Проблемы образования кислорода при фотосинтезе

УДК 581.1:577.1

ПРОБЛЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ КИСЛОРОДА ПРИ ФОТОСИНТЕЗЕ

В.В. Иванищев

Рассмотрены вопросы, касающиеся механизмов протекания реакций световой фазы фотосинтетического процесса. Показано, что даже классические представления о фотолизе воды подвергаются сомнению рядом исследователей. Главным аргументом неполноты (и/или неточностей) наших знаний об этом процессе является невозможность осуществить такой процесс in vitro с достаточной эффективностью в настоящее время.

Ключевые слова: фотосинтез, фотолиз воды, пероксид водорода, бикарбонат

Введение

Фотосинтетический процесс считают достаточно глубоко и всесторонне изученным. К началу 80-х годов ХХ столетия были подведены основные итоги проделанной работы и даже сформулированы математические выражения для процесса ассимиляции углекислого газа С3-растениями [1]. В работе [2], посвященной 20-летию этих исследований, отмечалось, что представленная модель фотосинтеза не является полной, но связывает кинетические параметры Рубиско (D-рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилазы-оксигеназы - главного фермента цикла Кальвина) с другими показателями, такими как стехиометрия и энергетические потребности процесса ассимиляции СО2 как целого. При этом она носила интегральный характер в попытке использовать наблюдаемые показатели фотосинтетического газообмена для предсказания суммарного фотосинтеза на основе математических расчетов.

С начала нынешнего столетия ряд авторов внес необходимые коррективы, которые позволили использовать это уравнение для описания фотосинтетического процесса ассимиляции СО2 у растений в разных условиях среды. Более того, модификации модели дали возможность некоторым исследователям расширить поле ее приложения и применить даже для описания особенностей фотосинтеза С4-растений, обладающих дополнительной «надстройкой» для «концентрирования» СО2 [3].

В то же время начальный и конечный пункты фотосинтетического процесса (как совокупности световых и темновых реакций) также, отчасти, получили новую интерпретацию, а отдельные положения даже были пересмотрены. Так, вопрос об образовании кислорода, обсуждаемый некоторыми авторами достаточно давно [4], нашел неожиданное продолжение в развитие результатов, касающихся активации процесса выделения кислорода в присутствии бикарбонат-ионов [5]. Проблема ночной утилизации крахмала - первично запасаемого продукта

фотосинтетической ассимиляции неорганического углерода нашла иное решение [6].

Все это, на наш взгляд, дает веские основания для того, чтобы подвести некоторые промежуточные итоги исследований в области фотосинтеза и сформулировать положения (новые результаты), которые следовало бы ввести в образовательный процесс как отражение современных представлений о фотосинтетическом процессе. В данной работе обсуждаются проблемы, касающиеся образования кислорода в ходе фотосинтетического процесса.

Фотолиз воды, как механизм образования кислорода

при фотосинтезе

Известное деление фотосинтетического процесса на световую и темновую фазу является, в определенной степени, условным, поскольку обе составляющие обеспечивают образование органического вещества из углекислого газа. Тем не менее, обе фазы процесса имеют достаточно ясную интерпретацию. Среди вопросов, связанных со световым периодом, следует отметить проблему образования кислорода. Из истории науки известно, что еще в 1941 г. А. Виноградов и Р. Тэйс экспериментально показали, что источником кислорода в ходе фотосинтеза является вода. Традиционная схема, излагаемая в учебниках, представлена в виде следующего выражения [7]:

СО2 + 2Н218О + свет ^ (СН2О) + 18О2 + Н2О.

При этом на протяжении последних примерно 50 лет в научной литературе Г. Комиссаров отстаивает «новую концепцию фотосинтеза, открывающую перспективы» [8]. Гипотеза построена на результатах практического использования знаний о фотосинтезе для создания установок, обладающих способностью к фоторазложению воды. Этой проблеме уделяется важное внимание многих исследователей в попытке создания искусственных хлоропластов [9, 10]. При этом результаты пока не столь впечатляющи, как хотелось бы. Одной из причин, по нашему мнению, являются не вполне правильные (или недостаточно полные) представления о процессах, связанных с образованием кислорода при фотосинтезе, несмотря на активнейшую работу многих лабораторий мира в этом направлении. Поэтому следует, по-видимому, обратить внимание на результаты исследований и взгляды на проблему других авторов, которые не находят столь же широкого резонанса в научных кругах.

