книги из ГПНТБ / Эйнор Л.О. Реконструирование энергетических механизмов фотосинтеза

Если суммировать некоторые общие результаты работ по фо­ тохимии, то можно отметить, что фотосенсибилизирующее дейст­ вие хлорофилла на перенос электрона от воды или других доно­ ров к С 0 2 связано со способностью хлорофилла, поглотившего фотон, к восприятию или отдаче электрона с образованием ла­ бильных и весьма реакционноспособных, промежуточных соеди­ нений. Последние могут стать окисленными или восстановленны­ ми. Такое представление базируется на наблюдениях над модельными системами с пигментами растений. Как фотосенси­ билизатор, хлорофилл и в истинном растворе, и будучи адсорби­ рованным на различных носителях способен, поглотив фотон, реагировать с различными акцепторами или, наоборот, донорами электрона. Находясь после поглощения кванта света в возбужден­ ном состоянии, хлорофилл легко реагирует с другими участника­ ми реакции и в конечном счете регенерирует; при этом образуется окисленный восстановитель и восстановленный окислитель.

	В фотохимических исследованиях были установлены чрезвы­
чайно важные закономерности м и г р а ц и и э н е р г и и				м е ж ­
д у	п и г м е н т а м и :	один пигмент способен передавать		энер­
гию возбуждения другому.
	Миграция энергии может происходить как между молекула­
ми	одного вида пигментов («гомогенный» перенос),		так и	меж­
ду молекулами разных		пигментов («гетерогенный»	перенос).
	Прямое доказательство возможности гетерогенного переноса

получено на основе анализа спектра возбуждения флуоресцен­ ции. Разные пигменты, активируемые соответственно светом раз­ личных длин волн, вызывают флуоресценцию одной из форм Хл а. Выход флуоресценции Хл а служит известным индикато­ ром эффективности функционирования тех или иных дополни­ тельных к нему пигментов в качестве поглотителей энергии.

Одним из возможных механизмов переноса энергии в хло­ ропластах является резонансная передача энергии между пиг­ ментами в пределах фотосинтетической единицы [55, 814]. (Ре­ зонансом называют явление возбуждения колебаний в молекуле, равных по частоте колебаниям возбуждающей молекулы.) Энер­ гия возбуждения может передаваться и посредством промежу­ точных пигментов. В настоящее время не вызывает сомнений тот факт, что фотон поглощается какой-либо одной конкретной молекулой пигмента В процессе излучательного рассеивания энергии этой возбужденной молекулой достигается состояние резонанса с акцепторной молекулой. Перенос энергии от моле­ кулы к молекуле сопровождается частичными ее потерями на безызлучательные процессы внутри отдельных переносчиков.

Энергия поглощенного фотона может многократно передава­ ться от одной молекулы пигмента к другой и наконец попасть в «энергетическую ловушку», роль которой выполняет в опреде­ ленных случаях небольшая часть Хл а (так называемый пиг­ мент 700 — П700).

Рис. 1. Перенос энергии возбуждения между молекулами хлорофилла в пределах фотосинтетической единицы.

; — реакционный центр с молекулой хло­ рофилла П700, 2 — молекулы хлорофилла в различных энергетических состояниях, способные передавать энергию П700.

Существует определенная «иерархия» между молекулами пиг­ ментов по потенциальной энергии; расположение их определяет­ ся не только химической структурой, но и взаимодействием с белками и липидами в нативном комплексе с ними. В то же вре­ мя группа молекул внутри пигментной матрицы выступает как единое целое — как фотосинте­ тическая единица (ФЕ). Ниже будет показано, что ФЕ есть минимальное количество моле­ кул хлорофилла, необходимое для переноса электрона по пол­ ной цепи переноса от молекулы фотоокисляемой воды до НАДФ+ (рис. 1).

