8

L 10

Із великої кількості різноманітних пігментів тільки 2 структури – хлорофіл а та бактеріохлорофіл а – здатні здійснювати перетворення енергії. Всі інші пігменти приймають участь у процесах поглинання і міграції енергії.

Аналіз хімічної будови молекули хлорофілу а показує, що дана структура дуже добре пристосована до виконання трьох основних функцій у фотосинтезі:

• поглинання

• запасання

• перетворення енергії.

Функції магній-порфіринів зформувалися у процесі еволюції в тісному зв’язку із еволюцією фоторецепторних структур. В основі Mg-порфіринів лежить тетрапірольна структура порфіну. Яка включає 4 пірольних кільця, сполучених метиновими мостиками. Пірольне кільце, що складається із 4 атомів вуглецю і атому азоту, є хромофором, що здатне поглинати енергію іннфорчервоної ділянки спектру. Замикання пірольних кілець у тетрапірольну структуру порфіну, хімічно більш стійку, мало вирішальне значення в еволюції хлорофілів як первинних фоторецепторів. Утворені порфірини являють собою складну систему із загальною пі-електронною хмаринкою, що об’єднує 4 пірольних кільця в єдиний цикл.

Структурні зміни хлорофілу в процесі еволюції, насамперед, включення гідрофобних радикалів (-СН3, фітолу) і обумовлена цим зміна властивостей полярності забезпечило можливість включення пігментів у мембранні білки хлоропластів з утворенням різного типу пігмент-білкових комплексів.

До складу ламел хлоропластів входять багатокомпонентні білкові комплекси:

• світлозбираючий комплекс,

• фотосистеми І і II,

• цитохромний комплекс, який включає цитохроми в – 6, f

• АТР-ний комплекс, який бере участь в синтезі ATP.

Вперше ідею про те, що більша частина хлорофілу у живому листку зв’язана із білком, висловив у 1921 році В.Н.Любименко на основі значного зсуву червоного максимуму поглинання у живому листку у порівнянні із розчином (660→680 нм)

Організація пігментів фотосинетичного апарату у вигляді світлозбираючих (антенних) комплексів, функціонально спряжених із реакційним центром, забезпечує колективне і ефективне поглинання енергії фотонів і передачу її в реакційні центри, де енергія електронного збудження використовується для фотохімічних реакцій.

Вперше ідею про існування в хлоропластах двох фотосистем запропонував Р.Емерсон (1957), який вивчав вплив світла на квантовий вихід фотосинтезу у хлорели. Квантовим виходом фотосинтезу називається кількість виділеного O₂, або зв’язаного СО₂ на один квант поглинутої енергії.

Було досліджено, що квантовий вихід великий при освітленні хлорели червоними променями довжиною хвилі 660 - 680 нм. Використання червоного світла з більшою довжиною хвилі приводило до зниження квантового виходу, а при 700 нм фотосинтез майже припиняється, хоч ця частина спектра ще поглинається хлорофілом.

Однак якщо хлорелу одночасно освічували короткохвильовим (650 нм) і довгохвильовим (700 нм) червоним світлом, то сумарний ефект буде більший, ніж при дії кожного червоного світла окремо. Це явище одержало назву ефекту підсилення Емерсона. Звідси виникло уявлення, що в хлоропластах взаємодіють дві пігментні системи.

Уявлення Емерсона про дві пігментні системи підтвердились в дальших працях, в яких із мембран хлоропластів за допомогою детергентів, диференціального центрифугування в градієнті густини (cахарози і інших методів вдалося виділити білкові комплекси фотосистеми І і фотосистеми II.

Дискретна одиниця організації в тилакоїдах хлоропластів пігментів разом з

іншими молекулами, які беруть участь у світлових реакціях, одержала назву

фотосистеми (ФС).

Фотосистема І включає центральний комплекс І (ядро комплекса), що містить димер хлорофіла а (П₇₀₀) (хлорофіл а з максимумом поглинання світла довжиною хвилі 700 нм), 2 молекули β-каротину і біля 100 молекул хлорофілу а, розміщених навколо електрон-транспортного ланцюга реакційного центру (внутрішня антена). Зовнішній світлозбираючий комплекс ССКІ (LHC I) містить 80-120 молекул хлорофілів а і b, каротиноїди і складається із 4 субодиниць: Lhca 1, Lhca 2, Lhca 3, Lhca 4 – з молекулярними масами 17-24 кДа.

Первинним акцептором електронів в цій системі є мономерна форма хлорофілу а- 695 (A1), вторинними акцепторами А2 і Ab (.

