3. Фотохимический этап фотосинтеза: поглощение света и энергетические состояния хлорофилла.

Основой всего фотохимического этапа фотосинтеза у всех фототрофов является квантовая механика: молекуле, в отличие от атома, им присущи электронные, колебательные и вращательные движения, а общая энергия молекулы равна сумме всех этих движений (рисуем схемку с S0, S1, S2 и т.д.). Основным показателем её при этом является энергия пары электронов на внешней орбите. При поглощении фотона молекулой пигмента происходит переход одного из электронов на внешнюю, более высокую орбиту — на возбуждённый электронный уровень, обладающий большей энергией. Это состояние строго определено электронными уровнями молекулы и в строгом случае происходит только при получении молекулой кванта света с определённой длиной волны. Колебательные и вращательные подуровни также вносят свой вклад в этот процесс: если энергия поглощённого кванта света соответствует одному из таких подуровней, то электрон тоже может туда попасть, но через короткий промежуток времени (10^-12 с) он отправится на нижележащий электронный уровень, а «лишняя» энергия диссипирует в тепло. Такое достаточно нестабильно(10^-9 c), однако здесь несколько способов дезактивации возбуждённых состояний:

• диссипация в тепло

• излучение фотона(флуоресценция)

• перенос энергии на другую молекулу

• использование энергии в фотохимической реакции

Обмен энергией между молекулами может происходить по механизму Фёрстера (индуктивно-резонансный), когда электронный переход оптически разрешён, при этом обмен энергии происходит по экситонному механизму (путём безызлучательного переноса), при этом разделения зарядов не происходит . Также, если переход оптически запрещён, возможен обменно-резонансный механизм миграции энергии Теренина-Декстера. Для осуществления его необходим тесный контакт молекул, а также перекрывание их внешних орбиталей.

Различные модификации основной химической структуры пигмента, а также изменение ближайшего окружения позволяют получить молекулы с разными спектрами поглощения, позволяя растениям поглощать максимум солнечного света: так переход из цис- в транс- положение остатка при сорбиновом кольце у хлорофилла а меняется поглощение — максимум смещается из 680 нм в 700 нм(?).

Возбужденное состояние, важное для хлорофилла, — это первое (соответствует поглощению кванта красного света), и второе синглетные состояния (поглощение кванта синего света), а также первое триплетное состояние, которое достигается только с S'-уровня, так как длительность его существования достаточно велика (около 15*10^-6 с). Возбужденное S2-состояние оказывается слишком короткоживущим (10^-12 с) для оборота спина.

Отдача поглощенной энергии возбужденного хлорофилла происходит различными способами. Только часть этих процессов можно использовать для производства химической работы. Это связано с переходом S' —> S0. В данном случае может произойти переход энергии (перенос экситонов) без излучения от одной молекулы хлорофилла к другой, если они находятся достаточно близко друг к другу (расстояние менее 10 нм) и если максимум поглощения второй молекулы пигмента ниже (более длинноволновая форма), чем способность отдавать энергию у первой возбужденной молекулы (более коротковолновая форма). Этот механизм особенно важен для направленного транспорта поглощенной энергии квантов света внутрь комплекса антенн и для перехода энергии на хлорофилл а реакционного центра. Спектр поглощения молекулы пигмента зависит от ее окружения (в случае хлорофиллов это белковое окружение), поэтому в комплексе антенн, содержащих хлорофилл с различными поглощающими свойствами, экситоны направляются к молекулам пигмента, которые могут поглощать свет более длинных волн, т. е. происходит перенос от молекул хлорофилла b на молекулы хлорофилла а, внутри этой группы — на формы хлорофилла а, поглощающие свет в более длинноволновой области. Конечным пунктом переноса экситонов является хлорофилл а реакционного центра, который окружен особыми белками. Его строение можно представить в виде димера (специальная пара — от англ. special pair, Хл а2), причем он обладает самой низкой энергией возбуждения во всем комплексе. Хлорофилл в реакционном центре чрезвычайно редко возбуждается под действием прямого поглощения фотона, чаще всего это происходит благодаря переносу экситона от расположенных рядом антенн.

В отличие от хлорофиллов антенн димер хлорофилла а реакционных центров передает свою энергию возбуждения не сразу; сначала в возбужденном состоянии он теряет электрон, образуя положительно заряженный радикал (Хл a2+). При получении электрона он снова переходит в основное состояние. При оптимальном освещении этот процесс идет примерно 100 — 200 раз в секунду.

Источники: презентация, лекции, Страсбургер (стр. 100-102)

4. Механизм миграции энергии на фотохимическом этапе. Отличия миграции энергии в антенных комплексах и реакционных центрах.

см. Ермолов стр.150-151 — больше инфы не нашёл.

5. Фотосистема 1. Строение и пространственная организация.

7. Структура и функционирование РЦ фотосистемы 1.

