2.6. Миграция энергии возбуждения фотосинтетическими пигментами

Пигменты в хлоропластах образуют у высших растений две системы. Каждая пигментная система составляет фотосинтетическую единицу, которая входит в фотосистемы I и II. Каждая из этих единиц состоит из набора молекул вспомогательных пигментов, передающих энергию на одну молекулу основного пигмента (Р₇₀₀ и Р₆₈₀). Последние молекулы входят в состав реакционных центров. В реакционных центрах энергия используется для осуществления химической реакции, которая является центральным звеном фотосинтеза.

Пигменты, входящие в состав систем, делят на пигменты-ловушки и пигменты-сборщики. Пигмент-ловушка может преобразовывать энергию. Пигмент-сборщик квантов света передает поглощенную энергию пигменту-ловушке. В пигментных системах ловушками являются Р₇₀₀ и Р₆₈₀. Остальные пигменты – сборщики. В результате фотосинтез может происходить и при освещении светом, поглощенным не хлорофиллом а, а, например, каротиноидами.

Итак, первой стадией фотосинтеза является поглощение света, затем идет перенос энергии возбуждения и дальше фотохимические стадии в виде химических реакций (рис. 2.8).

Рис. 2.8 Схематическая иллюстрация группы пигментов, действующих совместно в качестве фотосинтетической единицы, которая собирает кванты света и передает возбуждение на специальный хлорофилл (Хл-ловушка)

Поскольку фотохимические реакции происходят только на участке Хл-ловушки (Р₇₀₀ и Р₆₈₀) энергия возбуждения, возникающая в результате поглощения света вспомогательными пигментами или обычным Хл а, должна мигрировать к реакционному центру (Хл-ловушка) до того, как она будет использована для фотосинтеза. Молекулы Р₇₀₀ и Р₆₈₀ немногочисленны в сравнении с другими фотосинтетическими пигментами, поэтому они поглощают небольшую часть падающего света. Действительно, в зеленых растениях в обычных условиях больше 90 % всех поглощенных фотонов приходится на вспомогательные пигменты и хлорофилл а.

Перенос или миграция энергии возбуждения происходит в направлении от вспомогательных пигментов к хлорофиллу а, а затем к специальному хлорофиллу (Р₇₀₀ и Р₆₈₀), где происходят фотохимические реакции. Следовательно, общим результатом стадии является сбор энергии возбуждения, вызванной светом, и передача ее на реакционный центр.

Наиболее общепризнанным механизмом передачи электронного возбуждения между молекулами пигментов является так называемый резонансный перенос. Для того чтобы произошел этот перенос энергии, возбужденная молекула должна индуцировать возбужденное состояние в другой молекуле, находящейся в непосредственной близости от нее.

Перенос электронного возбуждения происходит тогда, когда индуцируется колебание электрона в другой молекуле. Когда перенос возбуждения завершен, колебания электрона в первой молекуле прекращаются и возникают колебания электрона в другой молекуле, которая в свою очередь переходит в возбужденное состояние. Таким образом, резонансный перенос возбужденного состояния от одной молекулы к другой подобен механизму первичного поглощения света в том отношении, что колебания некоторого электрона в молекуле индуцируется локально изменяющимся электрическим полем.

Надо же отметить, что для резонансного переноса электронного возбуждения необходимо, чтобы энергия, которую может передать возбужденная молекула, соответствовала энергии, которую может принять другая молекула.

Вероятность резонансного переноса электронного возбуждения изменяется обратно пропорционально шестой степени расстояния между молекулами (расстояние увеличилось в 2 раза, перенос ослабило в 64 раза). Резонансный перенос энергии между молекулами хлорофилла возможен только в том случае, когда молекулы расположены относительно близко одна от другой и в определенной последовательности при расстоянии между ними порядка 5–10 нм. Расстояние (~ 2,8 нм) между центрами молекул хлорофилла в тилакоидных мембранах хлоропластов обеспечивает резонансный перенос энергии возбуждения. Как спектральные свойства хлорофилла, так и расстояние между его молекулами в мембране содействуют эффективной миграции энергии возбуждения от молекулы к молекуле по механизму резонансного переноса.

Например, у сине-зеленых и красных водорослей перенос энергии происходит следующим образом: фикоэритрин (570 нм) → фикоцианин (630 нм) алофикоцианин (650 и 670 нм) → хлорофилл а (670–680 нм). Следовательно, пигменты должны располагаться в мембранах. Действительно, они и находятся в тилакоидных мембранах хлоропластов.

Таким образом, световая энергия, поглощенная большим количеством молекул пигментов, может использоваться одной химически активной системой, которая включает молекулу (или группу молекул) пигмента и связанные с ней доноры и акцепторы электронов. Это уницентральная (автономная) модель фотосинтетической единицы, где поглощаемая комплексом пигментов энергия может быть направлена только в свой реакционный центр.

Но существует модель мультицентральной (статической) фотосинтетической единицы. В этом случае комплекс светособирающих молекул пигментов содержит несколько реакционных центров и энергия, поглощенная пигментами комплекса, может мигрировать к любому реакционному центру.

Пигмент Р₇₀₀ поглощает более длинноволновой свет, чем остальные хлорофиллы а, поэтому возбужденное синглетное состояние Р₇₀₀ характеризуется более низкой энергией. Следовательно, энергетически допустимо, чтобы Хл а₆₈₀ вызывал резонансное возбуждение Р₇₀₀, тогда как Р₇₀₀ не способен переносить возникшее в нем возбуждение на Хл а₆₈₀. Поэтому возбужденные синглетные состояния других молекул Хл а могут передавать свою энергию возбуждения на Р₇₀₀, но не наоборот (подобно необратимости миграции энергии возбуждения с вспомогательных пигментов на Хл а). Таким образом, возбуждение, возникшее в результате поглощения света разными фотосинтетическими пигментами, стекается к Р₇₀₀.

Передача энергии происходит путем резонансного переноса от пигментов, поглощающих свет меньшей длины волны (коротковолновых), к пигментам, поглощающих свет большей длины волны (длинноволновых): от каротиноидов к хлорофиллам, от хлорофилла b к хлорофиллу а: каротин (440–550 нм) → хлорофилл b (650 нм) → хлорофилл а (660–675 нм) → Р₆₈₀ (II система).

Возбуждение (перенос энергии) может также мигрировать по механизму резонансного переноса и от вспомогательных пигментов к хлорофиллу а. Эффективность переноса энергии между молекулами хлорофилла а может достигать 100 %, тогда как эффективность переноса энергии возбуждения от других молекул пигмента значительно варьирует. В частности перенос возбуждения от некоторых каротиноидов (например α- и β-каротин, лютеин) на хлорофилл менее эффективен: только около 40 % энергии возбуждения может переносить на хлорофилл а. В то же время, фикобилины передают до 90 % энергии, а эффективность переноса каротиноидом фикоцианином, который встречается в бурых диатомовых водорослях, на хлорофилл а приближается к 100 %.