Фотосинтетический реакционный центр представляет собой комплекс из нескольких белков, пигментов и других кофакторов, которые вместе выполняют первичные реакции преобразования энергии фотосинтеза . Молекулярные возбуждения, возникающие либо непосредственно из солнечного света, либо передаваемые в виде энергии возбуждения через системы светособирающих антенн , вызывают реакции переноса электронов по пути ряда связанных с белком кофакторов. Эти кофакторы представляют собой поглощающие свет молекулы (также называемые хромофорами или пигментами ), такие как хлорофилл и феофитин , а также хиноны . Энергия фотона используется для возбуждения электрона пигмента. Созданная свободная энергия затем используется через цепочку близлежащих акцепторов электронов для переноса атомов водорода (в виде протонов и электронов) из H 2 O или сероводорода в сторону углекислого газа, в конечном итоге производя глюкозу . Эти этапы переноса электронов в конечном итоге приводят к преобразованию энергии фотонов в химическую энергию.
Реакционные центры присутствуют во всех зеленых растениях , водорослях и многих бактериях . Разнообразие светособирающих комплексов существует среди фотосинтетических видов. Зеленые растения и водоросли имеют два разных типа реакционных центров, которые являются частью более крупных суперкомплексов, известных как P700 в фотосистеме I и P680 в фотосистеме II . Структуры этих суперкомплексов большие, включающие несколько светособирающих комплексов . Реакционный центр, обнаруженный в бактериях Rhodopseudomonas , в настоящее время лучше всего изучен, поскольку он был первым реакционным центром известной структуры и имеет меньше полипептидных цепей , чем примеры в зеленых растениях. [1]
Реакционный центр расположен таким образом, что он захватывает энергию фотона с помощью молекул пигмента и превращает ее в пригодную для использования форму. После того, как световая энергия была поглощена непосредственно молекулами пигмента или передана им посредством резонансного переноса из окружающего комплекса сбора света , они высвобождают электроны в цепь переноса электронов и передают энергию донору водорода, такому как H 2 O, для извлечения из него электронов и протонов. В зеленых растениях цепь переноса электронов имеет много акцепторов электронов, включая феофитин , хинон , пластохинон , цитохром bf и ферредоксин , которые в конечном итоге приводят к восстановленной молекуле НАДФН , в то время как энергия, используемая для расщепления воды, приводит к высвобождению кислорода . Прохождение электрона через электронно-транспортную цепь также приводит к перекачке протонов (ионов водорода) из стромы хлоропласта в просвет , что приводит к возникновению протонного градиента через тилакоидную мембрану , который может быть использован для синтеза АТФ с использованием молекулы АТФ-синтазы . Как АТФ, так и НАДФН используются в цикле Кальвина для фиксации углекислого газа в триозные сахара.
Распознаются два класса реакционных центров. Тип I, обнаруженный в зеленых серных бактериях , Heliobacteria и растительно-цианобактериальном PS-I, использует кластеры железа и серы в качестве акцепторов электронов. Тип II, обнаруженный в хлорофлексе , пурпурных бактериях и растительно-цианобактериальном PS-II, использует хиноны. Не только все члены внутри каждого класса имеют общее происхождение, но и два класса также, посредством общей структуры, кажутся связанными. [2] [3]
Цианобактерии, предшественники хлоропластов, обнаруженных в зеленых растениях, имеют обе фотосистемы с обоими типами реакционных центров. Объединение двух систем позволяет производить кислород. [3]
В этом разделе рассматривается система типа II, обнаруженная у пурпурных бактерий. [3]
Бактериальный фотосинтетический реакционный центр был важной моделью для понимания структуры и химии биологического процесса захвата световой энергии. В 1960-х годах Родерик Клейтон был первым, кто очистил комплекс реакционного центра от пурпурных бактерий. Однако первая кристаллическая структура (верхнее изображение справа) была определена в 1984 году Хартмутом Михелем , Иоганном Дайзенхофером и Робертом Хубером [4] , за что они разделили Нобелевскую премию в 1988 году. [5] Это также было важно, поскольку это была первая трехмерная кристаллическая структура любого комплекса мембранного белка.
Было обнаружено, что четыре различные субъединицы важны для функционирования фотосинтетического реакционного центра. Субъединицы L и M , показанные синим и фиолетовым на изображении структуры, обе охватывают липидный бислой плазматической мембраны. Они структурно похожи друг на друга, обе имеют 5 трансмембранных альфа-спиралей . [6] Четыре молекулы бактериохлорофилла b (BChl-b), две молекулы бактериофеофитина b (BPh), два хинона (Q A и Q B ) и ион железа связаны с субъединицами L и M. Субъединица H, показанная золотым цветом, лежит на цитоплазматической стороне плазматической мембраны. Субъединица цитохрома, здесь не показанная, содержит четыре гема c-типа и расположена на периплазматической поверхности (внешней) мембраны. Последняя субъединица не является общим структурным мотивом у фотосинтетических бактерий. Субъединицы L и M связывают функциональные и взаимодействующие со светом кофакторы, показанные здесь зеленым цветом.
Реакционные центры из разных видов бактерий могут содержать слегка измененные хромофоры бактерио-хлорофилла и бактерио-феофитина в качестве функциональных кофакторов. Эти изменения вызывают сдвиги в цвете света, который может быть поглощен. Реакционный центр содержит два пигмента, которые служат для сбора и передачи энергии от поглощения фотонов: BChl и Bph. BChl примерно напоминает молекулу хлорофилла, обнаруженную в зеленых растениях, но из-за незначительных структурных различий длина волны его пика поглощения смещена в инфракрасную область с длинами волн до 1000 нм. Bph имеет ту же структуру, что и BChl, но центральный ион магния заменен двумя протонами. Это изменение вызывает как сдвиг максимума поглощения, так и пониженный окислительно-восстановительный потенциал.
Процесс начинается, когда свет поглощается двумя молекулами BChl, которые лежат вблизи периплазматической стороны мембраны. Эта пара молекул хлорофилла, часто называемая «специальной парой», поглощает фотоны при 870 нм или 960 нм, в зависимости от вида, и, таким образом, называется P870 (для Rhodobacter sphaeroides ) или P960 (для Blastochloris viridis ), где P означает «пигмент»). Как только P поглощает фотон, он выбрасывает электрон, который передается через другую молекулу Bchl к BPh в субъединице L. Это начальное разделение зарядов дает положительный заряд на P и отрицательный заряд на BPh. Этот процесс происходит за 10 пикосекунд (10−11 секунд ). [1]
Заряды на P + и BPh − могут подвергаться рекомбинации зарядов в этом состоянии, что приведет к потере энергии и ее преобразованию в тепло . Несколько факторов структуры реакционного центра служат для предотвращения этого. Во-первых, перенос электрона от BPh − к P960 + происходит относительно медленно по сравнению с двумя другими окислительно-восстановительными реакциями в реакционном центре. Более быстрые реакции включают перенос электрона от BPh − (BPh − окисляется до BPh) к акцептору электронов хинону (Q A ), и перенос электрона к P960 + (P960 + восстанавливается до P960) от гема в субъединице цитохрома над реакционным центром.
Высокоэнергетический электрон, который находится на прочно связанной молекуле хинона Q A, переносится на заменяемую молекулу хинона Q B . Эта молекула слабо связана с белком и довольно легко отсоединяется. Для полного восстановления Q B до QH 2 требуются два электрона , при этом из цитоплазмы забираются два протона. Восстановленный хинон QH 2 диффундирует через мембрану в другой белковый комплекс ( цитохром bc 1 -комплекс ), где он окисляется. В этом процессе восстановительная способность QH 2 используется для перекачивания протонов через мембрану в периплазматическое пространство. Затем электроны из цитохромного bc 1 -комплекса переносятся через растворимый промежуточный цитохром c, называемый цитохром c 2 , в периплазме в субъединицу цитохрома.
