3.5.3. Сравнительный анализ энергетической эффективности работы реакционных центров бактерий и высших растений.

Несмотря на то, что механизм преобразования энергии в реакционных центрах всех фотосинтезирующих организмов в принципе одинаков, энергетическая эффективность их работы существенно различается.

По структурной и биохимической организации реакционные центры ФСII и реакционные центры пурпурных бактерий очень близки. Аминокислотная последовательность D1 и D2 белков высших растений подобна тому, что известно для L и М субъединиц бактериального реакционного центра. Оба типа реакционных центров имеют сходный пигментный состав – (4 молекулы хлорофилла а (бакт. хлорофилла а) + 2-е молекулы феофитина (бакт. феофитина))и включают близкие по химической природе коферменты (Fе-Q) . Однако, не смотря на общее хорошее структурное сходство, между ними есть существенные функциональные различия:

П680 генерирует очень высокий окислительный потенциал. Редокс-по­тенциал П680 на 600-800 мВ более положителен (+1,12 В), чем у П870 (+0,4 В). Это может быть связано с существенными различиями в структуре хромофора и в молекулярном окружении. Окисленный П680+ является одним из наиболее сильных окислителей, генерируемых в биологических системах, и поэтому может осуществлять уникальный процесс фотоокисления Н₂О до молекулярного кислорода. ФСII содержит систему окисления воды, главными компонентами которой являются 4Мn-кластер и тирозин Z.

Димерная структура ФСII значительно отличается от бактериального реак­ционного центра (иная геометрия специальной пары, большее расстояние между моно­ме­рами хлорофилла а в димере). В результате энергия экситонного сопряжения в димере П680 значительно меньше (300 см^-1), чем у пурпурных бактерий (1300-1900 см^-1); в димере ФСI – 400 см^-1.

Уменьшение экситонного сопряжения в ФСII снижает красный сдвиг спе­циальной пары димера П680 относительно дополнительных хлорофиллов. Так, у пурпур­ных бактерий дополнительный бактериохлорофилл поглощает при 800 нм, а димер имеет максимум поглощения при 870 нм. Различия по энергии составляют 1000 см^-1 или 0,15 эВ. Для реакционного центра ФСII максимум поглощения димера – 680 нм, а дополнитель­ного пигмента – 670 нм, т.е. различия в энергии только 200 см^-1 или 0,03 эВ. В результате, перенос энергии в реакционный центр пурпурных бактерий осуществляется довольно легко («глубокая ловушка»), а в реакционном центре ФСII перенос и захват энергии затруднены («мелка ловушка») и разделение зарядов будет ограничено захватом энергии.Медленная скорость захвата энергии позволяет регулировать уровни возбужденных состояний в антенне ФСII, таким образом защищая реакционный центр от фотоингибирования.

Оба этих явления – снижение экситонного сопряжения и уменьшение различий в энергии дополнительных хлорофиллов и специальной пары (димера) отражают определенную стратегию эволюции оксигенных реакционных центров.

Вследствие всех этих различий реакционный центр ФСII является много более эффективной термодинамической машиной, чем реакционный центр пурпурных бактерий. В ФСII квант при 680 нм (1,84 эВ) используется для фотоиндуцированного разделения зарядов с образованием стабильной радикальной пары П680⁺-Q_A^-. Редокс-потенциал П680⁺ - +1,12 В, потенциал Q_А равен -0,13 В. Таким образом, из энергии поглощенного фотона (1,84 эВ) 1,25 эВ сохраняется в стабильной радикальной паре, что составляет 68 % эффективности. Аналогичные расчеты для реакционного центра ФСI составляют 58 % эффективности. У пурпурных бактерий фотоны с энергией 1,44 эВ (870 нм) продуцируют стабильную радикальную пару П870⁺-Q_A^-, которой соответствует энергия 0,5 эВ, т.е. эффективность процесса 35 %.

Таким образом, реакционный центр ФСII эволюционировал так, что его эффективность разделения зарядов в 2-а раза выше по сравнению с реакционным центром пурпурных бактерий. Следовательно, эволюция стратегии слабого сопряжения представляет значительное преимущество в эффективности фотохимического преобразования энергии в реакционных центрах у оксигенных систем.