Для молекул, между кото­ рыми возникают резонансные переносы, характерно взаим­ ное перекрывание спектров по­ глощения и флуоресценции. Взаимодействие между такими молекулами, как известно, яв­ ляется диполь-дипольным вза­ имодействием [55]. Расчеты, основанные на изучении кине­ тики взаимодействия в раство­

рах [107], показывают, что «критическое расстояние» между мо­ лекулами, при котором вероятность переноса энергии может до­ стичь 50%, составляет 5 нм.

В хлоропласте расстояние между различными молекулами пигментов гораздо меньше 5 нм, так что вероятность переноса энергии in vivo очень высока.

Кроме сдвигов Стокса часто наблюдается перекрывание по­ лос флуоресценции одного пигмента, поглощающего свет при бо­ лее короткой длине волны, полосами поглощения других пигмен­ тов, поглощающих в более длинноволновой области. Таким об­ разом, перенос энергии протекает в одном направлении. Напри­ мер, у красных водорослей энергия мигрирует последовательно от пигментов, поглощающих в синей области спектра (каротиноиды), к пигментам, поглощающим в зеленой (фикоэритрины), желто-оранжевой (фикоцианины), и, наконец, в красной (Хл) области спектра (рис. 2). В цепи последовательных переносчи­ ков-пигментов часть энергии рассеивается.

При гомогенном переносе энергии между молекулами Хл а ре­ зонансная связь зависит от степени энергетического взаимодей­ ствия молекул. При «сильном» взаимодействии происходит кол­ лективизация всех молекул пигментов, вовлеченных в обмен. По­ следние образуют единую «сверхмолекулу» — ФЕ. Однако in vit­ ro (если сравнивать со спектрами поглощения пигмента in vivo)',.

в растворе, где поглощение осуществляется изолированными молекулами, взаимодействие между молекулами пигмента «сла­

бое». По-видимому, in

vitro

энергия

либо

рассеивается,

либо

используется,

причем

каждая

молеку­

D

ла выступает как самостоятельная «фо-

•

тохимическая

единица»,

инициирую-

/

щая химическую реакцию.

J

\

Д

Гипотезы

о

механизмах

переноса

Г

/ I

энергии весьма противоречивы.

1

' '

Согласно одной из них, квант све­

та,

поглощаемый

молекулой

пигмента

и передаваемый

в

виде

э к с и т о н а ,

попадает в конечном итоге на молеку­

лу-ловушку, где встречает окисленный

или

восстановленный

реакционный

центр. «Соединение» экситона с ре­

/

агентом центра

изменяет

энергетиче­

/

ский уровень

последнего

и

инициирует

цепь реакций переноса электрона с

участием ферментативного

механизма.

Термин

«экситон»

был

предложен

Я. И. Френкелем

[136]

для

объясне­

ния переноса энергии в твердых телах

и означает

пару

электрон +

«дырка»

-"І

і

(место, лишенное

электрона). В рабо­

тах

Каца

[597],

Арнольда

[174]

и

Кальвина [280] были сделаны попыт­

400

500

603

Л,нгл

ки

применить

экситонную

теорию

к

процессам

переноса

энергии

при

фо­

В

тосинтезе.

Рис.

2. Спектры

поглощения

Механизм

з а п а с а н и я

энергии

трех типов пигментов хло-

можно наглядно изобразить в виде

ропластов (по

Рабиновичу

следующей

модели.

Молекула-ловуш­

и Говинджи

[814]).

ка

в

составе

реакционного

центра,

а — хлорофилл

а,

б — кароти-

поглощая фотон, переходит в возбу­

нопд,

в — фикоэратрин

(/)

и

фикоцнанин (2),

жденное состояние. По-видимому,

фо­

тоактивация

происходит

в н у т р и

возбужденной

молекулы

хлорофилла,

заключается

в

перерас­

пределении

заряда

и

связана

с «перескоком» электрона

на

новую

орбиту. Такой

процесс

может

заключаться

в

восстанов­

лении

одной

части

молекулы

(например,

присоединении элект­

рона к атому магния в центре порфиринового кольца молекулы хлорофилла) и окислении другой части молекулы (например, окислении того же порфиринового кольца). На рис. 3 показано такое перераспределение заряда при переходе из состояния 1 в состояние 2. Перераспределение заряда и «захват» фотона осу­ ществляются за время менее Ю - 1 0 сек.