Для успешной работы фотосинтетического аппарата необходим постоянный приток электронов, обеспечиваемых у фототрофов за счёт разных фотосистем — систем для улавливания квантов света, впервые появившихся ещё у пурпурных бактерий: тогда она представляла собой замкнутый цикл, позволявшая за счёт градиента протонов, вырабатываемого с помощью Q-цикла в комплексе-b6c1, образовывать АТФ, однако такая система не позволяла получать восстанавливающие агенты — НАД или НАДФ. Эту задачу у них относительно успешно выполняла флавопротеиновая система, переносящая электрон против градиента с затратой всё того же АТФ в обмен на 1 молекулу НАДН. Более предусмотрительными в этом вопросе были зелёные бактерии: прежде циклический, перенос электронов стал осуществляться с H2S не обратно на бактериохлорофилл, а на НАД с образованием необходимого для жизни восстановителя — эта система и стала прообразом ФС 1. Сейчас, у всех высших растений фотосистема 1 является пластоцианин-ферредоксин-редуктазой, обеспечивающей вторичное «забрасывание» электрона с пластоцианина (Ео=+0,37В) на ферредоксин (Ео=-0.43В) с прохождением через цепь переносчиков внутри белкового комплекса. Фотохимическое разделение зарядов в электронном центре приводит к образованию сильного восстановителя, способного восстанавливать НАДФ.

Фотосистема 1 хлоропластов представляет собой комплекс из 13 белков, из которых 8 — интегральных, а 5 — периферических. В структуре комплекса выделяют центральную интегральную часть (ядро) и два периферийных домена — со стороны стромы и стороны люмена. К комплексу иногда примыкают белки светособирающего комплекса 1, которые не меняют своего положения в мембране и всё время закреплены на ФС 1. Белковое ядро представляет собой два белка А и В (83 кДа и 82.4 кДа соответственно), несущих в себе димер П700. C пластоцианина электрон переходит на него, где его повторно возбуждают светом и отправляют на первичный акцептор Ао в одном из комплексов (Ео=-1.1В). С него электрон переходит на филлохинон (А1) (Ео=-0.9В), откуда электрон идёт в субъединицу белкового комплекса С (8.9 кДа), находящихся на поверхности со стороны стромы. Данный белок содержит железосерные кластеры Fa и Fb (Ео=-0.59 В и -0.55В), выносящие электрон на ферредоксин с Ео=-0.43В и из комплекса ФС 1. Остальные белки несут дополнительные функции, обеспечивающие её работу: так, белки D и E обеспечивают связь комплекса с ферредоксином, а F – связь с пластоцианином.

Источники: Ермолов (стр. 173-176), презентации.

6. Фотосистема 2. Строение и пространственная организация.

8. Структура и функционирование РЦ фотосистемы 2.

Наличие фотосистемы 1 — это, конечно, хорошо, но есть одна важная проблема, которая и ограничила её применение зелёными и пурпурными бактериями: это необходимость подходящего восстановителя. В принципе, с этой функцией хорошо справляется Н2S – Ео у него -0.23В, что меньше Ео хлорофилла, чей Ео точно положителен. Вдобавок, продукты его окисления нетоксичны — серу можно либо вывести из организма, либо отложить в клетке в виде гранул. Однако шах и мат H2S ставит его чересчур малая распространённость. То ли дело вода — её завались. Другое дело — образующийся при этом кислород (смертельный яд) и, что более важно — Ео аж +0.82В! Тут уж фотосистема 1 ничем не поможет, нужна другая. Выход — ещё одну систему надстроить, с лучшим Ео!

Фотосистема 2 является Н2О-пластохиноноксидоредуктазой. В ходе первичных фотохимических реакций в реакционном центре образуется сильный окислитель П680 с уникально высоким Ео=+1.12В, который способен вызвать цепь окислительно-восстановительных реакций, приводящих в итоге к окислению воды (Ео=+0.82В) в примыкающем к нему марганец-содержащему водоокисляющем комплексе. Собственно, это обстоятельство и позволило создать на Земле кислород-содержащую атмосферу.

ФС 2 у высших растений и водорослей представляет собой комплекс из 20-25 полипептидов (данные по источникам различаются!), большая часть которого представлена интегральными белками: только 5 из них располагаются на поверхности мембраны со стороны люмена, формируя периферийный домен комплекса. Структурно и функционально можно выделить в ней ядро, ряд низкомолекулярных интегральных белков, примыкающих к ядру (функция до сих пор до конца не ясна). Также некоторые источники включают в состав ФС 2 водоокисляющий комплекс.

Ядро ФС 2 представлено двумя белками D1 и D2 — интегральные, массой 38 и 39 кДа соответственно, они имеют очень схожее строение по первичной структуре и положению в мембране друг с другом, а также похожи на ФС «пурпурок»: белки имеют по пять альфа-спиралей, на которых организован димер П680 хлорофилла а, молекула свободного хлорофилла (Z у D1, D у D2), феофитин и свой связанный пластохинон (Qb на D1,Qa на D2). Получив «пинок» от внутренних антенн и светособирающего комплекса 2, не связанного прочно с ФС 2, хлорофилл передаёт электрон на феофитин комплекса D1 (но не D2) c Ео=-0.6Вф, а тот, в свою очередь, на пул пластохинонов, являющихся «двухэлектронным затвором ФС 2. Помимо D1 и D2, в состав ядра входят белки СР47 и СР43, которые связывают около 30 молекул хлорофилла и образуют собой внутреннюю, фокусирующую антенну комплекса цитохром-b559, включающий в себя альфа- и бета-субъединицы, который обеспечивает циклический транспорт электронов в ФС 2 и наряду с белком I (4,8 кДа), необходимый для сборки всего комплекса.