Напр., одна из гипотез, предложенная Г. Комиссаровым, касается более предпочтительного фоторазложения молекул пероксида водорода в сравнении с водой [8]. С химической точки зрения никаких возражений других авторов этот тезис не вызывает. В то же время за последние 10-15

лет накоплено значительное количество результатов об образовании в растениях, в том числе в хлоропластах, значительных количеств пероксида водорода, которому отводится много разных функций, но использование его для фоторазложения с образованием кислорода рассматривает только это автор.

Анализируя научную литературу о свойствах воды Г. Комиссаров приводит сведения о том, что даже в трижды дистиллированной воде содержание пероксида водорода составляет 10-9 М. В природных водах рек, озер, морей и океанов - 10-6 М, а в дождевой воде - 10-5 М. При этом с точки зрения энергетики разложение пероксида водорода намного выгоднее, а именно: значение стандартного электродного потенциала пары Н2О2 / О2 - в два раза ниже (-0,69 В), чем аналогичная величина для пары Н2О / О2 (-1,23 В) [8].

Возникающие вопросы о необходимом количестве пероксида водорода решаются следующим образом. Во-первых, летучесть пероксида ниже, чем воды. На этом основан один из методов химической практики по увеличению концентрации пероксида при испарении воды. В растении это достигается интенсивной транспирацией, величины которой весьма значительны. Имеющиеся экспериментальные результаты говорят, что одно растение кукурузы или подсолнечника за сезон пропускает через себя до 200 л воды [11]. При этом главная функция транспирации (по современным представлениям) состоит в защите растения от перегревания, в то время как на создание продуктов фотосинтетической ассимиляции СО2 затрачивается только 0,001 часть. Во-вторых, в качестве дополнительной аргументации автор указывает на широко известные данные об увеличении продуктивности растений при их обработке пероксидом водорода [8].

Можно привести многочисленные экспериментальные данные о различных путях образования Н2О2 в клетке в ходе обычного метаболизма. Это происходит в таких компартментах клетки, как хлоропласты, митохондрии, пероксисомы [12-14]. При этом полагают, что 40% образуемого пероксида водорода передается из пероксисом в цитозоль, в то время как общее его содержание достигает величин 0,5-1 мкмоль на 1 мг хлорофилла [8]. Для различных растений эта величина может колебаться в боле широких пределах. Так, для ряда изученных растений получены величины, находящиеся в диапазоне 0,7-3,7 мкмоль/г сырой массы. При этом концентрация в разных тканях растения также может варьировать - 5-15 мкмоль/г сырой массы, причем у отдельных видов, например кукурузы, этот показатель достигает 20 мкмоль/г сырой массы, в то время как при дефиците азота он возрастает до 75 мкмоль/г сырой массы [15]. Учитывая, что содержание хлорофилла составляет часто 1-5 мг на 1 г сырой массы, разброс в величинах может составлять более чем один порядок.

С другой стороны, вовсе не общее содержание хлорофилла определяет эффективность световых реакций, а так называемый реакционный центр, а именно: одна молекула хлорофилла на примерно 300 других таких молекул пигмента плюс другие пигменты фотосинтеза, образующие светособирающий комплекс [14]. Если учесть этот факт, а также принять общую концентрацию хлорофилла в 3 мг/г сырой массы, то молярная концентрация хлорофилла реакционных центров может составлять величины порядка 0,005-0,001 (т.е. в тысячу раз меньше) по отношению к молярной концентрации пероксида водорода. Поэтому Г. Комиссаров резонно считает, что in vivo соблюдается соотношение, в котором концентрация пероксида водорода намного превышает концентрацию хлорофилла реакционных центров, что вполне достаточно для объяснения наблюдаемых скоростей выделения кислорода в ходе фотосинтеза [16].

При любом виде стресса количество пероксида водорода может существенно возрастать [13, 15]. Однако, это не увеличивает фотосинтез, а чаще всего пагубно влияет на него, а также на иные процессы, что можно объяснить повреждающим действием других активных форм кислорода, которые образуются наряду с повышением содержания пероксида водорода и обладают большей разрушительной силой. В таких случаях невозможно разграничить негативное действие разных активных форм кислорода. Видимо, такая ситуация не позволяет большинству исследователей принять точку зрения Г. Комиссарова, несмотря на имеющиеся данные об увеличении продуктивности растений при их обработке раствором пероксида водорода, и даже наличие ряда патентов на такой способ повышения продуктивности растений [8].