Можно	допустить,	что компенсация заряда происходит	за
счет заряда	д р у г о й	молекулы, содержащей атом железа.	(В

хлоропласте имеются различные железосодержащие соединения, в частности цитохромы.) В данном случае важно то, что компен­ сация заряда (в нашем примере) осуществляется путем переноса электрона от атома железа цитохрома, который тем самым окис-

Цитохром

Барьер

Хлорофилл

Л в р ^ ^ Й о е

Р и с 3. Модель перераспределения заряда при поглощении фотона внутри реакционного цент­ ра (по Чансу с соавт. [292]).

1—4 — последовательные стадии перераспределения

заряда. Пояснение в тексте.

ляется, на порфириновое кольцо молекулы хлорофилла. Другим важным допущением является необходимость преодоления электроном барьера, обладающего свойством «пропускать» элек­ троны в одном направлении (состояние 3). Итак, цитохром окис­ ляется, молекула хлорофилла приобретает отрицательный сум­

марный заряд, а порфириновое кольцо становится			нейтраль­
ным. Теперь молекула хлорофилла	становится	весьма		сильным
восстановителем.
В роли барьера между молекулами хлорофилла			и	цитохро­
ма выступают вещества липидной	природы,	и то,	что	барьер

обладает односторонней и избирательной проницаемостью, ука­ зывает на строго упорядоченное расположение всех компонентов системы. Заметим, что in vivo реакция между хлорофиллом и

цитохромом протекает даже при температуре кипения жидкого азота (77° К) за время менее 10—3 сек. При такой температуре ферментативные реакции невозможны — поэтому реакция имеет фотохимический характер. В результате переноса электрона на подходящий акцептор молекула хлорофилла возвращается в состояние 1.

Рис. 4. Сопряжение окнслительно-восстановн- тельных превращений молекулы хлорофилла с переносом электрона по цепи и образованием АТФ.

А — акцептор, Д — донор электрона.

Приведенная модель помогает наглядно проиллюстрировать чрезвычайно сложный механизм, который осуществляется в ре­ акционном центре.

Замыкание цикла окислительно-восстановительных превра­ щений с участием всех компонентов означает восстановление ис­ ходного состояния всех переносчиков. В этом сущность тран­ спорта электрона при фотосинтезе, схематически показанного на рис. 4. Чрезвычайно важно, что процесс переноса может сопро­ вождаться синтезом АТФ.

Энергия поглощенных квантов света тратится на образова­ ние окислителя и восстановителя. Выше был рассмотрен вари­ ант, при котором хлорофилл становится восстановителем, так как обладает избыточным электроном, но можно представить обратный процесс: хлорофилл в результате фотохимической ре­ акции не восстановится, а окислится. В таком случае партнер хлорофилла, присоединив к себе электрон, перейдет в восста­ новленное состояние.

Рассмотрим вопрос о работе, которую может совершить по­ глощенный хлорофиллом квант света. Разница потенциалов меж­

ду	окислительно-восстановительными	парами	О2/Н2О	( + 0,81 в)
и Н+/Н (—0,42 б) уже столь велика,		что фотон с длиной волны
в	видимой области спектра (от 400	до 700	нм) не	обладает

энергией, достаточной для преодоления электроном этой разнос­ ти потенциалов. Кроме того, представлены доказательства тер­ модинамического характера потерь энергии до 14—18 ккал/моль при фотохимических процессах фотосинтеза, когда короткоживущая энергия электронного возбуждения (то ~ Ю - 9 сея Транс­ формируется в долгоживущую энергию химических связей [25].

