3.5. Первичные процессы фотосинтеза. Реакционные центры

Понятие «первичные процессы фотосинтез» включает реакции 1-ой (фотофизической) и 2-ой (фотохимической) стадий фотосинтеза – процессы поглощения, миграции и преобразования энергии в реакционных центрах. Работы последних лет показали очень высокую эффективность первичных процессов фотосинтеза, что определяется спецификой их структурной организации.

3.5.1. Структурная и функциональная организация реакционных центров.

Общая организация первичных процессов, известная как фотосинтетическая единица (ФСЕ) – представляет взаимодействие двух пигмент-белковых комплексов – свет-собирающего (антенного) комплекса и реакционного центра. Идея ФСЕ была сформулирована в 1936 году, когда Гаффрон и Воль впервые опубликовали представления о ФСЕ. В последующие годы эта идея была развита в работах Дюйзенса (1952) – «уницентральная модель», и в работах Клейтона (1965) – «мультицентральная модель».

Представление о ФСЕ – одно из фундаментальных положений современного фотосинтеза, в основе которого лежат две идеи: 1) идея группового функционирования пигментов, сформулированная на основе работ Эмерсона и Арнольда (1943), установивших, что комплекс, содержащий 2400 молекул хлорофилла, участвует в выделении 1-ой молекулы О₂; 2) представление о функциональной гетерогенности пигментов. В опытах Любименко (1930) с определением ассимиляционного числа (СО₂/хл-л) показано, что не все молекулы хлорофилла фотохимически активны: 99% всех пигментов находятся в антенных комплексах и выполняют функцию сборщиков энергии, и только около 1% пигментов – в реакционных центрах непосредственно участвуют в процессах преобразования энергии. В результате формируется высокоэффективная система поглощения и преобразования световой энергии в первичных процессах фотосинтеза.

Вторым фактором, определяющим высокую квантовую эффективность первичных процессов фотосинтеза, является структурно-функциональная организация непосредственно самого реакционного центра

Первые представления о строении реакционных центров были предложены в 1969 году Клейтоном (для бактерий) и Верноном (для высших растений). Активное изучение структурной организации реакционных центров было проведено в период 1972-1977 г.г. В результате было выделено 4 основных типа реакционных центров, включающих в качестве пигментов реакционных центров П870 (у пурпурных бактерий), П840 (у зеленых бактерий), П700 (у высших растений), ФСI, П680(у высших растений), ФСII. Дальнейшие исследования показали сходство структурной организации и механизма работы всех 4-х типов реакционных центров, что позволяет говорить о высококонсервативной организации структур фотосинтетического аппарата, осуществляющих процесс преобразования электромагнитной энергии в химическую форму энергии. Необходима строго упорядоченная организация фотохимических реакционных центров, где структурно и функционально сопряжены первичные фотофизические процессы, протекающие со скоростью 10^-12-10^-9 сек., и более медленные энзиматические процессы со скоростью 10^-5-10^-2 сек.

Структурная модель бактериального реакционного центра включает цитохром С₂, 2 молекулы бактериохлорофилла, образующих димер с максимумом поглощения 870 нм («специальная пара»), 2 молекулы бактериохлорофилла 800 нм, 2 молекулы бактериофеофитина, 2 молекулы хинона в комплексе с Fе²⁺ и 2 молекулы β-каротина. Пространственная организация реакционного центра пурпурных бактерий представлена на рис. 3.28.

Компоненты бактериального реакционного центра организованы на трех субъединицах – L (light, 21 кДа), M (medial, 24 кДа), H (heavy, 28 кДа). Комплекс L-M – минимальная единица, способная к фотохимическим реакциям, очень гидрофобен, содержит мало полярных аминокислот. Субъединица Н более полярна и выполняет функции белкового экрана, препятствуя переносу электрона к внешнему акцептору.

