Войти
Электронная микрофотография 2D кристаллов фотосинтетического блока LH1-реакционного центра. A фотосинтетический реакционный центр представляет собой комплекс нескольких белков, пигментов и других кофакторов, которые вместе выполняют первичные реакции преобразования энергии фотосинтеза. Молекулярные возбуждения, возникающие либо непосредственно от солнечного света, либо передаваемые в виде энергии возбуждения через светособирающие антенные системы, вызывают реакции переноса электрона по пути последовательности кофакторов, связанных с белками. Эти кофакторы представляют собой светопоглощающие молекулы (также называемые хромофоры или пигменты ), такие как хлорофилл и феофитин, а также хиноны. Энергия фотона используется для возбуждения электрона пигмента. Созданная свободная энергия затем используется для восстановления цепочки ближайших акцепторов электронов, которые имеют прогрессивно более высокие окислительно-восстановительные потенциалы. Эти этапы переноса электрона являются начальной фазой ряда реакций преобразования энергии, в конечном итоге приводящих к преобразованию энергии фотонов в накопление этой энергии путем образования химических связей.
Реакционные центры представлены всем зеленым растения, водоросли и многие бактерии. Между фотосинтезирующими видами существует множество светособирающих комплексов. 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 и включают несколько светособирающих комплексов. Реакционный центр, обнаруженный в бактериях Rhodopseudomonas, в настоящее время изучен лучше всего, поскольку он был первым реакционным центром известной структуры и имеет меньше полипептидных цепей, чем примеры у зеленых растений.
Реакционный центр устроен таким образом, что он захватывает энергию фотона с помощью молекул пигмента и превращает ее в пригодную для использования форму. Когда световая энергия поглощается непосредственно молекулами пигмента или передается им посредством резонансной передачи от окружающего светособирающего комплекса, они высвобождают два электрона в цепь переноса электронов. В зеленых растениях электронная транспортная цепь имеет множество акцепторов электронов, включая феофитин, хинон, пластохинон, цитохром bf и ферредоксин, что в конечном итоге приводит к восстановленной молекуле НАДФН и накоплению энергии. Прохождение электрона через цепь переноса электронов также приводит к перекачке протонов (ионов водорода) из стромы хлоропласта в просвет, что приводит к протонному градиенту через тилакоидную мембрану, который можно использовать для синтеза АТФ с использованием молекулы АТФ-синтазы. И АТФ, и НАДФН используются в цикле Кальвина для связывания диоксида углерода в триозные сахара.
Различают два класса реакционных центров. Тип I, обнаруженный в зелено-серных бактериях, Heliobacteria и растительных / цианобактериальных PS-I, использует кластеры серы железа в качестве акцепторов электронов. Тип II, обнаруженный в chloroflexus, пурпурных бактериях и PS-II растений / цианобактерий, использует хиноны. Мало того, что все члены внутри каждого класса имеют общее происхождение, эти два класса также кажутся связанными посредством общей структуры. В этом разделе рассматривается система типа II, обнаруженная у пурпурных бактерий.
Схема реакционного центра в мембране с цитохромом C наверху 
Бактериальный реакционный центр фотосинтеза. Бактериальный фотосинтетический реакционный центр был важной моделью для понимания структуры и химии биологического процесса улавливания световой энергии. В 1960-х был первым, кто очистил комплекс реакционного центра от пурпурных бактерий. Однако первая кристаллическая структура (верхнее изображение справа) была определена в 1984 году Хартмутом Мишелем, Иоганном Дайзенхофером и Робертом Хубером, для которых они разделили Нобелевская премия 1988 года. Это было также важно, поскольку это была первая трехмерная кристаллическая структура любого мембранного белкового комплекса.
Было обнаружено, что четыре разные субъединицы важны для функции фотосинтетического реакционного центра. L- и M-субъединицы, показанные синим и фиолетовым на изображении структуры, обе охватывают липидный бислой плазматической мембраны. Они структурно похожи друг на друга, оба имеют 5 трансмембранных альфа-спиралей. Четыре молекулы бактериохлорофилла b (BChl-b), две молекулы молекулы бактериофеофитина b (BPh), две хиноны (QAи Q B), и ион двухвалентного железа связаны с L- и M-субъединицами. Субъединица H, показанная золотом, находится на цитоплазматической стороне плазматической мембраны. Субъединица цитохрома, здесь не показана, содержит четыре гема c-типа и расположена на периплазматической поверхности (внешней) мембраны. Последняя субъединица не является общим структурным мотивом фотосинтезирующих бактерий. Субъединицы L и M связывают функциональные и взаимодействующие со светом кофакторы, показанные здесь зеленым.
