Фотосинтетический реакционный центр - Photosynthetic reaction centre
Центр реакции фотосинтеза - это 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 электронов на пути ряда сопряженных с белками сопутствующих факторов. Эти кофакторы представляют собой светопоглощающие молекулы (также называемые хромофорами или пигментами ), такие как хлорофилл и феофитин , а также хиноны . Энергияфотон используется для возбуждения электрона пигмента. Созданная свободная энергия затем используется для восстановления цепочки близлежащих акцепторов электронов , которые имеют все более высокие окислительно-восстановительные потенциалы . Эти этапы переноса электронов являются начальной фазой ряда реакций преобразования энергии, в конечном итоге приводящих к преобразованию энергии фотонов в накопление этой энергии путем образования химических связей.
Преобразование световой энергии в разделение зарядов
Центры реакции присутствуют во всех зеленых растениях , водорослях и многих бактериях . 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 . Эти суперкомплексы имеют большие структуры, включающие несколько светособирающих комплексов . Реакционный центр, обнаруженный у бактерий 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 улавливает энергию фотона с помощью молекул пигмента и превращает ее в пригодную для использования форму. Как только световая энергия поглощается непосредственно молекулами пигмента или передается им посредством резонансной передачи от окружающего светособирающего комплекса , они высвобождают два электрона в цепь переноса электронов . У зеленых растений цепь переноса электронов имеет множество акцепторов электронов, включая феофитин , хинон , пластохинон , цитохром bf и ферредоксин , что в конечном итоге приводит к восстановлению молекулы НАДФН и накоплению энергии. Прохождение электрона через цепь переноса электронов также приводит к перекачке протонов (ионы водорода) из хлоропласта «ы стромы и в просвет , в результате протонного градиента через тилакоидную мембрану , которые могут быть использованы для синтеза АТФ с использованием Молекула АТФ-синтазы . И АТФ, и НАДФН используются в цикле Кальвина для связывания диоксида углерода в триозные сахара.
В бактериях
Классификация
Различают два класса реакционных центров. Тип I, обнаруженный у зеленых серных бактерий , гелиобактерий и растений / цианобактерий PS-I, использует кластеры серы железа в качестве акцепторов электронов. Тип II, обнаруженный в хлорофлексусе , 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.
Состав
Бактериальный фотосинтетический реакционный центр был важной моделью для понимания структуры и химии биологического процесса улавливания световой энергии. В 1960-х Родерик Клейтон первым 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, за что они разделили Нобелевскую премию в 1988 году. Это также было значительным, поскольку это была первая трехмерная кристаллическая структура любого мембранного белка. сложный.
Было обнаружено, что четыре различные субъединицы важны для функции 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, оба имеют 5 трансмембранных альфа-спиралей . С субъединицами L и M связаны четыре молекулы бактериохлорофилла b (BChl-b), две молекулы бактериофеофитина b (BPh), два хинона (Q A и Q B ) и ион двухвалентного железа. 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 цветом.
Центры реакции от разных 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 похож на молекулу хлорофилла, обнаруженную в зеленых растениях, но из-за незначительных структурных различий длина волны его пикового 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.
Механизм
Процесс начинается, когда свет поглощается двумя молекулами БХл, лежащими вблизи периплазматической стороны мембраны. Эта пара молекул хлорофилла, который часто называют «специальные пары», поглощает фотоны при длине волны 870 нм или 960 нм, в зависимости от вида и, таким образом, называется P870 (для Rhodobacter sphaeroides ) или P960 (для Blastochloris виридис ), с P стоянии для «пигмента»). 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 занимает 10 пикосекунд ( 10-11 секунд).
Заряды на P + и BPh - могут подвергаться рекомбинации зарядов в этом состоянии. 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 гема. в субъединице цитохрома над реакционным центром.
С высокой энергией электронов , которая находится на плотно связанной молекулы хинона Q A передается сменной молекулы 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 , при этом забирая два протона из цитоплазмы. Уменьшен хинон QH 2 диффундирует через мембрану с другим белком комплекса ( цитохром Ьса 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.
У цианобактерий и растений
Цианобактерии, предшественники хлоропластов зеленых растений, имеют обе фотосистемы с обоими типами реакционных центров. Объединение двух систем позволяет производить кислород.
Кислородный фотосинтез
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 перевернутую банку. Через 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, продемонстрировавших 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, как много пузырьков поднималось с поверхности листьев всякий раз, когда растения подвергались воздействию света. Ингенхауз собрал газ, выделяемый заводами, и провел несколько различных тестов, пытаясь определить, что это был 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 кислород или, как назвал его Джозеф Пристли, « дефлогистированный воздух».
В 1932 году Роберт Эмерсон и его ученик Уильям Арнольд использовали метод повторяющихся вспышек, чтобы точно измерить небольшое количество 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
Фотосистема II - это 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, такова:
- 2Q + 2H 2 O + hν → O 2 + 2QH 2
Q представляет собой пластохинон, окисленная форма Q. QH 2 представляет собой пластохинол, восстановленную форму Q. Этот процесс восстановления хинона сравним с тем, что происходит 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 атмосферу кислородом. Тот факт, что кислород зеленых растений поступает из воды, был впервые установлен 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 реакционным центром в фотосистеме II, содержащим четыре иона марганца .
Реакция начинается с возбуждения пары молекул хлорофилла, аналогичных молекулам бактериального реакционного центра. Из-за присутствия хлорофилла а , в отличие от бактериохлорофилла , фотосистема II поглощает свет с более короткой длиной волны. Пару молекул хлорофилла в реакционном центре часто называют P680 . Когда фотон поглощается, образовавшийся 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 подобен потоку бактериального реакционного центра. Два электрона необходимы для полного восстановления слабосвязанной 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 фотоиндуцированного разделения 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 внизу и слева от пары на диаграмме содержит четыре иона марганца, ион кальция, ион хлорида и остаток тирозина . Марганец хорошо подходит для этих реакций, потому что 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.
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 центре марганца, 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.
Фотосистема I
После того, как электрон покидает фотосистему II, он передается комплексу цитохрома b6f, а затем пластоцианину , синему белку меди и переносчику электронов. Пластоцианин комплекс несет в себе электрон , который нейтрализует пару в следующем реакционном центре, фотосистемы 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 вниз 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. Ферредоксин - это 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, такова:
- Pc (Cu + ) + Fd [ox] + hν → Pc (Cu 2+ ) + Fd [красный]
Сотрудничество между фотосистемами I и II создает поток электронов от H 2 O к NADP + . Этот путь называется « Z-схемой », потому что окислительно-восстановительная диаграмма от P680 до P700 напоминает букву z.
Смотрите также
- Светоуборочный комплекс
- Фотосинтез
- Фотографиисистема
- Фикобилисома
- Семейство белков фотосинтетического реакционного центра
Рекомендации
Внешние ссылки
- Орр Л., Говинджи Р. "Веб-ресурсы фотосинтеза" . Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн.