Курсовая работа: Биофизика Фотосинтеза

Ранее, когда не была установлена определенная пространственная организация пигментных молекул, предполагалось их неупорядоченное расположение в фотосинтетической мембране, и использовался неплохой термин «светособирающая антенна». Но в последние десятилетия, когда стало известно, что молекулы пигментов связаны с белками, организующими их расположение, стали употреблять термин «светособирающие пигмент-белковые комплексы» (ССПБК или просто ССК). В международной литературе для их обозначения используется аббревиатура LHC (Light Harvesting Complexes).

Обычно ССПБК окружают функциональное ядро - центральный кор-комплекс, в котором находятся реакционные центры ФС I или ФС II. На периферии ФС I и ФС II располагаются тримеры из белков Lhcb1/Lhcb2, а центральную, коровую часть окружают мономерные антенные белки. В ФСI - это белки Lhca1, Lhca2, Lhca3 и Lhca4, а в ФС II - белки Lhcb3, Lhcb4, Lhcb5 и Lhcb6 (или CP 25, CP29, CP26 и CP24) (Рис.3.8).

Каждый мономер триммеров Lhc в фотосистеме ФС II - это белок из трех б-спиралей длиной 4,3; 5,1 и 3,2 нм. Эти белки связывают по 7 молекул хлорофилла а, 5 молекул хлорофилла b и 2 молекулы лютеина. Порфириновые кольца хлорофиллов расположены в два слоя перпендикулярно к плоскости тилакоидной мембраны вблизи от ее наружной и внутренней плоскости.

Рис.5. Пространственная структура одного из мономеров, входящего в состав тримерного комплекса Lhc. Его три б-спирали заключают 7 молекул хлорофилла а (в центре, более светлые), 5 - хлорофилла b (на периферии, более темные) и 2 - лютеина (черные) (по Nelson, Cox, 2005).

Обнаружены различные пути миграции энергии электронного возбуждения:

· каротиноиды ® фикобилины ® хлорофилл a,

· хлорофилл b ® хлорофиллa,

· хлорофилл a ® хлорофилл a (миграция между нативными формами хлорофилла, например: P₆₇₀ ® P₆₈₀ ® P₆₉₀ ® P₇₀₀).

Таблица 2. Квантовые выходы миграции энергии:

5. Механизмы миграции энергии

Миграцию энергии обнаруживают оптическими методами по появлению в спектре действия акцептора энергии полосы поглощения света донором энергии или по тушению флуоресценции донора в присутствии акцептора энергии.

Важнейший механизм миграции энергии электронного возбуждения в фотосинтетической мембране - индуктивно-резонансный механизм Фёрстера. Он осуществляется с участием синглетных возбужденных уровней (S₁) при соблюдении обязательных правил:

1) донор должен флуоресцировать;

2) акцептор должен иметь полосу поглощения, соответствующую полосе излучения донора;

3) расстояние между ними не должно превышать 4-6 нм.

Перенос энергии происходит за счет того, что во время существования возбужденного состояния донора (10^-8-10^-9 с) осциллирующий возбужденный электрон генерирует переменное электромагнитное поле. Если его частота совпадает с одной из резонансных частот возбужденной молекулы акцептора, то происходит безизлучательный резонансный перенос энергии: в акцепторе возбуждаются осцилляции электрона, а молекула донора безизлучательно возвращается в исходное состояние. Типичные расстояния индуктивно-резонансного переноса энергии - 2-5 нм, а характерное время - 10^-11 -10^-6 сек. Таким способом может осуществляться миграция энергии между разными пигмент-белковыми комплексами.

В пределах одного локального светособирающего комплекса, примыкающего с ФСI или ФСII, где молекулы пигментов плотно упакованы в квазикристаллическую структуру, их электронные уровни могут обобществляться в зоны. В этом случае возможен экситонный механизм миграции энергии, при котором поглощение кванта света приводит к появлению экситона - коллективного возбуждения, делокализованного по всей системе молекул. Возбуждение молекулы донора распространяется по верхним колебательным уровням на всю систему акцепторов за время 10^-13 -10^-14 сек, меньшее, чем время релаксации колебательных состояний. Это самый быстрый способ миграции энергии. В конце этого промежутка времени энергия экситона может привести к возбуждению какой-то конкретной молекулы акцептора, удаленной от донора на расстояние до 1-1,5 нм.

Конкретные механизмы переноса энергии в ССПБК зависят от их строения и плотности упаковки пигментов. Перенос энергии возбуждения между соседними молекулами пигментов происходит за 0,2-5 пс, а между различными пигмент-белковым комплексами, удаленными на большее расстояние он осуществляется медленнее. Так, методами лазерной спектроскопии выявлены характерные времена переноса энергии порядка 0,15-0,3 пс, 2-6 пс и 14-36 пс. Они могут соответствовать миграции энергии между соседними молекулами хлорофилла на расстояние около 1 нм, между отдельными пигментными кластерами и между мономерами в тримере. В первых двух случаях возможен экситонный механизм миграции энергии, а в третьем более вероятен индуктивно-резонансный перенос. Время между поглощением фотона антенным пигментов и захватом энергии реакционным центром фотосистемы I оценивается как 50-100 пс, а фотосистемы II - порядка 300 пс (Рубин, 2000).