Логический анализ		результатов экспериментальных			работ
приводит	к выводу,	что	«поднятие» электрона от воды до
НАДФ+ протекает в две ступени,				при кооперированном	дейст­
вии двух фотохимических			реакций	(см. часть I I ) . Согласно пред­
ставлениям	о фотосинтезе		как о двухступенчатом окислительно-

восстановительном процессе, в результате коротковолновой фо­ тохимической реакции (фотореакция II) происходит окисление воды до кислорода и образуются сильный окислитель и слабый восстановитель. В результате длинноволновой фотохимической реакции (фотореакция I) образуются слабый окислитель и силь­ ный восстановитель— НАДФ-Н. Переносчиками электрона слу­ жат пластохинон, цитохромы, пластоцианин, ферредоксин, флавопротеин. Особо важное место в переносе электрона отводится цитохромам. Цитохромов в хлоропласте, по-видимому, три — Цит /, Цит be и Цит Ь3. В выяснении их функции — ключ к раз­ гадке сопряжения работы фотосистем.

Двухступенчатая схема поднятия электрона от уровня вос­ становленное™ кислорода до уровня восстановленности водоро­ да предполагает наличие двух реакционных центров, причем перенос электронов каждым из них осуществляется на разных уровнях относительно нуля шкалы редокс-потенциала. В одном, из реакционных центров при поглощении кванта света происхо­ дит фотовосстановление гипотетического вещества X, а в дру­ гом — фотоокисление воды. Если Хл а является фотокатализа­ тором в обоих случаях, с одной величиной редокс-потенциала (Ец), то он должен окисляться в первом случае и восстанавли­ ваться — во втором. В свою очередь реакция между окислен­ ной формой Хл а, полученной в ходе первой реакции, и восста­ новленной формой Хл а, образованной в ходе второй реакции,, требует участия посредников. В результате этой реакции фото­ каталитическая система возвращается в исходное состояние. Рассуждения не изменятся, если допустить возможность не двух, а трех и даже большего числа фотореакций.

' Необходимо обратить внимание на некоторую путаницу и терминологии. Так как в о с с т а н а в л и в а е м о е вещество X отбирает электроны, то оно, разумеется, выступает как окисли­ тель по отношению к окисляемому веществу. Но здесь и далее

мы будем называть его восстановителем, как это делают Кок, Сап-Пьетро и др. [58, 839], по той причине, что это гипотетиче­ ское вещество по отношению к известным, идентифицированным участникам с сильными восстановительными свойствами (ферредоксину, НАДФ) само является сильным восстановителем.

На рис. 5	изображена	так называемая Z-схема транспор­
та электронов	при фотосинтезе *, которая в условной, наиболее
			VeppedoncuH
			Ферредоксин-НШ-редуктазя.
		АК+ДХШ		НАД<?
			фотосистема!
	Пластохинон		1
	Цитохрш b
	{ HumoxpoMf
	іФотосистема II	Пяаатцивнин |
О,			•П700
	AT!

Рис. 5. Z-схема переноса электрона в изолированных хлоро­ пластах при фотосинтезе.

сжатой форме описывает функционирование отдельных перенос­ чиков в последовательной цепи при участии двух фотореакций. Участники ЭТЦ занимают в ней места в соответствии со значе­ ниями нормальной величины их редокс-потенциалоз.

К настоящему времени предложено значительное число вари­ антов Z-схемы, различающихся по положению некоторых перено­ счиков,— свидетельство неполноты наших представлений об ЭТЦ.

Функционирование ЭТЦ рассматривается в части I I .

2. ХЛОРОФИЛЛ a IN VTVO

Хл а — главный пигмент всех зеленых растений. У фотосинтезируюших бактерий вместо Хл а имеется бактериохлорофилл. Листья, полностью закончившие процесс зеленения, содержат до 5% хлорофилла (в расчете на сухой вес) при концентрации Ю - 2 М. Однако, по некоторым данным, только около 1% всего хлорофилла является фотосинтетически активным.