Реакционные центры различных видов бактерий могут содержать слегка измененные хромофоры бактериохлорофилла и бактериофеофитина в качестве функциональных кофакторов. Эти изменения вызывают изменение цвета света, который может быть поглощен. В реакционном центре находятся два пигмента, которые служат для сбора и передачи энергии от поглощения фотонов: BChl и Bph. БХл примерно напоминает молекулу хлорофилла, обнаруженную в зеленых растениях, но из-за незначительных структурных различий длина волны его пика поглощения смещена в инфракрасный 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.
Световая реакция Процесс начинается, когда свет поглощается двумя молекулами BChl, которые лежат около периплазматической стороны мембраны. Эта пара молекул хлорофилла, часто называемая «особой парой», поглощает фотоны с длиной волны 870 или 960 нм, в зависимости от вида, и поэтому 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. Этот начальный заряд дает положительный заряд на P и отрицательный заряд на BPh. Этот процесс занимает 10 пикосекунд (10 секунд).
В этом состоянии заряды на P и BPh могут подвергаться рекомбинации зарядов. Это приведет к потере энергии электронов и преобразованию поглощенной световой энергии в тепло. Этому способствует несколько факторов структуры реакционного центра. 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 хинону-акцептору электронов (Q A) и перенос электрона на P960 (P960 восстанавливается до P960) от гем в субъединице цитохрома над реакционным центром.
Электрон высокой энергии, который находится на прочно связанной молекуле хинона Q A, переносится на молекулу обменного хинона Q B. Эта молекула слабо связана с белком и довольно легко отделяется. Два высокоэнергетических электрона необходимы для полного восстановления Q B до QH 2, забирая при этом два протона из цитоплазмы. Восстановленный хинон QH 2 диффундирует через мембрану в другой белковый комплекс (цитохром bc 1 -комплекс ), где он окисляется. При этом восстанавливающая способность QH 2 используется для перекачки протонов через мембрану в периплазматическое пространство. Электроны из комплекса цитохрома bc 1 затем переносятся через растворимое промежуточное соединение цитохрома c, называемое цитохромом c 2, в периплазме к субъединице цитохрома.
Цианобактерии, предшественники хлоропластов, обнаруженные в зеленых растениях, имеют обе фотосистемы с обоими типами реакционных центров. Объединение двух систем позволяет производить кислород.
В 1772 году химик Джозеф Пристли провел серию экспериментов, касающихся газов, участвующих в дыхании и горении. В своем первом эксперименте он зажег свечу и поместил ее под перевернутый сосуд. Спустя небольшой промежуток времени свеча перегорела. Он провел аналогичный эксперимент с мышью в замкнутом пространстве горящей свечи. Он обнаружил, что мышь умерла вскоре после того, как погасла свеча. Однако он мог оживить зловонный воздух, поместив зеленые растения в этом районе 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 в течение 4 месяцев, пытаясь понять, что же происходит на самом деле. Он описал свои открытия в книге под названием «Эксперименты с овощами». Ингенхауз взял зеленые растения и погрузил их в воду в прозрачном резервуаре. Он наблюдал множество пузырей, поднимающихся с поверхности листьев, когда растения подвергались воздействию света. Ингенхауз собрал газ, выделяемый заводами, и провел несколько различных тестов, пытаясь определить, что это за газ. Испытание, которое, наконец, выявило идентичность газа, заключалось в помещении тлеющего конуса в образец газа и его повторном зажигании. Этот тест доказал, что это был кислород или, как назвал его Джозеф Пристли, «де- флогистированный воздух».
В 1932 году Роберт Эмерсон и его ученик Уильям Арнольд использовали метод повторяющихся вспышек для точного измерения небольших количеств кислорода, выделяемого хлорофиллом в водорослях Chlorella. Их эксперимент подтвердил существование фотосинтетической единицы. Позже Гаффрон и Воль интерпретировали эксперимент и поняли, что свет, поглощаемый фотосинтетическим устройством, передается. Эта реакция происходит в реакционном центре фотосистемы II и имеет место у цианобактерий, водорослей и зеленых растений.