Для того, чтобы избежать перекрестной миграции экситонного возбуждения между пигментами светособирающих антенн, тесно связанных с фотосистемами I и II, в фотосинтетических мембранах эти фотосистемы пространственно разнесены. Обычно фотосистема II со своей светособирающей антенной ССК II располагается в мембранах тилакоидов, образующих граны. При этом некоторые белки-компоненты ФС II являются адгезивными, скрепляющими вместе мембраны тилакоидов, образуя таким образом граны. Фотосистема I и ее светособирающая антенна локализуются преимущественно вне гран, в мембранах ламелл. Комплекс цитохромов b₆f присутствует во всех мембранах.

Итак, в светособирающей антенне энергия, поглощаемая коротковолновыми формами пигментов мигрирует к более длинноволновым. По пути некоторая часть энергии диссипирует, но основная часть в конце "стекает" на пигменты Р₆₈₀ или Р₇₀₀ реакционных центров, где за ее счет происходят разделение зарядов и дальнейшие фотохимические процессы. В результате использования энергии фотонов с различной длиной волны, спектр действия фотосинтеза, т.е. зависимость квантового выхода Ц(л) = [O₂]/n от длины волны, где [O₂] - число молекул кислорода, выделяющихся в единицу времени, а n - число квантов, поглощенных в единицу времени, оказывается весьма широким и включает кроме полос поглощения света хлорофиллом, а также полосы поглощения остальных пигментов-светосборщиков. При длине волны более 700 нм спектр действия круто обрывается (Рис.3.12). Это можно объяснить тем, что в реакционном центре P₇₀₀ происходят фотохимические реакции, и энергия дальше не передается, т.е. длинноволновый край спектра действия соответствует краю спектра поглощения P₇₀₀.- последнего пигмента в цепочке. Но полоса поглощения хлорофилла, а простирается до 750 нм, и спектр действия, в принципе, не должен обрываться так круто. Предполагается, что возбуждения одного только хлорофилла P₇₀₀ недостаточно для эффективного фотосинтеза, а определенный вклад должны вносить и другие пигменты. «Провал» в спектре действия в области 450-500 нм, соответствующей поглощению света каротиноидами, свидетельствует о сравнительно небольшой эффективности передачи энергии от них на хлорофилл а. И действительно, она оценивается на уровне 20-50%.

6. Хлорофилл - «электронный насос»

Как уже отмечалось, сущность энергетических преобразований в фотосинтезе состоит в том, что сначала энергия светового кванта преобразуется в энергию электронного возбуждения хлорофилла, затем за счет этой энергии происходит разделение зарядов в реакционном центре и энергия преобразуется в электрическую форму - энергию разделенных зарядов. Высокоэнергетический электрон, отщепившийся от хлорофилла, переносится по цепи электронного транспорта на NADPH. При этом его энергия постепенно понижается и трансформируется в энергию электрохимического градиента ионов Н⁺ и химическую энергию NADPH, а затем преобразуется в химическую энергию, запасенную в молекулах ATP и глюкозы.

В этой цепи превращений возбужденная молекула хлорофилла а служит "электронным насосом" в системе "донор электронов ® хлорофилл а ® акцептор электронов", перенося электрон с низкого энергетического уровня у донора на высокий уровень акцептора за счет энергии фотонов:

Первичным донором низкоэнергетических электронов при фотосинтезе является вода, переносящая его на хлорофилл а с помощью водорасщепляющей системы, а акцептором высокоэнергетических электронов - NADPH.

Особенностью этих процессов является то, что время жизни синглетного возбужденного состояния молекулы хлорофилла порядка 5 нс. Затем поглощенная энергия может растратиться на высвечивание кванта флуоресценции или превратиться в тепло. Для того, чтобы этого не произошло и можно было ее эффективно использовать, в фотосинтетических системах возбужденный электрон очень быстро удаляется от хлорофилла а с помощью цепи электронного транспорта на другие акцепторы и по пути часть его энергии используется для синтеза глюкозы и других органических веществ, а другая часть - для синтеза ATP. При этом сам хлорофилл а ионизируется, приобретает положительный заряд, или, как говорят, на нем образуется положительно заряженная «дырка».

7. Z-схема фотосинтеза

У высших растений в фотосинтезе участвуют две фотосистемы I и II со своими реакционными центрами, в которые входят одна молекула Р₇₀₀ или две молекулы Р₆₈₀, соответственно, и соответствующие цепи электронного транспорта (Рис.3.1 и 3.14). Реакционные центры фотосинтеза представляют собой большие пигмент-белковые комплексы, встроенные в фотосинтетические мембраны, с особой упаковкой пигментов и переносчиков электронов.

