Cтраница 4
Другое направление заключается в отходе от живой системы. В этом случае хлоропласты изолируются от зеленых листьев растений и стабилизируются совместно с гидрогеназой ( например, на твердом субстрате), так что активность может поддерживаться в течение долгого времени вне биоэлемента. Гидрогеназа, энзим, который определяет выделение газообразного водорода, хотя и присутствует во многих водорослях, но может быть и прямо привязан к фотосинтетической аппаратуре, так как вне биоэлемента ферменты гидрогеназы сильно ингибированы кислородом, и напротив, фотосинтетический процесс, ответственный за выделение кислорода, выключается при восстановительных условиях. [46]
НАДН-дегидрогеназа локализована во внутренней мембране митохондрий ( пересекает ее поперек) и имеет две простатические группы - ФМН и FeS-белки. В переносе двух атомов водорода участвует 6 7-диметилизоаллоксазин ( 1 - й и 10 - й атомы азота) ФМН. Далее FeS-белки забирают 2е -, а оставшиеся 2Н выталкиваются в межмембранное пространство и ждут момента, когда 2е - зарядят атом кислорода отрицательно, иными словами, на стадии НАДН-де - гидрогеназы разделяются потоки протонов и электронов. [47]
Нитрогеназный комплекс наряду с азотфиксацией катализирует восстановление протонов до молекулярного водорода. Этот процесс энергозависимый и требует расхода АТФ, достигающего более 30 % энергии, используемой для азотфиксации. Фермент гидрогеназа способствует утилизации водорода, направляя поток энергии на процесс азотфиксации. Таким образом, экспрессия гена этого фермента создает благоприятные условия для эффективного усвоения азота. [48]
Первый путь предполагает использование низкомолекулярных диффузионно-подвижных переносчиков электрона ( медиаторов), способных акцептировать электроны с электрода и отдавать их активному центру фермента. Этот механизм используется в большом числе ферментативных электродных систем, в частности, в реакциях с участием гидрогеназ - биологических катализаторов активации молекулярного водорода. В системе гидрогеназа - метилвиологен - угольный электрод удается электрохимически окислять водород без перенапряжения в условиях, близких к равновесным. Механизм прямого переноса электронов по пути электрод - активный центр фермента уже реализован в реакции электрохимического восстановления кислорода до воды с участием медьсодержащей оксидазы, в реакции электровосстановления водорода с помощью гидрогеназы. [49]
Что касается идентификации каталазы, то Поцци - Эско55 утверждает, что она представляет собою не что иное, как открытую Рей - Пэладом5 гидрогеназу ( или филотион), которая превращает серу в сероводород. Поцци-Эско испытал различные препараты гидрогеназы на способность разлагать перекись водорода с выделением кислорода и нашел, что они были еще активнее, чем каталаза Лова. Но поскольку гидрогенирующие вещества, как известно, очень быстро используют активный кислород перекиси водорода с образованием воды, топе вполне ясно, каким образом гид-рогеназа, всегда выделяющая, согласно автору, водород in statu nascendi, может разлагать перекись водорода с выделением кислорода. По всей вероятности, гидрогеназы не имеют ничего общего с каталазами. [50]
Предполагается [81] следующая общая схема механизма фотосинтетИ ческого выделения водорода. Солнечный свет поглощается светочувствительным пигментом, например белком хлорофилла. При помощи активных центров белка эта энергия сообщается электронам, источником которых может служить некоторое донорное вещество. По современным представлениям таким катализатором является фермент гидрогеназа или нитрогеназа. [51]
Еще в 1942 г. обнаружено, что под действием света одноклеточные сине-зеленые водоросли в анаэробных условиях ( атмосфера, не содержащая и кислород) теряют способность выделять кислород и вместо него выделяют газообразный водород. Эти исследования, которые в дальнейшем стали развиваться в СССР, США [8, 525] и в ряде других стран, известны как свето-индуцированное разложение воды с выделением молекулярного водорода. Установлено, что гидрогеназа, содержащаяся в одноклеточной водоросли ( henedesmus), способна восстанавливать СО2 молекулярным водородом на свету, в темноте выделяет водород, когда воздух замещают азотом. Освещение ферментирующей водоросли в отсутствие СО2 увеличивало скорость выделения СО2 примерно в 10 раз. Таким образом, водоросли, как и некоторые микроорганизмы, содержат фермент - гидрогеназу и способны связывать молекулярный водород, который служит донором электронов в реакциях окислительного фосфорилирования, фиксации азота и др. In vitra гидрогеназа может катализировать и обратную реакцию - выделение водорода из воды, принимая электроны от достаточно сильного восстановителя. [52]
Падоа и Вита [9] наблюдали частичное или полное торможение фотосинтеза окисью углерода у Planlago major и у водных растений Lemna minor a Elodea cwadensis, причем их дыхание скорее стимулировалось, чем подавлялось. Эти авторы полагают, что окись углерода абсорбируется хлорофиллом так же, как и гемоглобином. Позднее [12] они описали обратимые изменения в абсорбционных спектрах хлорофильных растворов в бензоле, вызываемые насыщением окисью углерода, считая их доказательством существования лабильного продукта присоединения окиси углерода к хлорофиллу. Однако полученные ими фотометрические кривые не убедительны, а данные по торможению фотосинтеза, по мнению Гаффрона [17], также ненадежны. Гаффрон исследовал действие окиси углерода на различные водоросли ( например, Phormidium tenue) и нашел, что СО не оказывает действия на обычный фотосинтез или влияет на него в очень слабой степени. Как описывается в главе VI, Гаффрон [33] обнаружил, что такая инкубация обусловливает переход от нормального фотосинтеза к фоторедукции, которая требует молекулярного водорода или внутриклеточных водородных доноров. Гаффрон поэтому полагает, что окись углерода в концентрациях порядка 20 % является специфическим ингибитором для гидрогеназы, активация которой обусловливает окислительно-восстановительные процессы у адаптированных водорослей и не затрагивает энзиматической системы нормального фотосинтеза. [53]