В бактериальном реакционном центре две ветви – L и M. На оси симметрии находится П870 – димер, «специальная пара», который координируется с белками субъединиц L и М двумя молекулами гистидина. Рядом с димером П870 вдоль каждой ветви локализованы молекулы бактериохлорофилла 800 (В_L и В_М). Каждая ветвь включает бактериофеофитин (Фео_L и Фео_М) и хинон (Q_L^MQ и Q_M^UQ). Таким образом, отдельные компоненты реакционного центра образуют две ветви L и M, однако, фотохимически активна только L-ветвь. При возбуждении П870 электрон быстро (в течение 200 пксек) переносится на первичный хинон (Q_A) вдоль L-ветви, а затем на вторичный хинон (Q_B) M-ветви. В настоящее время считают, что причиной работы только L-ветви является структурная асимметрия реакционного центра. Так, хинон L-ветви (Q_A) представлен менахиноном (нафтохинон), в то время, как М-ветвь включает вторичный хинон Q_B - убихинон (бензохинон). Кроме того, аминокислотный состав L и М субъединиц различен, и в силу разного микроокружения мономеры бактериохлорофилла в димере П870 не эквивалентны. В одной молекуле бактериохлорофилла при участии карбонильной группы (С=О) в V кольце и ацетильной группы (СН₃-СО-) в I кольце образуются дополнительные водородные связи с ионизированными группами белка, что увеличивает ее редокс-потенциал на 50-120 мВ (и, следовательно, электрон-движущую силу) и обеспечивает движение электрона к бактериофеофитину по L-ветви (Williams, 1992).

На основании изучения кинетики переноса электронов высказано предположение об участии мономерного бактериохлорофилла П800 в движении электрона между П870 и Бфео_L .

Реакционный центр фотосистемы II. У высших растений наиболее близким к реакционному центру пурпурных бактерий по структурной организации и составу пигментов и коферментов является реакционный центр фотосистемы II.

Реакционные центры ФСII выделены в 1971 г. в работах Вернона. В изучении структурной организации реакционного центра ФСII решающую роль сыграли работы Витта (1969), в которых методом дифференциальной спектрофотометрии был выделен пигмент реакционного центра П680, и работы лаборатории А.А.Красновского (Климов, Шувалов, Красновский, 1977), в которых методом импульсной спектроскопии было установлено, что первичным акцептором реакционного центра II является феофитин.

Современная модель реакционного центра ФСII и последовательность составляющих его редокс-компонентов представлены на рис. 3.29. Реакционный центр ФСII включает 6 молекул хлорофилла а, из которых две образуют димер с максимумом поглощения 680 нм (П680), две молекулы хлорофилла (дополнительные) располагаются между П680 и феофитином, и две молекулы мономерного хлорофилла с максимумами поглощения 672 и 678 нм (Хл_Z и Хл_D - сопровождающие пигменты) связанны с внутренней антенной ФСII – СР43 и СР47, через которую энергия возбуждения поступает в реакционный центр. В состав первичных акцепторов входят две молекулы феофитина, из которых только одна непосредственно участвует в фотохимических реакциях. Реакционный центр ФСII включает два хинона – Q_А в комплексе с железом (Q_А*Fe²⁺) и Q_В, а также две молекулы β-каротина и цитохром b₅₅₉. Донором электронов для восстановления окисленного П680⁺ служит тирозин Z, сопряженный с (Mn)₄-комплексом фотоокисления воды.

Реакционный центр организован на двух мембранных белках D1 и D2, по аминокислотной последовательности подобных L и М субъединицам реакционного центра пурпурных бактерий. Детальное описание структуры ФСII см. в главе 6.

Главная функция реакционного центра ФСII – создание мощного окислительного потенциала. При возбуждении и фотоокислении П680 возникает П680⁺ с редокс-потенциалом +1,12 В, способный индуцировать уникальный процесс фотоокисления воды и мобилизацию электронов из молекул воды, связанных с марганец-содержащим комплексом. Освобожденные электроны поступают в ЭТЦ и таким образом за счет энергии, поглощенной ФСII и работы реакционного центра создается мощный восходящий поток электронов от воды к последующим компонентам ЭТЦ и в итоге – к НАДФ⁺ с образованием НАДФН (-0,32 В).