8. Фотосистема I

Фотосистема I переносит электроны на небольшой гидрофильный белок ферредоксин, содержащий (Fe-S)-центр. Это подвижный переносчик, способный мигрировать по поверхности мембраны, наподобие цитохрома с, и переносить электроны:

а) на NADP⁺-оксидоредуктазу - встроенный в мембрану белковый комплекс, восстанавливающий NADP:

NADP⁺ + 2e^- + H⁺ ® NADPH.

Полученный NADPH используется в цикле Кальвина для синтеза глюкозы.

б) на пластохиноны, а затем через комплекс цитохромов b₆f - назад на Р₇₀₀. При этом комплекс цитохромов b₆f создает градиент протонов, использующийся Н⁺-ATP-синтазой, встроенной в ту же мембрану, для синтеза ATP. Это циклическое фотофосфорилирование осуществляется потому, что для фиксации углерода и синтеза глюкозы необходимо намного больше молекул ATP, чем NADP⁺.

Поскольку часть электронов P₇₀₀ используется в биосинтетических процессах, то недостающие электроны поставляются фотосистемой II. Поток электронов от фотосистемы II через свою цепь электронного транспорта также попадает на комплекс цитохромов b₆f, внося при этом вклад в генерацию протонного градиента на тилакоидной мембране, и далее через пластоцианин попадает на Р₇₀₀ (Рис3.14). За свою Z-подобную форму эта схема названа Z-схемой фотосинтеза.

Поскольку для образования одной молекулы О₂ необходим перенос четырех электронов от двух молекул H₂O на два NADP⁺, а для переноса одного электрона от воды на NADP⁺ необходимо поглощение двух фотонов (двумя фотосистемами), то суммарное уравнение процессов переноса электронов в фотосистемах I и II можно записать как:

2H₂O + 2 NADP⁺ + 8 фотонов > O₂ + 2 NADPH +2 H⁺.

При разрушении хлоропластов ультразвуком обнаружены частицы с константой седиментации 38 S, диаметром 30 нм, сохраняющие способность к фотосинтезу. На электронных микрофотографиях сколов мембраны, полученных методом замораживания-травления, видны крупные гранулы размером 10х15х18 нм и молекулярной массой порядка 2 МДа. Предполагается, что это компоненты фотосистемы II, расположенные на поверхности тилакоидной мембраны, обращенной во внутритилакоидное пространство. Более мелкие гранулы, лежащие, как предполагается, на обращенной в строму поверхности тилакоидной мембраны, пока не идентифицированы.

В кор-комплекс фотосистемы I входят большие белки RsaA и RsaB с молекулярной массой порядка 83 кДа, которые несут реакционные центры ФС I, а также около 90-100 молекул хлорофилла а и 12-16 молекул каротиноидов.

Первичный донор электронов в фотосистеме I пока не выделен в чистом виде, но хорошо охарактеризован с помощью спектральных методов. Его спектр поглощения света содержит 2 основные полосы при 700 и 430 нм. В хлоропластах растений соотношение P₇₀₀ и других хлорофиллов примерно равно 1:400. Считается, что реакционный центр Р₇₀₀ образован димером хлорофилла а. Вблизи P₇₀₀ в реакционном центре находятся первичный и вторичный акцепторы электронов А₀ и А₁. В роли А₀ выступает молекула хлорофилла, а с полосой поглощения в области 693-695 нм, а вторичным акцептором электронов А₁ является филлохинон (витамин К₁). Напомним, что хиноны - внутримембранные гидрофобные молекулы.

Методами лазерной спектроскопии показано, что перенос электрона от Р₇₀₀ на А₀ происходит менее, чем за 10 пс. Затем за 20-50 пс (по разным данным) электрон переходит на А₁. От него электрон за 200 пс (по другим данным, за 20-50 нс) он переходит на 4Fe-4S кластер (F_X), расположенный внутри фотосинтетической мембраны. Затем, за следующие 170 нс - на димер из двух 4Fe-4S кластеров (F_A и F_B), расположенный на поверхности мембраны тилакоида, обращенной в строму, и, наконец, за 0,5-100 мкс - на ферредоксин (Fd). Эти компоненты ФС I удерживаются в фотосинтетической мембране с помощью комплекса белков PsaA, Psa B … PsaL. Нужно отметить, что железо-серные белки пока не удается выделить и охарактеризовать, т.к. они легко денатурируются при попытке выделения. Гидрофильный белок ферредоксин массой около 10,7 кДа содержит 2Fe-2S кластер. Он удерживается на стромальной поверхности тилакоидной мембраны благодаря электростатическому взаимодействию с белком PsaD (Рубин, 2000). Ферредоксин - основной переключатель, направляющий электроны либо на Fd: NADP⁺-оксидоредуктазу для синтеза NADPH, либо на комплекс цитохромов b₆f, от которого через водорастворимый белок пластоцианин они по одному возвращаются на Р₇₀₀. Перенос электронов на ферредоксин и от него на другие молекулы осуществляется за намного большее, микросекундное время из-за необходимой диффузии этого белка.