Таким образом, и этот подход не дает однозначных результатов относительно роли H2O2 в фотоокислении H2O. Более того, при одноэлектронном восстановлении O2 компонентами электрон-акцепторных ветвей ФСII и ФСI образуется O2-. (см. [17] и цитированную там литературу). В изолированных хроматофорах пурпурных бактерий окисляется вторичный хинон, наиболее вероятно, в форме семихинона [18, 19]. При обработке хроматофоров детергентами с O2 взаимодействует бактериофеофитин [20]. В модельных системах кислородом окисляются фотовозбужденные хлорофилл а и бактериохлорофилл а [21, 22]. Комплексы ФСII обладают высокой активностью супероксиддисмутазы [17], катализирующей реакцию:
2O2-. + 2H+ → H2O2 + O2.
Применение еще одного подхода, "эволюционного", к проблеме фотосинтетического кислорода представляется перспективным. Эволюционно творцами оксигенного фотосинтеза стали цианобактерии. Многие из них образуют на свету H2O2 [23]. Перенос электронов на O2 с последующим образованием H2O2 у цианобактерии Microcoleus chtonoplastes достигает 40% общего потока электронов через ФСII [24]. Исследованная цианобактерия имеет высокую активность супероксиддисмутазы и не содержит каталазы [24].
В условиях импульсного освещения изолированные тилакоиды Oscillatoria chalybea выделяют O2 в ответ на первую световую вспышку (см. [25] и цитированную там литературу). Такие же данные получены с представителями Synechocystis и Synechococcus. Масс-спектрометрический анализ показал, что освещение мембран O. chalybea в присутствии H218O2 или 18O2 в газовой фазе приводит к выделению 18O2. Сделан вывод о том, что 18O2, добавленный в газовую фазу, растворяется в водной фазе, поглощается мембранами и превращается в компонент, который окисляется при освещении с выделением 18O2. Данные изотопного распределения (16O2, 16O18O, 18O2) показывают, что кислород выделяется не из H218O, поскольку сигнал 16O18O, который неизбежно должен возникать при окислении воды, невелик. Следовательно, 18O2 выделяется из H218O2, образующегося в результате темнового поглощения 18O2 из газовой фазы [25]. Фотоокисление воды у O. chalybea тоже происходит, но доля H2O в светозависимом выделении O2 значительно ниже, чем доля H2O2. В анаэробных условиях выход O2 на свету существенно снижается, при этом подавляется выделение O2 из H2O2, но не из H2O [25]. Анаэробиоз ингибирует также фотовыделение O2 зеленой водорослью Ulva sp. [26].
Таким образом, для фотосинтетического выделения O2 указанными организмами требуется, чтобы в среде содержался O2, наиболее вероятно, как субстрат для образования H2O2. Предполагается, что H2O2 является эволюционным предшественником H2O в качестве донора электронов для ФСII [25].
Более того, выдвинуто предположение [27], что в ходе современного фотосинтеза O2 выделяется не из H2O, а из H2O2 экзогенного и эндогенного (внутриклеточного) происхождения.
Процессы образования H2O2 в атмосфере и природных водоемах, а также в клетках микроорганизмов подробно рассмотрены в обзоре [28]. Отметим лишь, что согласно расчетам [28] на каждый квадратный метр поверхности суши и океанов за год с осадками выпадает ~ 200 г H2O2 [28], до 15% O2, потребляемого организмом животного, превращается в H2O2 [29]. Генераторами H2O2 в фотосинтезирующей клетке являются тилакоидные мембраны, митохондрии, пероксисомы, эндоплазматический ретикулум. Концентрация H2O2 в водоемах в среднем составляет 10-6 М [28]. Для использования в фотосинтезе маловато. Поэтому предполагаются механизмы концентрирования H2O2 в клетке, например, в результате транспирации [27]. Напомним, что концентрация CO2 в воздухе тоже невелика - 0,03%.
Если H2O2 принять в качестве эволюционного предшественника H2O как донора электронов при фотосинтезе, то для образования H2O2 был необходим O2. Мог ли O2 появиться в добиогенный период развития Земли? Кислород современной земной атмосферы на 2,3% тяжелее кислорода, образующегося фотосинтетически [30]. Следовательно, помимо фотосинтеза должен быть другой источник O2, поставляющий его в атмосферу. "...свободный кислород в газовой фазе появился на Земле в глубокой древности, т.е. в раннем докембрии, в результате дегазации базальтовой магмы, подобно тому как появились в атмосфере и другие газы. Более того, он продолжает поступать из земных недр до настоящего времени. Магма является тем первым мощным источником кислорода в природе, который определяет количество и качество его в атмосфере совместно с появившимся несколько позднее кислородом фотосинтетическим" ([30], стр. 10). Кислород современной атмосферы на 30% имеет фотосинтетическое и на 70% геологическое (из земных недр) происхождение [30]. По данным минералогии, как было отмечено В.Н.Вернадским [31], в пределах научно изученных геологических периодов состав воздуха не менялся.
Рассмотренные данные показывают, что H2O2, возможно, играет важную роль в системе фотосинтетического выделения O2, однако эти данные не поддаются однозначной интерпретации. H2O2 - промежуточный продукт окисления H2O или исходный субстрат-донор электронов? Пока нельзя даже ответить на вопрос: H2O2 - это хорошо или плохо для фотосинтеза? Имеются данные о пагубном действии H2O2. H2O2, образующийся как в электрон-донорной, так и в электрон-акцепторной ветви ФСII, вызывает фотоингибирование ВОК [32].
Таким образом, представление о воде как доноре электронов и источнике кислорода при фотосинтезе не является однозначным. В последние годы появились данные об участии H2O2 в фотосинтетическом выделении O2. Исследования в этой области представляются перспективными.
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грантом 94-04-12227-а).