богатый энергией (возбужденный) электрон веществу-переносчику, который обозначен на схеме буквой Q
Для возвращения в исходное состояние молекула хлорофилла должна получить электрон. Установлено, что источником электронов является вода. Молекулы воды распадаются на ионы Н+ и ОН-. Ионы ОН- отдают свои электроны хлорофиллу, а сами превращаются в нейтральные группы — так называемые радикалы *ОН (каждый из которых содержит один неспаренный электрон). Эти радикалы взаимодействуют друг с другом с выделением кислорода. Считают, что в этих процессах важную роль играют ионы марганца.
Происходящие реакции можно схематически записать так:
Последовательность процессов фотосинтеза