Дополнительным аргументом Г. Комиссарова является то, что созданная (при его участии) фотовольтаическая батарея, содержащая в своем составе синтетический аналог хлорофилла - фталоцианин, при освещении видимым светом выделяет газообразный кислород из воды. Изучение пористых пленок, содержащих фталоцианин, на металлическом электроде привело к мысли о том, что фоторазложению подвергаются не молекулы воды, а пероксида водорода, который образуется на границе раздела пигмент - металл. Позднее это было доказано экспериментально [16].

Отдельная проблема касается обсуждения роли тепловой энергии в фотосинтезе. Известно, что в среднем листья поглощают 25 % энергии инфракрасных лучей [11]. Эта энергия, безусловно, способствует ускорению протекания биохимических реакций и процессов, связанных как с катализом, так и процессами переноса, в том числе через мембранные структуры. При этом 95-98 % энергии фотосинтетически активной радиации (ФАР), которая составляет менее половины общей солнечной радиации, расходуется на испарение воды - транспирацию и теплообмен с

атмосферой. Поэтому нельзя не согласиться с автором о значении этой части энергии в обеспечении фотосинтетического процесса [8]. Более того, известно, что при температуре воздуха менее 10 оС у большинства растений фотосинтез практически останавливается.

В одной из ранних работ было введено понятие локального разогрева микроучастков хлоропласта, в которых по оценкам автора достигается температура близкая к 70 оС, что способствует отрыву электрона в реакционном центре [16]. Это вполне можно допустить, учитывая, что энергия в реакционный центр собирается с нескольких тысяч молекул пигмент-белкового светособирающего комплекса [14]. Кроме того, такие температуры увеличивают и скорость термического распада пероксида водорода [8]. С последним тезисом автора сложно согласиться, поскольку пероксид водорода находится в растворе, нагревание которого до таких температур неизбежно приводило бы к денатурации всех белковых структур хлоропласта. Если же предположить, что такой разогрев и происходит, то он тогда должен затрагивать исключительно хромофорные группы молекул хлорофилла только реакционных центров фотосинтетических единиц для облегчения процесса отрыва электрона с его последующей передачей в цепь переносчиков электрон-транспортной цепи фотосинтеза.

Таким образом, автор объясняет необходимость наблюдаемой высокой транспирации листьев (придавая иное, почти ведущее, физиологическое значение этому процессу), указывает на новую физиологическую роль фотодыхания (что позволяет по-новому оценить энергетическую стоимость этого процесса для организма, на обеспечение которого по разным оценкам затрачивается до 40% энергии, запасаемой в ходе фотосинтеза), как важного поставщика пероксида водорода, приводит данные об успешных шагах в решении проблемы искусственного фотосинтеза (образование из СО2 и Н2О2 органических веществ с одновременным выделением кислорода) [8].

Бикарбонат как источник кислорода при фотосинтезе

Другая идея, касающаяся проблемы образования кислорода, основана на давно известных результатах исследований по активирующему влиянию бикарбонат-иона на фоторазложение воды [5]. Более того, удаление бикарбоната приводит к ингибированию транспорта электронов при фотосинтезе [17]. По современным представлениям на акцепторной стороне фотосистемы 2 (ФС 2) существуют два участка связывания бикарбоната [18].

При работе ФС 2 фотохимическая реакция переноса электрона приводит к образованию ион-радикальной пары, которая представлена молекулой окисленного хлорофилла (Р+) и молекулой восстановленного

акцептора. Второй компонент - водоокисляющий комплекс, который окисляется образовавшимся катион-радикалом Р+ и, в свою очередь, окисляет молекулы воды с образованием свободного кислорода, протонов (переносимых в люмен хлоропластной структуры) и электронов (заполняющих освободившиеся для них места в возбужденных молекулах хлорофиллов реакционных центров, чьи электроны были переданы на другие переносчики электрон-транспортной цепи фотосинтеза). Каталитическим центром водоокисляющего комплекса является неорганический кластер, стехиометрию которого обозначают как МщСа05.

