19.21. Белок пурпурных мембран галобактерий перекачивает протоны для синтеза АТР
Источником сведений о механизме фотофосфорилирования и окислительного фосфорилирования явились исследования фотосинтетических процессов у галобактерий, у которых имеется светопоглощающая группа, отличная от хлорофилла. Для роста этих бактерий требуются высокие концентрации 
оптимальной является концентрация 
(обычная морская вода содержит 
Галобактерии обнаруживаются в природных соленых озерах и в водоемах, из которых выпаривают морскую воду для получения соли, как, например, в заливе Сан-Франциско вблизи аэропорта. У этих бактерий имеется клеточная оболочка, состоящая из мембраны, окруженной гликопротеиновой клеточной стенкой. Вальтер Стекениус (Walther Stoeckenius) разделил эту клеточную мембрану на желтую, красную и пурпурную фракции. Желтая фракция состояла главным образом из стенок газовых вакуолей, благодаря которым бактерии достигают нужной им глубины в воде.
Рис. 19.26. Эксперимент, показывающий, что при освещении галобактерии могут синтезировать АТР в отсутствие 
Красная фракция содержит дыхательную цепь и другие ферментные механизмы для окислительного фосфорилирования, а также защитный красный пигмент, предохраняющий бактерии от летального действия синего света. Пурпурная фракция состоит из белка пурпурных мембран (26 кДа) и сорока связанных с ним липидов. Этот белок называют также бактериородопсином, потому что он, подобно родопсину, зрительному пигменту сетчатки позвоночных (разд. 37.13), содержит в качестве хромофора ретиналь. Ретиналевая группа присоединена к лизиновой боковой цепи белка протонированной связью шиффова основания.
В присутствии 
галобактерии синтезируют АТР в ходе окислительного фосфорилирования. При недостатке кислорода они переключаются на фотосинтетический механизм (рис. 19.26). Стекениус и его сотрудники показали, что роль белка пурпурных мембран состоит в перекачке протонов при освещении изнутри клетки наружу. Действительно, белок пурпурных мембран пронизывает насквозь клеточную мембрану (рис. 10.32 в разд. 10.18), чего и следует ожидать для протонного насоса. Пламенно-спектроскопические исследования показали, что свет переводит ретиналевую связь шиффова основания из протонированной формы с полосой поглощения при 
в депротонированную с пиком при 
Этот цикл реакций занимает немногие миллисекунды, и при ярком освещении каждая молекула белка пурпурных мембран может
перекачивать несколько сотен 
в секунду. Генерируемая таким образом протонодвижущая сила используется далее АТР-синтезирующим ансамблем 
для фосфорилирования ADP в просгранственно обособленной области красной мембраны. Комплекс 
ориентирован таким образом, что его глобулярный 
-компонент обращен внутрь клетки. Тот же самый АТР-синтезирующий ансамбль используется при окислительном фосфорилировании и фотофосфорилировании. Протонодвижущая сила, генерируемая каждым процессом, может также запускать активный транспорт ионов и аминокислот в галобактерии.
Наличие очищенной фракции пурпурных мембран позволило Стекениусу и Эфроиму Рэкеру осуществить высокоинформативный эксперимент по реконструкции. Они получили синтетические фосфолипидные пузырьки, содержащие белок пурпурных мембран из галобактерий и АТР-синтезирующий комплекс 
из митохондрий сердца крупного рогатого скота (рис. 19.27). Освещение этих пузырьков приводило к возникновению протонного градиента через мембрану и к генерированию АТР из ADP и 
Синтез АТР прекращался при добавлении переносчиков протонов, нарушавших протонный градиент, что говорит о важной роли протонодвижущей силы для этого процесса. Описанные реконструированные пузырьки, содержащие только протонный насос и АТР-синтетазу в замкнутой мембране, непроницаемой для протонов, представляют собою простейшую модельную систему для хемиосмотического преобразования энергии.
Заключение
Первым этапом фотосинтеза является поглощение света молекулами хлорофилла, организованными в фотосинтезирующие единицы в мембранах тилакоидов хлоропластов. Возбужденная энергия переносится от одной молекулы хлорофилла к другой, пока не улавливается реакционным центром. Критическим событием, происходящим в реакционном центре, является активированный светом перенос одного электрона на акцептор против градиента химического потенциала. Фотосинтез у зеленых растений требует взаимодействия двух световых реакций. Фотосистема I генерирует сильный восстановитель (связанный ферре-доксин), приводящий к образованию NADPH. Фотосистема II генерирует сильный окислитель, который образует 
из 
Поток электронов через электрон-транспортную цепь от фотосистемы II к фотосистеме I приводит к возникновению протонного градиента, который в свою очередь приводит к синтезу АТР. Таким образом, свет вызывает передвижение электронов от 
к NADPH с одновременным генерированием АТР. Кроме того, протонный градиент и соответственно АТР могут быть генерированы без образования NADPH в результате процесса, называемого циклическим фотофосфорилированием. вслед за поглощением света фотосистемой 
Фотофосфорилирование, подобно окислительному фосфорилированию, запускается протонодвижущей силой, и. следовательно. для его осуществления требуется замкнутое пространство (компартмент.)
АТР и NADPH, образующиеся при световых реакциях фоюсинтеза, используются для превращения 
в гексозы и другие органические соединения. Темновая фаза фотосинтеза, называемая циклом Кальвина, начинается с реакции между 
приводящей к образованию двух молекул 3-фосфогли-церата. Стадии превращения 3-фосфогли-
Рис. 19.27. Реконструированные мембранные пузырьки, содержащие белок пурпурных мембран и АТР-синтезирующий комплекс митохондрий, образуют АТР при освещении.
церата во фруктозо-3-фосфат и глюкозо-6-фосфат аналогичны таковым при глюконеогенезе с той лишь разницей, что глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназа хлоропластов специфична в отношении NADPH, а не NADH. В результате сложной последовательности реакций происходит регенерирование рибулозобисфосфата из фруктозо-6-фосфата, глицеральдегид-3-фосфата и дигидроксиацетонфосфата. Некоторые стадии генерирования рибулозо-1,5-бисфосфата подобны таковым пентозофосфатного пути. При превращении 
в гексозу потребляются три АТР и два NADPH. Для генерирования двух NADPH четыре протона поглощаются фотосистемой I и еще четыре - фотосистемой II.
У тропических растений имеется дополнительный путь концентрирования 
в месте локализации цикла Кальвина. Этот 
-путь обеспечивает тропическим растениям преимущество при высокой интенсивности освещения и сводит к минимуму конкурирующую реакцию, оксигенирование рибулозо-1,5-бисфосфата.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
(см. скан)
Часть III. Биосинтез предшественников макромолекул
