3.4.2. Основные типы пигмент-белковых комплексов

В настоящее время выделено 4 главных типа свет-собирающих (антенных) комплексов. Два из них, локализованные в реакционных центрах ФСI и ФСII, связывают только молекулы хлорофилла а и b-каротин; два других – белки внешних свет-собирающих комплексов – связывают хлорофиллы а и b и каротиноиды.

Фотосистема I включает центральный комплекс I (ядро комплекса), содержащий димер хлорофилла а (П700), 2 молекулы b-каротина и около 100 молекул хлорофилла а, расположенных вокруг электрон-транспортной цепи реакционного центра (внутренняя антенна). Внешний свет-собирающий комплекс ССКI (LHC I) содержит 80-120 молекул хлорофиллов а и b, каротиноиды и состоит из 4-х субъединиц Lhca 1, Lhca 2, Lhca 3 и Lhca 4 с молекулярными массами 17-24 кДа.

Фотосистема II включает центральный комплекс II (ядро комплекса), содержащий димер хлорофилла а П680 и хлорофилл а-содержащие белки СР43 и СР47 (внутренние антенны). ФСII имеет также большой внешний антенный комплекс ССКII (LHC II), содержащий хлорофиллы а и b и каротиноиды, а также ряд «минорных» ССК – СР24, СР26 и СР29, расположенных между ССКII и реакционным центром и выполняющих важную роль в регуляции переноса энергии в реакционный центр.

Структурная организация всех антенных комплексов в целом подчинена основному требованию поглощения квантов света – возможности эффективной миграции энергии возбуждения среди молекул ССК и направленному переносу всей энергии в реакционные центры. В связи с этим различные спектральные формы пигментов должны быть расположены определенным образом в антенных комплексах, однако точная архитектура антенн еще мало изучена.

3.4.3. Энергетическое взаимодействие пигментов в антенных комплексах и реакционных центрах

Идея коллективного функционирования пигментов, отраженная в представлении о фотосинтетической единице (ФСЕ), предполагает необходимость их энергетического взаимодействия. В основе процессов энергетического взаимодействия пигментов в антенном комплексе, взаимодействия пигментов антенного комплекса и реакционного центра и взаимодействия молекул хлорофилла а в димере реакционного центра лежит механизм «экситонного взаимодействия», поскольку обмен энергией между молекулами пигментов идет по индуктивнорезонансному механизму Фёрстера, в основе которого лежит экситонный перенос энергии (см. гл. 3.1).

Энергия экситонного взаимодействия (J) может быть различной и определяет эффективность межмолекулярного переноса энергии. Экситонное сопряжение пигментов зависит от их ориентации и расстояния. На эффективность переноса энергии в ССК влияет ряд факторов – положение энергетических уровней, время жизни и геометрические параметры.

В свет-собирающем (антенном) комплексе пигменты достаточно жестко организованы и ориентированы друг относительно друга. Кроме того, благодаря взаимодействию пигментов с различными аминокислотами белка в антенном комплексе присутствует большой набор различных спектральных форм, в результате чего пигменты имеют широкий и сильно перекрывающийся спектр поглощения. В результате происходит быстрое равновесие энергии, поглощенной пигментами антенного комплекса, между молекулами пигментов внутри антенны (в течение долей пикосекунд) и между антенной и реакционным центром. При участии серии пигментов с различными спектральными характеристиками энергия электронного возбуждения направленно мигрирует к реакционному центру, где происходит захват энергии возбуждения и преобразование ее в форму химической энергии. Эффективное экситонное сопряжение между пигментами обеспечивает высокую скорость переноса энергии. Так, средняя скорость переноса возбуждения между молекулами хлорофилла в антенне – 0,3-5,0 пс, от антенны к реакционному центру – 50-100 пс, время разделения заряда (время между поглощением фотона и разделением заряда в реакционном центре) около 300 пс. Следовательно, поток энергии в реакционный центр (П680) происходит намного быстрее, чем разделение заряда.

Понимание механизма переноса энергии возбуждения в антенных комплексах требует знания структуры комплекса, расстояния между пигментами, действительной ориентации молекул пигментов в антенне. Методом электронной кристаллографии показано, что в мономерах ССКII пигмент-пигментное расстояние равно 0,9-1,4 нм. Следовательно, экситонное сопряжение между молекулами хлорофилла может достигать значительной силы. Однако, исследования показали, что энергия экситонного взаимодействия между молекулами хлорофилла в ССК не превышает 100 см^-1. Это может быть обусловлено не очень строгой ориентацией молекул, дипольные моменты их Q_y-переходов не строго параллельны, что подтверждает эффект деполяризации флуоресценции в ССК.