Фотосистема II цианобактерий, мономер, PDB 2AXT. Фотосистема II фотосистема, которая генерирует два электрона, которые в конечном итоге восстанавливают НАДФ в ферредоксин-НАДФ-редуктазе. Фотосистема II присутствует на мембранах тилакоидов внутри хлоропластов, месте фотосинтеза у зеленых растений. 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 подобны субъединицам L и M, присутствующим в бактериальном реакционном центре. Фотосистема II отличается от бактериального реакционного центра тем, что в ней есть много дополнительных субъединиц, которые связывают дополнительные хлорофиллы для повышения эффективности. Общая реакция , катализируемая фотосистемой II, следующая:
Q представляет собой пластохинон, окисленная форма Q. QH 2 представляет собой пластохинол, восстановленную форму Q. Этот процесс восстановления хинона сравним с тем, который имеет место в бактериальном реакционном центре. Фотосистема II получает электроны путем окисления воды в процессе, называемом фотолизом. Молекулярный кислород является побочным продуктом этого процесса, и именно эта реакция снабжает кислородом атмосферу. Тот факт, что кислород зеленых растений поступает из воды, был впервые установлен американским биохимиком канадского происхождения Мартином Дэвидом Каменом. Он использовал стабильный изотоп кислорода O, чтобы проследить путь кислорода от воды до газообразного молекулярного кислорода. Эта реакция катализируется реакционным центром в фотосистеме II, содержащим четыре иона марганца .
. Реакция начинается с возбуждения пары молекул хлорофилла, аналогичных молекулам в бактериальном реакционном центре. Из-за присутствия хлорофилла а, в отличие от бактериохлорофилла, фотосистема II поглощает свет с более короткой длиной волны. Пара молекул хлорофилла в реакционном центре часто обозначается как P680. Когда фотон поглощается, полученный электрон высокой энергии передается ближайшей молекуле феофитина. Он находится вверху и справа от пары на диаграмме и окрашен в серый цвет. Электрон проходит от молекулы феофитина через две молекулы пластохинона, первая из которых тесно связана, а вторая - слабо. Плотно связанная молекула показана над молекулой феофитина и окрашена в красный цвет. Слабосвязанная молекула находится слева от нее и тоже окрашена в красный цвет. Этот поток электронов аналогичен потоку бактериального реакционного центра. Два электрона необходимы для полного восстановления непрочно связанной молекулы пластохинона до QH 2, а также для поглощения 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 группы восстановленного соединения гема в субъединице цитохрома или из водорастворимого белка цитохрома-c.
После того, как произошло фотоиндуцированное разделение зарядов, молекула P680 несет положительный заряд . P680 является очень сильным окислителем и извлекает электроны из двух молекул воды, которые связаны в центре марганца непосредственно под парой. Этот центр, ниже и слева от пары на диаграмме, содержит четыре иона марганца, ион кальция, ион хлорида и остаток тирозина.. Марганец хорошо разбирается в этих реакциях, потому что он способен существовать в четырех степенях окисления: Mn, Mn, Mn и Mn. Марганец также образует прочные связи с кислородсодержащими молекулами, такими как вода.
Каждый раз, когда P680 поглощает фотон, он излучает электрон, приобретая положительный заряд. Этот заряд нейтрализуется извлечением электрона из марганцевого центра, который находится прямо под ним. Процесс окисления двух молекул воды требует четырех электронов. Молекулы воды, которые окисляются в марганцевом центре, являются источником электронов, которые восстанавливают две молекулы Q до QH 2. На сегодняшний день этот каталитический центр расщепления воды не воспроизводится ни одним искусственным катализатором.
После того, как электрон покинул фотосистему II, он переходит в комплекс цитохрома b6f, а затем в пластоцианин, синий медь белок и переносчик электронов. Комплекс пластоцианина несет 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. 700 - это ссылка на длину волны , при которой молекулы хлорофилла максимально поглощают свет. P700 находится в центре белка. Как только фотоиндуцированное разделение зарядов инициировано, электрон движется 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. 113>Ферредоксин представляет собой растворимый белок, содержащий кластер 2Fe-2S, координированный четырьмя остатками цистеина. Положительный заряд, оставшийся на P700, нейтрализуется переносом электрона от пластоцианина. Таким образом, общая реакция, катализируемая фотосистемой I, выглядит так:
Сотрудничество между фотосистемами I и II создают поток электронов от H 16 2 148 O к NADP. Этот путь называется «Z-схемой », потому что диаграмма окислительно-восстановительного потенциала от P680 до P700 похожа на букву z.