Объемная структура этого комплекса сформирована таким образом, что кальций связан со всеми четырьмя ионами марганца через оксо-мостики, а ионы марганца разбиты на связанные между собой пары с помощью тех же оксо-мостиков. В результате с кластером ассоциированы 4 молекулы воды, ориентированные по две у кальция и иона марганца, обозначаемого как Мп4 [18]. При этом показана важная роль ионов хлора, которые образуют сети водородных связей с другими молекулами воды и функционально активными группами ряда аминокислот, входящих в состав молекул белков водоокисляющего комплекса. В результате формируются каналы для удаления образующихся при разложении воды протонов от марганцевого кластера и/или доставки молекул воды для их разложения. В ходе окисления воды, по разным взглядам, участвуют Мп4 или другие ионы марганца, в результате чего можно наблюдать изменение степени окисления для них +2, +3, +4.

Для структурно-функциональной организации водоокисляющего комплекса необходимо присутствие бикарбонат-иона, который обеспечивает связывание ионов марганца внутри кластера [19, 20]. При этом показан значительный защитный эффект бикарбонат-иона при термоинактивации фотосистемы 2. Предположение о возможности использования бикарбонат-иона в реакции фотоокисления вместо воды не нашло экспериментального подтверждения. Тем не менее, можно полагать, что в его присутствии трудно окисляемый аква-катион Мп+2 (потенциал окисления до Мп+3 = 1,18 В) может трансформироваться в легко окисляемые Мп-бикарбонатные комплексы с потенциалом окисления 0,520,67 В [18]. Отчасти, такое "облегчение" может быть объяснено способностью бикарбоната связывать протоны, образующиеся при фоторазложении воды.

Исследование состава и электрохимических свойств комплексов марганца с бикарбонатом показало, что в водном растворе ионы Мп+2 связаны с шестью молекулами воды. Присутствие в среде разных концентраций бикарбоната приводило к образованию с ионами марганца комплексов разного состава. При этом значение потенциала окисления существенно падало до величин, более чем вдвое меньших (до 0,52 В) против воды. Изучение влияния рН на рассматриваемый процесс также

показало сни ение этой величин . аи ень ие величин потенциала окисления наблюдали при рН, которые считают оптимальными для процесса фотосинтеза (рН 7,60-7,90) [18].

Таким образом, рассмотрение описанного процесса в свете эволюции нашей планеты и зарождения жизни на Земле позволило предположить, что такой механизм мог присутствовать у первых фототрофов. При этом вопрос о возможности использования Н2О2 в процессе фотоокисления авторы [18] рассматривают только через призму его превращения в воду при участии фермента каталазы с последующим фотоокислением. Такая ситуация ставит вопрос о том, чтобы провести все-таки более "тонкие" эксперименты в присутствии пероксида водорода.

В этом аспекте представления о фотосинтезе в "нормальных" условиях становится подобным, отчасти, представлениям об "идеальной жидкости" или "идеальном газе", когда выполняется большинство известных законов. Учитывая биохимические перестройки, которые вызываются стрессовыми условиями в организме фотоавтотрофов, вполне можно допустить, что механизм фоторазложения воды может включать и другие варианты, напр., с промежуточным образованием пероксида водорода или использованием того же бикарбоната. Однако такая точка зрения, безусловно, нуждается в строгой экспериментальной проверке.

Таким образом, подводя итоги исследований в области проблемы выделения кислорода при фотосинтезе, следует отметить, что, по большому счёту, вопрос об источнике кислорода всё ещё носит дискуссионный характер. Это связано, прежде всего, с тем, что до сих пор человек не может полностью воспроизвести этот процесс в аналогичной рукотворной системе in vitro, что, безусловно, явилось бы основой для разработки соответствующего высокоэффективного биотехнологического процесса.

Список литературы

1. Farquhar G.D., von Caemmerer S., Berry J.A. A biochemical model of photosynthetic CO2 assimilation in leaves of C3 species // Planta. 1980. V. 149. P. 78-90.

2. Farquhar G.D., von Caemmerer S., Berry J.A. Models of photosynthesis // Plant Physiol. 2001. V. 125. No 1. P. 42-45. Doi: http://dx.doi.org/10.1104/pp125.1.42.

3. Yin X., Struik P.C. C3 and C4 photosynthesis models: An overview from the perspective of crop modeling // NJAS Wageningen Journal of Life Sciences. 2009. V. 57. P. 27-38. Doi: 10.1016/j.njas.2009.07.001.

4. Комиссаров Г.Г. О возможности фотоэлектрического механизма разложения воды при фотосинтезе // Биофизика. 1967. Т. 12. Вып. 3. С. 558-561.