Цианобактерии, предшественники хлоропластов, обнаруженных в зеленых растениях, имеют обе фотосистемы с обоими типами реакционных центров. Объединение двух систем позволяет производить кислород.
В 1772 году химик Джозеф Пристли провел ряд экспериментов, связанных с газами, участвующими в дыхании и горении. В своем первом эксперименте он зажег свечу и поместил ее под перевернутую банку. Через короткий промежуток времени свеча догорела. Он провел аналогичный эксперимент с мышью в замкнутом пространстве горящей свечи. Он обнаружил, что мышь умерла вскоре после того, как свеча погасла. Однако он мог оживить грязный воздух, поместив в этом месте зеленые растения и выставив их на свет. Наблюдения Пристли были одними из первых экспериментов, которые продемонстрировали активность фотосинтетического реакционного центра.
В 1779 году Ян Ингенхауз провел более 500 экспериментов, распределенных на протяжении 4 месяцев, пытаясь понять, что на самом деле происходит. Он описал свои открытия в книге под названием « Эксперименты с овощами» . Ингенхауз взял зеленые растения и погрузил их в воду внутри прозрачного бака. Он наблюдал множество пузырьков, поднимающихся с поверхности листьев всякий раз, когда растения подвергались воздействию света. Ингенхауз собрал газ, который выделяли растения, и провел несколько различных тестов, пытаясь определить, что это был за газ. Тест, который наконец выявил идентичность газа, заключался в помещении тлеющей свечи в образец газа и ее повторном зажигании. Этот тест доказал, что это был кислород или, как его назвал Джозеф Пристли, «дефлогистированный воздух ».
В 1932 году Роберт Эмерсон и его ученик Уильям Арнольд использовали метод повторяющейся вспышки для точного измерения небольших количеств кислорода, выделяемого хлорофиллом в водорослях Chlorella . Их эксперимент доказал существование фотосинтетической единицы. Гаффрон и Воль позже интерпретировали эксперимент и поняли, что свет, поглощаемый фотосинтетической единицей, переносится. [7] Эта реакция происходит в реакционном центре фотосистемы II и имеет место в цианобактериях, водорослях и зеленых растениях. [8]
Фотосистема II — это фотосистема, которая генерирует два электрона, которые в конечном итоге восстановят НАДФ + в ферредоксин-НАДФ-редуктазе. Фотосистема II присутствует на тилакоидных мембранах внутри хлоропластов, месте фотосинтеза в зеленых растениях. [9] Структура фотосистемы II удивительно похожа на бактериальный реакционный центр, и предполагается, что у них есть общий предок.
Ядро фотосистемы II состоит из двух субъединиц, называемых D1 и D2 . Эти две субъединицы похожи на субъединицы L и M, присутствующие в бактериальном реакционном центре. Фотосистема II отличается от бактериального реакционного центра тем, что имеет много дополнительных субъединиц, которые связывают дополнительные хлорофиллы для повышения эффективности. Общая реакция, катализируемая фотосистемой II, выглядит следующим образом:
Q представляет собой окисленную форму пластохинона, в то время как QH 2 представляет собой его восстановленную форму. Этот процесс восстановления хинона сопоставим с тем, который происходит в бактериальном реакционном центре. Фотосистема II получает электроны, окисляя воду в процессе, называемом фотолизом . Молекулярный кислород является побочным продуктом этого процесса, и именно эта реакция снабжает атмосферу кислородом. Тот факт, что кислород зеленых растений произошел из воды, был впервые выведен американским биохимиком канадского происхождения Мартином Дэвидом Каменом . Он использовал стабильный изотоп кислорода, 18 O, чтобы проследить путь кислорода от воды до газообразного молекулярного кислорода. Эта реакция катализируется реактивным центром в Фотосистеме II, содержащим четыре иона марганца .