В реакционных центрах энергия экситонного взаимодействия между молекулами хлорофилла в димере значительно выше. В димере реакционного центра II (П680) J = 142-300 см^-1, в димере ФСI (П700) J = 400 см^-1, а у пурпурных бактерий (П870) J = 600-1500 см^-1. Различия энергий экситонного взаимодействия в разных реакционных центрах обусловлены неодинаковой конфигурацией молекул хлорофилла в димерах реакционных центров ФСI, ФСII и у бактерий. У пурпурных бактерий плоскости макроциклов двух молекул бактериохлорофилла в димере строго параллельны и находятся на расстоянии 0,36 нм. В димере реакционного центра ФСI плоскости тетрапиррольных колец несколько раздвинуты. Геометрия специальной пары ФСII (П680) существенно отличается – плоскости макроциклов в реакционном центре расположены дальше и сдвинуты друг относительно друга, что в результате снижает энергию экситонного взаимодействия двух молекул хлорофилла до 300 см^-1 (рис. 3.26).

Энергетическое взаимодействие антенных комплексов ФСI и ФСII включает иной механизм, связанный с изменением «переходных состояний». ФСI и ФСII пространственно разделены в мембране хлоропластов, что определяется разной плотностью их поверхностного заряда. Согласно представлениям Андерсона (1980) ФСII локализована главным образом в районе спаренных мембран гран, в то время, как ФСI расположена в стромальных тилакоидах, в краевых частях гран и поверхностных мембранах гран. Это предполагает необходимость электронного и энергетического взаимодействия двух фотосистем. Предложено несколько моделей – теория пакетов, теория переливов (спилловер) и др.

Хортон (1983) и Беннет (1983) предложили принципиально новый механизм регуляции распределения световой энергии между двумя фотосистемами, основанный на обратимом фосфорилировании мембранных белков и образовании «переходных состояний» 1 и 2. При возбуждении ФСII светом высокой интенсивности отдельные субъединицы ССКII (Lhcb1, Lhcb2 и Lhcb3), образующие так называемую мобильную антенну, при фосфорилировании их ферментом протеинкиназой получают дополнительный отрицательный заряд и в силу электростатического отталкивания и, возможно, конформационных изменений белков и механизма «молекулярного узнавания» (Allen, 1999) отделяются от ФСII и мигрируют из района соприкасающихся мембран в зону мембран, экспонированных в строму и обогащенных ФСI (рис. 3.27). Это увеличивает сечение поглощения антенны ФСI и приток энергии в реакционный центр I, что приводит к переходу системы из состояния 1 в состояние 2. Регуляция активности протеинкиназы и фосфорилирование белков мобильного домена ССКII осуществляется сложной системой, включающей редокс-контроль через пластохиноны и цитохром b₆f-комплекс, а также определенное тиоловое редокс-состояние хлоропластов. Для перехода в состояние 2 существенное значение имеет определенная связь мобильной антенны с ФСI, которая осуществляется при участии Н-субъединицы ФСI. При окислении пластохинона происходит обратная реакция дефосфорилирования мобильной антенны ферментом протеинфосфатазой, возвращение ее в район спаренных мембран гран и увеличение миграции энергии к ФСII, что сопровождается переходом системы из состояния 2 в состояние 1.

Таким образом, перераспределение энергии возбуждения между двумя фотосистемами в состоянии 1 и 2 достигается путем изменения процессов связывания части ССКII с каждой из двух фотосистем, что зависит от редокс-состояния переносчиков ЭТЦ, определяющих активность протеинкиназы, и структурных изменений белков тилакоидной мембраны.

В результате определенной структурной организации пигментов в тилакоидной мембране и их экситонного взаимодействия происходит быстрое распределение энергии возбуждения в массе пигментов свет-собирающего комплекса и направленная миграция ее к пигменту реакционного центра с наиболее длинноволновым максимумом поглощения. Миграция энергии возбуждения в массе пигментов внешних и внутренних антенных комплексов ФСI и ФСII завершается процессом «захвата» энергии реакционными центрами, где происходит фотохимическая реакция разделения зарядов и преобразование энергии электронного возбуждения в химическую форму энергии.