Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Фотосинтез: фізіолого-біохімічні та екологічні аспекти
АТФ-синтетазний комплекс

В тилакоїдній мембрані хлоропластів знаходиться також білковий комплекс, який здатний використовувати енергію, що звільняється при перенесенні електронів для утворення високоенергетичних зв’язків АТФ. Він розміщується як всередині, так і на краях тилакоїдних гран і дещо виступає в стромальний простір. Зовнішня водорозчинна частина АТФ-азного комплексу, яка

Рис. 58. АТФ-синтетазний комплекс тилакоїдної мембрани:

а — схема структури АТФ-синтетази; б, в — електронна мікрофотографія (б — вид зверху CF, комплексу, в — зв'язок CF, комплексу з мембраною

доступна з поверхні мембрани, носить назву CF, (рис. 58). Мембранна ж гідрофобна частина позначається як CF_O.

Фактор спряження CF, в цілому має молекулярну масу 325000 та складається з дев’яти субодиниць п’яти типів (табл. 5). В 1994 р. методом рентгеноструктурного аналізу в Кембріджі було розшифровано трипросторову структуру CF, АТФ-синтази. Це розчинний олігомерний білковий комплекс в складіα₃, β₃, γ, δ, ε-субодиниць. Саме так розміщені різні субодиниці цього

Таблиця 5. Компоненти АТФ-синтетазного комплексу в хлоропласті

комплексу. Важливо відзначити, що одна із субодиниць а разом із однією субодиницеюβ формують сайт α-β, який і зв’язує аденіннуклеотид. Причому один із сайтів зв’язує АДФ, другий АТФ, тоді як третій залишається незайнятим (рис. 59).

Рис. 59. Схема CF, АТФ- синтетазного комплексу (вид зверху)

Тісний звязок із АТФ реалізується лише тоді, коли достатньо буде доставлено енергіїї протонного градієнта. Центральну частину CF₁ пронизує γ-субодиниця, яка розміщується асиметрично і поєднується із α-β-сайтом, що зв’язує АДФ. Синтез АТФ здійснюється якимось чином через конформаційні зміни в білках цих сайтів. Допускають, що γ-субодиниця здійснює ротаційний рух, що і викликає конформаційні зміни каталітичних центрів. Швидкість ротацій приблизно 100 обертів в секунду. Залишається відкритим питання, як конформаційні зміни поєднуються з потоком протонів через CF_O.

CF_O — строго облігатний гідрофобний білок, складений із чотирьох субодиниць, які позначають відповідно — I, II, III і IV. Приблизно 10-12 субодиниць III формують канал, оточений субодиницями І та II. Ймовірно цей канал поєднується з CF, за допомогою його γ, δ, ε- субодиниць. У різних видів рослин молекулярні маси окремих субодиниць відрізняються. Наприклад, CF, із тилакоїдів гороху має п’ять поліпептидів α, β, γ, δ та ε з молекулярними масами 58, 55, 37, 28 та 13,5 кД відповідно. В тилакоїдах рослин CF_O становить до 1/10 частини білків мембрани, так що на кожну фотосинтетичну одиницю припадає до трьох таких утворень. Якщо цей фактор CF_O видалити шляхом промивання хлоропластів розчином ЕДТА, то спостерігається роз’єднання транспортування електронів та фосфорилування.

Слід пам’ятати, що в нормі мембрани непроникні для протонів. Компонент CF_O створює канал, по якому протони проходять крізь мембрану через АТФ-азу в процесі фосфорилування.

Провідність протонів носить специфічний характер та пригнічується антибіотиком олігоміцином та ДЦКД (N₁N₁ — дициклогексил-карбодиімід) — інгібіторами H⁺-АТФ-ази. Цей канал забезпечує проходження протона через всю мембрану із водної фази в гідрофобну зону мембрани, а далі знову у водний розчин по інший бік ліпопротеїнового бар’єра. Основну роль в перенесенні відіграє ДЦКД-зв'язуючий протеоліпід. Припускають, що він розміщується впоперек мембрани таким чином, що полярна частина його знаходиться за межами зовнішньої поверхні мембрани і служить входом в канал. Найбільш ймовірним механізмом перенесення протона є естафетна передача по протон-донорних та протон-акцепторних групах амінокислот, включаючи залишки аргініну, тирозину та глутаміну.

Таким чином, CF_O монтується в мембрану тилакоїда у вигляді комплексу із специфічним гідрофобним білком CF_O, створюючи складний комплекс (CFo-CF₁), який зазнає конформаційних змін на світлі та під впливом зміни градієнта pH. З позицій хеміосмосмотичної гіпотези Мітчела CF_O можна розглядати як канал, що направляє протони до CF, — каталізатора синтезу АТФ.

Агрегат CF_O вперше було виділено в кінці 70-х років (Jomis, Winget, 1977; Pick, Racher, 1979). Інтерпретація структури гідрофобної частини зводиться до того, що кілька мікропротеїнів входять до складу CF_O разом з трьома поліпептидами. Це поліпептиди з молекулярними масами 17,5, 13,5 та 7,5 кД. Поліпептид 7,5 кД є білком, що функціонує як протонний канал. Перенесення і монтаж комплексу CF_O-CF₁ в штучні фосфоліпідні ліпосоми забезпечує синтез АТФ при наявності трансмембранного потенціалу.

Рис 60. Схематичне зображення моделі основних структурних одиниць, які здійснюють поглинання та міграцію квантів світла, транспортування електронів та реакції енергетичного спряження при фотосинтезі

Фотосистема II складається із двох частин — світлозбираючого пігментбілкового комплексу СЗК II та «центрального комплексу» («core complex», ЦК II), який каталізує перенесення електронів від Н₂О до пластохінону. Комплекс цитохромів b₆—f, який містить також Fe-S типу Ріске, окислює пластогідрохінон (Пх-Н₂) і є донором електронів для пластоціаніну (ПЦ). Фотосистема І складається з світлозбираючого комплексу СЗК І та «центрального комплексу" ЦК І, який окислює пластоціанін і передає електрони через феродоксин на НАДФ⁺. АТФ-синтетазний комплекс, який використовує градієнт протонів для синтезу АТФ, складається з гідрофобної частини CFo та із зв'язаної на поверхні мембрани частини CF₁, Q, Z, В — переносники електронів в фотосистемі II. X —акцептор електронів. Визначення субодиниць АТФ-син- тетазного комплексу наведено в тексті

На рис. 60 представлено лише поліпептидний склад фотосистем, але це не його структурна модель, до того ж на ньому зображено лише по одній копії кожного поліпептиду, як правило in vivo, все це надзвичайно складний комплекс.

Таким чином, в тилакоїдних мембранах розміщені світлозбираючі пігмент-білкові комплекси, електрон-транспортні комплекси ФС І та ФС II, пластохінол-пластоціанін-оксидоредуктаза (комплекс b₆—f) та АТФ-синтетази. Стехіометрія та розміщення функціональних одиниць вздовж мембрани не є раз і назавжди заданими.