Реакция начинается с возбуждения пары молекул хлорофилла, подобных молекулам в бактериальном реакционном центре. Из-за присутствия хлорофилла a , в отличие от бактериохлорофилла , фотосистема II поглощает свет на более короткой длине волны. Пара молекул хлорофилла в реакционном центре часто упоминается как P680 . [1] Когда фотон поглощается, полученный высокоэнергетический электрон передается близлежащей молекуле феофитина. Она находится выше и правее пары на диаграмме и окрашена в серый цвет. Электрон проходит от молекулы феофитина через две молекулы пластохинона, первая прочно связанная, вторая слабосвязанная. Прочно связанная молекула показана над молекулой феофитина и окрашена в красный цвет. Слабосвязанная молекула находится слева от нее и также окрашена в красный цвет. Этот поток электронов аналогичен потоку бактериального реакционного центра. Для полного восстановления слабосвязанной молекулы пластохинона до QH2 требуются два электрона, а также поглощение двух протонов.
Разница между фотосистемой II и бактериальным реакционным центром заключается в источнике электрона, который нейтрализует пару молекул хлорофилла а . В бактериальном реакционном центре электрон получается из восстановленной группы гема в субъединице цитохрома или из водорастворимого белка цитохрома-c.
Каждый раз, когда P680 поглощает фотон, он отдает электрон феофитину, получая положительный заряд. После этого фотоиндуцированного разделения зарядов P680 + становится очень сильным окислителем с высокой энергией. Он передает свою энергию молекулам воды , которые связаны в марганцевом центре непосредственно под парой, и извлекает из них электрон. Этот центр, расположенный ниже и левее пары на диаграмме, содержит четыре иона марганца, ион кальция , хлорид- ион и остаток тирозина . Марганец отлично подходит для этих реакций, поскольку он способен существовать в четырех степенях окисления: Mn 2+ , Mn 3+ , Mn 4+ и Mn 5+ . Марганец также образует прочные связи с кислородсодержащими молекулами, такими как вода. Процесс окисления двух молекул воды с образованием молекулы кислорода требует четырех электронов. Молекулы воды, которые окисляются в марганцевом центре, являются источником электронов, которые восстанавливают две молекулы Q до QH 2 . До настоящего времени этот каталитический центр расщепления воды не был воспроизведен ни одним искусственным катализатором.
После того, как электрон покинул Фотосистему II, он переносится в комплекс цитохрома b6f , а затем в пластоцианин , синий медный белок и переносчик электронов. Комплекс пластоцианина переносит электрон, который нейтрализует пару в следующем реакционном центре, Фотосистеме I.
Как и в случае с фотосистемой II и бактериальным реакционным центром, пара молекул хлорофилла a инициирует фотоиндуцированное разделение зарядов. Эта пара обозначается как P700 , где 700 — это длина волны , на которой молекулы хлорофилла максимально поглощают свет. P700 находится в центре белка. После того, как фотоиндуцированное разделение зарядов инициировано, электрон перемещается по пути через молекулу хлорофилла α, расположенную непосредственно над P700, через молекулу хинона, расположенную непосредственно над ней, через три кластера 4Fe-4S и, наконец, к взаимозаменяемому комплексу ферредоксина. [10] Ферредоксин — это растворимый белок, содержащий кластер 2Fe-2S, координированный четырьмя остатками цистеина. Положительный заряд на высокоэнергетическом P700 + нейтрализуется переносом электрона от пластоцианина , который получает энергию, в конечном итоге используемую для преобразования QH 2 обратно в Q. Таким образом, общая реакция, катализируемая фотосистемой I, выглядит следующим образом:
Сотрудничество между фотосистемами I и II создает поток электронов и протонов от H 2 O к NADP + , производя NADPH, необходимый для синтеза глюкозы. Этот путь называется « Z-схемой », поскольку окислительно-восстановительная диаграмма от H 2 O к NADP + через P680 и P700 напоминает букву Z. [11]