Комплекс ФС-І під дією світла відновлює водорозчинний FеS- білок фередоксин (Фд) і окислює розчинний білок пластоціанін (Пц).

Фотосистема ІІ включає центральний комплекс ІІ (ядро комплекса), що містить димер хлорофілу а П₆₈₀ і хлорофіл а-вмісні білки СР43 і СР 47 (внутрішні антени). ФС ІІ має також великий зовнішній антенний комплекс ССКІІ (LHC II), що містить хлорофіли а і b і каротиноїди, а також ряд «мінорних» ССК: СР24, СР26 і СР29 – розміщених між ССКІІ і реакційним центром і виконують важливу роль в регуляції перенесення енергії в реакційний центр.

Первинним акцептором електронів в цій фотосистемі виступає феофетин а (Фф), який передає електрони на первинний пластохінон, асоційований з FeS (QA) і далі на вторинний пластохінон (Qb). До складу ФС II входять також білковий комплекс S-системи, що окислює воду, і перенощик електронів Z, зв’язаний з системою S, який служить донором електронів (е) для П₆₈₀. Цей комплекс функціонує з участю марганцю, хлору і кальцію. В ФС II локалізований цитохром b₅₅₉.

ФС II відновлює пластохінон (PQ) і окислює воду з виділенням O₂ і протонів.

Зв’язуючою ланкою між ФС II і ФС І служать фонд пластохіонів, білковий цитохромний комплекс b₆ – f i пластоціанін.

В ході еволюції ФС І виникла раніше від ФС II. Вона функціонує у сучасних фотосинтетичних бактеріях, фотосинтез яких здійснюється без розкладання води і виділення O₂. В цьому випадку донорами електронів для світлової фази фотосинтезу служать сполуки, які легко окислюються – H₂S, H₂, CH₄.

Що таке реакційні центри фотосинтезу?

За сучасною уявою (Мережко, Величко, 1990; Полевой,1989, Эдварде Уокер, 1986) реакційні центри фотосинтезу - це білки, які комплектовані з довгохвильовими формами хлорофілів. Одна молекула П-680 або П-700 згрупована разом з білками та з 200 – 400 молекулами інших хлорофілів створюють комплекси, здатні до первинного фотохімічного розподілу зарядів. Такі комплекси фотоактивних молекул одержали назву реакційних центрів.

Первинне розділення зарядів в реакційних центрах проходить між молекулами хлорофілової природи і пов’язане з транспортом електронів. Функцію первинного донора електронів виконує молекул хлорофілу, яка знаходиться в синглетному збудженому стані.

В реакційному центрі ФС II, який перешнуровує мембрану, первинним донором електронів є П - 680, а первинним акцептором - феофітин.

В реакційному центрі ФС І первинний донор електронів -П-700, а акцептор - мономерна форма хлорофілу а - 695 (A1).

Послідовність перетворень в реакційному центрі ФС-ІІ визначається тривалістю того, або іншого енергетичного стану молекул і здійснюється за певним порядком (Полевой,1989).

Молекула –донор хлорофілу П - 680 знаходиться в збудженому стані 10-10 – 10-9с. Первинним акцептором, який одержує електрон, а значить і енергію є феофетин. Електрон від П-680 до феофетину проскакує за 10-12 с Час зворотних рекомбінацій від феофетину до П-680 (ФФП – 680+) на багато більший (приблизно 10-6 c). Це ж стосується і першої фотосистеми (ФС - І) при перенесені електрона від П - 700 як донора на акцептор - хлорофіл 695 (A1). При дальшому перенесенні електронів витримується та ж закономірність. Тому увесь хід реакцій направлений вправо згаданої вище -Z-схеми.

Отже, в реакційних центрах енергія збудженого хлорофілу перетворюється в енергію відокремлених зарядів тобто перетворюється в хімічну енергію

Антенні комплекси і міграція енергії в пігментних системах.

Емерсон і Арнольд показали, що в хлоропластах рослин на кожну фотосистему

припадає від 200 до 400 молекул хлорофілу, функції яких пов’язані з поглинанням світла і передачею енергії збудженого стану на реакційні центри. Молекули хлорофілу "а" і додаткові пігменти - хлорофіл "в", каротиноїди, фікобіліни - входять до складу, так званих, антенних комплексів, або світлозбираючих комплексів (СЗK).

Із ламел хлоропластів виділено світлозбираючий білковий комплекс з хлорофілами а і b, (СЗК a-b), який тісно пов’язаний з ФС ІІ, і антенні комплекси, що безпосередньо входять до фотосистем І і II. Ix ще називають фокусуючими антенними компонентами фотосистем.

Дo складу СЗКа-b входить хлорофіл а двох чи трьох форм з максимумами поглинання світла між 660 і 675 нм та хлорофіл b з максимумом поглинання 650 нм і каротиноїди. В кожному СЗК а-b знаходиться від 120 до 240 молекул хлорофілів. Причому, відношення хлорофілу а до хлорофілу b становить 1,2 - 1,4. Половина білка тилакоїдів і близько 60 % загальної кількості хлорофілів хлоропласта локалізовано в СЗК.

В синьозелених і червоних водоростей хлорофілу "b" немає. Роль СЗК виконують фікобілісоми, до складу яких входять фікобіліни.

Антенний білковий комплекс ФС II містить 40 молекул хлорофілу а з максимумами поглинання світла 670 - 683 нм на один П-680 і β - каротин. Антенний білковий комплекс ФСІ складається з хромопротеїнів, які містять 110 молекул хлорофілу а з максимумами поглинання світла 680 - 695 нм на один П₇₀₀, із яких 60 молекул - компоненти антенного комплексу самої фотосистеми, а 50 входять до складу комплексу, який можна розглядати як СЗК ФС І. В складі антенного комплексу ФС І також є β-каротин.

Хромопротеїни антенних комплексів не володіють фотохімічною активністю. Нею володіють лише реакційні центри (П-680, ПІ-700). Якщо б кожна молекула хлорофілу перетворювана поглинуту нею енергію кванта світла в фотохімічну реакцію, то така система була б нерентабельною. Тривалість синглетного збудженого стану хлорофілу становить 10^-11-10^-9с. Доведено, що навіть на прямому сонячному світлі один квант світла поглинається молекулою хлорофілу не частіше одного разу за 0,1 сек. Отже більшу частину часу молекула хлорофілу “простоює”. Тому роль пігментів антенних комплексів полягає в тому, щоб збирати і передавати енергію квантів на невелику кількість молекул реакційних центрів П-₆₈₀, П-₇₀₀, які і здійснюють фотохімічні реакції.

Міграція енергії по пігментах антенних комплексів проходить за принципом індуктивного резонансу. Природа індуктивного резонансу полягає в тому, що кожна молекула хлорофілу, поглинувши квант світла і перейшовши в синглентний збуджений стан, стає молекулярним осцилятором. Змінне електричне поле з певною частотою коливань виникає навколо збудженої молекули, індукує осциляцію диполя (електрон - ядро) сусідньої молекули. При цьому молекула - донор переходить в основний стан, а молекула - акцептор - в збуджений. Механічною моделлю такої резонансної передачі енергії може бути система із двох маятників, з’єднаних слабкою пружиною. Рухомість першого затухає викликавши рух другого.

Умовою для резонансного перенесення енергії електронного збудження є малі віддалі між молекулами, які не перевищують 10 нм і перекривання частот коливань взаємодіючих молекул. Міграція енергії здійснюється від короткохвильових пігментів в напрямку довгохвильових, тобто до пігментів з більш низьким рівнем синглетного збудженого стану.

В антенних комплексах перенесення енергії здійснюється в такому порядку: каротин (400 - 550 нм) →хлорофіл b (650 нм) → хлорофіл а (660 - 675 нм) →П₆₈₀ (ФСІІ). Швидкість резонансного переносу енергії від молекули до молекули становить 10^-10-10^-9с, причому ефективність переносу між молекулами хлорофілу досягає 100, а між молекулами каротину і хлорофілу - лише 40 %.

В синьозелених і червоних водоростей передача енергії здійснюється в такій послідовності: фікоеретрин (570 нм) - фікоціанін (630 нм) аллофікоціанін (650 - 670 нм) хлорофіл а (670 - 680 нм).

Отже, міграція енергії відбувається як між молекулами одного виду (гомогенне перенесення), так і між різними молекулами (гетерогенне перенесення).

Існує кілька способів міграції енергії.

1. Квант енергії, що випромінюється однією молекулою пігменту поглинається

іншою. Цей спосіб міграції можливий у тому випадку, якщо смуга флуоресценції першого пігменту співпадає зі смугою поглинання другого.

2. Енергія передається через ланцюг окисно-відновних, тобто хімічних реакцій.

3. Резонансний перенос енергії, коли молекули пігментів знаходяться близько і

частоти коливань зарядів у них також близькі У такому випадку енергія передається, як від однієї індукційної котушки до іншої. Для 50 процентного резонансного переносу енергії необхідна відстань між молекулами пігментів у 5 нм. Насправді вона набагато менша, чим і забезпечується активний перенос енергії. Це головний спосіб переносу енергії.