5. Stemler A., Govindjee. Bicarbonate ion as a critical factor in photosynthetic oxygen evolution. Plant Physiol. 1973. V. 52. P. 119-123.

6. Blocking the metabolism of starch breakdown products in Arabidopsis leaves triggers chloroplast degradation / M. Stettler, S. Eicke, T. Mettler [at al.] // Mol. Plant. 2009. V. 2. No 6. P. 1233-1246.

7. Юрин В.М. Физиология растений: учебное пособие. Минск: БГУ, 2010. 455 с.

8. Комиссаров Г.Г. Новая концепция фотосинтеза: открывающиеся перспективы // Вестник международной академии наук (Русская секция). 2010. Вып. 2. С. 52-57.

9. Artificial chloroplast: Au/chloroplast-morph-TiO2 with fast electron transfer and enhanced photocatalytic activity / N. Shi, X. Li, T. Fan [at al.] // Intern. J. of Hydrogen Energy. 2014. V. 39. № 11. P. 5617-5624.

10. Coassembly of Photosystem II and ATPase as Artificial Chloroplast for Light-Driven ATP Synthesis / X. Feng, Y. Jia, P. Cai [at al.] // ACS Nano. 2016. V. 10. P. 556-561.

11. Иванищев В.В. Продукционный процесс у растений и его регуляция. Тула: Изд-во ТГПУ им. Л.Н. Толстого, 2011. 114 с.

12. Cheeseman J.M. Hydrogen Peroxide and Plant Stress: A Challenging Relationship // Plant Stress. 2007. V. 1(1). P. 4-15.

13. Гарифзянов А.Р., Иванищев В.В., Жуков Н.Н. Образование и физиологические реакции активных форм кислорода в клетках растений // Современные проблемы науки и образования. 2011. № 2, 21 с.; URL: www.science-education.ru/96-4600 (дата обращения: 02.05.2017).

14. Хелдт Г.-В. Биохимия растений. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. 471 с.

15. Cheeseman J.M. Hydrogen peroxide concentrations in leaves under natural conditions // Journal of Experimental Botany. 2006. V. 57. No. 10. P. 2435-2444. doi:10.1093/jxb/erl004.

16. Комиссаров Г.Г. Фотосинтез: физико-химический подход. М.: УРСС, 2003. 223 с.

17. Wydrzynski T., Govindjee. A new site of bicarbonate effect in photosystem II of photosynthesis: evidence from chlorophyll fluorescence transients in spinach chloroplasts // Biochim. Biophys. Acta. 1975. V. 387. P. 403-408.

18. Терентьев В.В., Хоробрых А.А., Козлов Ю.Н., Климов В.В. Возможная роль Mn-бикарбонатных комплексов в эволюционном происхождении водоокисляющего комплекса фотосистемы 2 // Фотосинтез: открытые вопросы и что мы знаем сегодня. Аллахвердиев С.Н., Рубин А.Б., Шувалов М.А. (ред.). Ижевск-Москва: Ижевский институт компьютерных исследований. 2013. С. 205-240.

19. Bicarbonate may be required for ligation of manganese in the oxygenevolving complex of photosystem II / V.V. Klimov, R.J. Hulsebosch, S.I. Allakhverdiev [at al.] // Biochemistry. 1997. V. 36. P. 16277-16281.

20. Effect of bicarbonate on the S2 multiline EPR signal of the oxygen-evolving complex in photosystem II membrane fragments / R.J. Hulsebosch, S.I. Allakhverdiev, V.V. Klimov [at al.] // FEBS Lett. 1998. V. 424. P. 146-148.

Иванищев Виктор Васильевич, д-р биол. наук, старший научный сотрудник, зав. кафедрой, avdey_ VV@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого

PROBLEMS OF OXYGEN PRODUCTION IN PHOTOSYNTHESIS

V. V. Ivanishchev

The brief review deals with the mechanisms of the reactions of the light phase of the photosynthetic process. It is shown that even the classical concept of water photolysis is questioned by several researchers. The main argument for the incompleteness (and / or inaccuracies) of our knowledge about this process is the inability to carry out such a process in vitro with sufficient efficiency at the present time.

Key words: photosynthesis, photolysis of water, hydrogen peroxide, bicarbonate

Ivanishchev Viktor Vasiljevich, Doctor of Biology, Senior Researcher, Head of the Department, avdey_VV@mail. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University