Как уже было сказано, с фотосистемой 2 связаны полипептиды, обеспечивающие светособирание, образуя собой внешнюю антенну: три из них Lhcb 1-3 образуют собой ССК 2, другие представляют собой группу минорных белков CP 24, CР26, СР29, занимающих промежуточное положение. Всего ССК 2 связывает около 150 молекул хл-ла а, 100 молекул хл-ла б и 50 молекул каротиноидов, обеспечивающих светособирающую функцию и защиту ФС 2 от избытка солнечного света.

Источники: презентации, Ермолов (стр. )

9. Q-цикл фотосинтеза.

Q-цикл — одно из самых важных составляющих звеньев цепи переноса электрона в световой фазе фотосинтеза: используя суммарно всего одну (де-факто две) молекулу восстановленного пластохинона, помимо простого переноса электронов на пластоцианин и обеспечения тем самым связь между ФС, комплекс перекачивает сразу четыре протона в полость тилакоида, при этом захватывая ещё одну пару из стромы хлоропласта. Таким образом, комплекс-b6f, в котором протекает данный цикл, обеспечивает в два раза больший КПД в образовании протонного градиента (2 на 1 электрон против 1:1 без него) в хлоропласте, а следовательно, в два раза больший выход в образовании АТР.

Cам по себе Q-цикл cвязан со строением комплекса-b6f: попадая в сайт связывания восстановленного пластохинона, происходит разделение зарядов — два протона, более не связанных с гидрофобным переносчиком, выходят из мембраны в сторону полости тилакоида (причина — просто ближе). Пути же электронов расходятся: один из них отправляется на железосерный белок Риске 2Fe2S, чей Ео для своего семейства аномально высок из-за участия железа в нём в координационных связях с парой молекул гистидина и парой остатков аргинина: Ео=+0.3В. У хинонов Ео почти нулевой, так что электрон легко перескакивает с него сначала на железосерный кластер, а после — на пластоцианин (Ео=+0.32 В). Изучение кристаллической структуры комплекса показало, что позиция 2Fe-2S-центра может смещаться относительно других редокс-центров. Оказалось, что белок Риске имеет подвижный домен, на котором, собственно, и расположен 2Fe-2S центр. Принимая электрон и восстанавливаясь, 2Fe-2S центр меняет своё положение и отдаляясь от Qp-сайта и гема bp на 17 Å с поворотом на 60° и тем самым приближаясь к цитохрому f. Отдав электрон цитохрому, 2Fe-2S центр, наоборот, сближается с Qp-центром для установления более тесного контакта. Таким образом функционирует своеобразный челнок (шаттл), гарантирующий уход второго электрона на гемы bp и bn. Пока это единственный известный пример, когда электронный транспорт связан с подвижным доменом в структуре белка.

Со вторым электроном всё сложнее: ему нужно пойти по энергетически невыгодной части Q-цикла сначала на низкопотенциальный (Eo=-0.05В), а затем — на высокопотенциальный (Ео=-0.15В) гем цитохрома B6f. Однако ему помогает тот «избыток» ОВ-потенциала, который имелся у первого электрона. Таким образом, второй электрон проходит через цепь и попадает на связанную уже с другим сайтом молекулой убихинона, превращая его в семихинон — нестабильную в обычном виде молекулу, стабилизированную белками комплекса. Второй этап Q-цикла проходит точно так же: один электрон улепётывает на пластоцианин через белок Риске, а другой отправляется уже на семихинон. Связав при каждом присоединении электрона поочерёдно два протона из стромы, молекула становится уже восстановленным убихиноном, который можно использовать в том же Q-цикле. В итоге на одну образованную молекулу 02 приходится 8 Н+-ионов (4 — при фотоокислении воды, 4 иона водорода поставляются из стромы через PQH2). Если Q-цикл работает с максимальной эффективностью, то поступает еще 4Н+, так что на одну образованную молекулу 02 в полости тилакоида накапливается 8 — 12 Н+. Градиент концентрации ионов водорода, быстро возникающий при освещении, можно вычислить по значению рН: в строме освещенных хлоропластов он составляет около 8, а в полости тилакоидов — 4,5 — 5. Дельта рН около 3 — 3,5 единиц соответствует разности концентраций ионов водорода между стромой и полостью, равной примерно от 1:1000 до 1: 3 000. Поскольку для выравнивания зарядов одновременно с ионами водорода в тилакоиды транспортируются ионы хлора (предположительно по хлоридному каналу), разность потенциалов на мембранах тилакоидов невелика. Этого достаточно для синтеза максимум 3 (с полным осуществлением Q-цикла) молекул АТФ.

Источники: Ермолов (стр. 177-179, 243), презентации, лекции, Страсбургер(стр. 111-112).