Первичность фотосинтеза
В соответствии с таким подходом следующим шагом после использования непосредственного сопряжения поглощения ультрафиолета пуриновым кольцом и синтеза АТФ должно быть создание в ходе эволюции аппарата синтеза АТФ, сопряженного с поглощением света комплексными соединениями железа, пор-фириновыми или иными пигментами и лишь затем создание биохимической системы сопряжения синтеза АТФ с реакциями окисления углеводов и т. п. При этом вполне возможно, что фотохимические механизмы сохраняются и в темновых процессах, например, при сопряженном фосфорилировании в митохондриях (см. ниже).
Таким образом, следуя логике нашего изложения, следует признать, что фотосинтез должен был появиться в процессе эволюции раньше, чем темновые процессы биохимического преобразования энергии.
Утверждению о первичности фотосинтеза, как я думаю, не противоречит ничто из известного ныне. Мы почему-то связываем относительно позднее в эволюции биосферы Земли образование атмосферного кислорода с эволюционным возникновением фотосинтеза. Это неверно. Кислород выделяется при фотосинтезе лишь у высших растений и водорослей. Выделение кислорода в значительных количествах отнюдь не было обусловлено тем, что этот газ столь нужен нам для дыхания. Кислород образовывался первоначально как неизбежный побочный продукт, «экскрет», при радиационном фоторазложении воды. Лишь затем, по мере выработки механизмов запасания энергии в виде энергии связи органических молекул жиров, углеводов, белков возникла необходимость и стало возможным образование макроэргических пирофосфатов, сопряженное с процессами деградации пищевых молекул, т. е. процессами дыхания и брожения.
Необходимо напомнить, что степень макроэргичности существенно зависит от концентрации воды. Поэтому фотохимический сопряженный синтез макроэргических пирофосфатов значительно легче осуществлялся бы в неводной среде. Эти вопросы мы обсудим ниже.
Ожидание осуществления фотохимического синтеза АТФ в простых модельных системах оправдались уже во время завершения в 1975 г. работы над текстом этой главы (см. с. 124). В серии работ Н. В. Гончарова и В. Б. Евстигнеев осуществили синтез АТФ за счет энергии света, поглощаемого хлорофиллом, а также (!) р-каротином или феофитином, адсорбированными на окиси алюминия. Кроме того эти авторы вслед за С. Е. Манойловым осуществили синтез АТФ за счет энергии, выделяющейся при разложении Н202 под действием каталазы и за счет энергии, получаемой при изменении рН в суспензии частиц окиси алюминия с адсорбированными пигментами-хлорофиллами, каротином, феофином в темноте. Ввиду большого принципиального значения достижений Н. В. Гончаровой и В. Б. Евстигнеева рассмотрим их работы подробнее.
На основании собственных экспериментов на бесклеточных препаратах анаэробных серобактерий и давних результатов химиков, изучавших образование перфосфатов и пирофосфатов при электролизе в щелочной среде растворов ортофосфатов, авторы пришли к очень существенному предположению. Они допустили, что в определенных условиях за счет различных эндэргоничных процессов может происходить превращение ортофосфата в мета-фосфат, который далее легко образует пирофосфатную связь при
реакции с молекулами свободных или замещенных ортофосфатов.
Превращение ортофосфата в метафосфат в водных растворах при средних значениях рН существенно эндэргонично и может быть осуществлено лишь за счет свободной энергии, выделяющейся в сопряженных энзэргонических процессах. Сами авторы полагают вероятным механизм превращения ортофосфата в ме-' тафосфат, основанный на промежуточном образовании свободно радикальных форм: фосфорила, гидроксила атомарного кислорода. Мне не кажутся эти допущения вполне вероятными. Но это и не важно. Важен сам факт осуществления сопряженного фосфорилирования в очень простых системах, например, сопряженно с реакцией разложения перекиси водорода, катализируемой каталазой.
Реакция разложения перекиси водорода резко экзэргонична: ДР 59 ккал/моль Н202, поэтому в принципе при разложении моля Н202 могло бы образоваться из АДФ и ортофосфата 6-=-8 молей АТФ. Однако количественная характеристика этого процесса явно преждевременна. Само осуществление его является большим событием в биохимии. Синтез АТФ сопряженно с каталазной реакцией осуществлен в очень простой модельной системе —в растворе 7-Ю-2 М Н202, 1-10"2 М КН2Р04; 0,3-• Ю-2 М АДФ в присутствии ~1-10_6 М каталазы. Примерно 30% АДФ превращалось в АТФ (что было установлено прямым анализом при помощи хроматографии на бумаге).