Структурная модель реакционного центра фотосистемы I. Реакционный центр ФСI по сравнению с реакционными центрами других типов построен наиболее сложно. Это обусловлено тем, что весь комплекс ФСI работает в области высоких энергий. При возбуждении пигмента реакционного центра П700 и дальнейшего разделения зарядов возникают соединения с высоким восстановительным и энергетическим потенциалом. Для того, чтобы сохранить и использовать этот потенциал для дальнейших процессов преобразования энергии в реакционном центре ФСI формируется очень сложный акцепторный комплекс, включающий 5 редокс-компонентов, благодаря которым перенос электронов с высоким энергетическим потенциалом от возбужденного П700^* к стабильному акцептору в цепи переносчиков осуществляется c запасанием достаточно высокого количества энергии.

Состав редокс-кофакторов акцепторной системы реакционного центра ФСI включает следующие компоненты:

+0,52в

hυ

-1,2 в

-1,1в

-

-0,9 в

-0,7в

-0,6в

-

-0,55в

П700

→

П700*

→ 1-3 ps

А0

→ 50 ps

А1(вит.К1)

→ 20-200 ns

Fх

→ 30-200 μs

FA

→

FB -

П700 – первичный электронный донор, в основном состоянии имеет редокс-потенциал +0,5 В, при возбуждении потенциал резко изменяется (-1,2 В), по химической структуре – димер хлорофилла а.

А₀ – первичный акцептор, мономер хлорофилла а, редокс-потенциал –1,1 В.

А₁ – вторичный акцептор, витамин К₁, филлохинон с потенциалом -0,9 В.

F_Х, F_В и F_А – терминальные акцепторы, три железо-серных белка с редокс-потенциалами соответственно -0,7, -0,6 и -0,55 В. Содержат 4Fe-4S-группы.

Эти редокс-центры образуют цепь, которая пересекает организованный в мембране комплекс ФСI от люменальной стороны к стромальной. Расстояние между двумя соседними редокс-центрами около 10 А^о, что обеспечивает эффективный перенос электронов.

Согласно новым данным реакционный центр ФСI подобно реакционному центру пурпурных бактерий содержит две симметричных ветви переноса электрона между П700 и F_Х – ветвь А и ветвь В, в соответствие с обозначением субъединиц А и В, составляющих ядро ФСI, на которых они расположены (рис. 3.30). В отличие от бактериального реакционного центра, где активна только L-ветвь, в реакционном центре ФСI обе ветви участвуют в переносе электрона от П700 к F_Х. Между П700 и А₀ в обеих ветвях обнаружены дополнительные мономерные молекулы хлорофилла а на расстоянии 16 А^о от П700, которые могут участвовать в переносе возбуждения от антенного комплекса к реакционному центру. Присутствие двух ветвей для начального разделения заряда должно удвоить скорость захвата энергии возбуждения и таким образом увеличить эффективность разделения зарядов в ФСI.

Редокс-кофакторы реакционного центра ФСI организованы на трех субъединицах - А, В, С. Детально пространственная организация ФСI дана в гл. 6.

Увеличение редокс-потенциала в цепи акцепторов обеспечивает быстрое снижение энергии, что предотвращает обратный возврат электрона к пигменту и бесполезную трату энергии электронного возбуждения пигмента П700^*. Благодаря этому энергия электронного возбуждения эффективно используется для разделения зарядов. Система с разделенными зарядами содержит определенное количество свободной энергии. На рис. 3.31 показано изменение свободной энергии при переносе электрона по акцепторному комплексу. Свободная энергия возбужденного П700^*равна 1,77эВ, свободная энергия первичной радикальной пары П700⁺А₀^- равна 1,52эВ, свободная энергия вторичной радикальной пары П700⁺(F_АF_В)^- равна 1,03 эВ, что составляет 60% от энергии поглощенного фотона (1,77 эВ). При переносе электрона по акцепторному комплексу энергия последовательных состояний снижается, но при этом время их жизни возрастает от 1 пикосекунды до 200 микросекунд, в результате чего происходит стабилизация энергии разделенных зарядов и запасание ее в конечных компонентах акцепторного комплекса.