Хотя в роли фотосенсибилизаторов могут выступать многие вещества (например, флавины или цитохромы [60]), а фото-

* Эта схема названа Z-схемой потому, что она напоминает по форме ла­ тинскую букву Z, если ее развернуть на 90° по часовой стрелке. Однако пра­ вильнее ее было бы назвать N-схемой, так как в современном изображении она больше напоминает латинскую букву N. Тем не менее, следуя традиции,

.автор сохраняет термин Z-схема.— Ред.

химические свойства листьев определяются наличием как хло­ рофилла, так и других пигментов, именно Хл а служит тем агентом, который «собирает» энергию квантов света и превра­ щает ее в форму энергии, способной совершать работу по поднятию электрона.

Хлорофиллу, изучению его
роли и	строения,		посвящены
тысячи	исследований. Выдаю­
щийся вклад здесь внесли оте­				-сн,
чественные ученые, в том числе
М. В. Ненцкий, Л. С. Мархлев­
ский,	В.	Г.	Заленский,
М. С. Цвет,		К. А.	Тимирязев,

В.Н. Любименко, Т. Н. Годнев,

А.А. Красновский.

Хлорофилл — представи­ тель группы магний-порфири- нов, причем роль магния в его молекуле не понятна до сих пор. Скажем, для гемпротеидов, представителями которых являются цитохромы, железо внутри гема подвергается об­ ратимому окислению в ходе окислительновосстановитель­ ных реакций. О магнии этого так уверенно сказать нельзя.

Молекулярный вес Хл а со­ ставляет 893,5. Уникальные свойства Хл а определяются его структурой (рис. 6). Моле­ кула состоит из «головы» — плоского тетрапиррольного кольца размером 15 X 15 А, с атомом Mg в центре, и фитольного «хвоста» длиной 20 А.

Расшифровка химического строения молекулы хлорофил-

Рис. 6. Структурная формула Хл а.

При замене СНз-группы (в кружке) на СНО-группу формула соответствует Хл Ь.

ла явилась важным успехом в науке. В 1960 г. Вудворд в США и Штрель в ФРГ осуществили полный синтез Хл а химиче­ ским путем. Спектральные свойства хлорофилла определяются сочетанием различных хромофорных групп- и гетероциклов со сложной системой конъюгированных двойных связей.

Гэс. публ::іщ;-я 2 3-930 научно-техк.-.- 7 г

библиотека С С і:-:

ЭКЗЕМПЛЯР ЧИТАЛЬНОГО ЗА;

В видимой области спектра хлорофилл обнаруживает две сильные полосы поглощения — в области так называемой полосы Соре (около 430 нм), характерной для всех порфиринов, и в красной области спектра (около 660 нм); кстати, зеленая окрас­ ка растений определяется отсутствием поглощения в зеленой области спектра.

Кок отмечал, что поглощение хлорофилла в синей части спектра не существенно для фотосинтеза [58]. В данном слу­ чае в течение очень короткого времени возбуждение переносит­ ся в область красной полосы; время жизни возбужденного со­ стояния в этой области более продолжительно, порядка Ю - 8 сек. Расчеты показывают, что поглощение в красной области оп­ ределяется резонансным возбуждением, направленным от I к III пиррольному кольцу в молекуле хлорофилла, а в синей об­ ласти — от I I к IV кольцу.

Молекулы хлорофилла сосредоточены в мембранах хлоропластов, в так называемых тилакоидах (см. ниже). Строение порфиринового ядра таково, что вектор переноса в синей облас­ ти ортогонален вектору в красной области. Вероятно, это имеет определенное значение при действии поляризованного света: свет, поляризованный параллельно или перпендикулярно плос­ кости ламеллы, оказывает одинаковый эффект. В возбужденном состоянии хлорофилла избыток энергии составляет 40 ккал\моль, или 1,8 эв на молекулу.

Тщательное изучение спектров поглощения и особенностей флуоресценции Хл a in vivo привело к заключению о существо­ вании большого числа форм этого пигмента. Так, если полуши­ рина полосы поглощения в красной области для Хл а в органи­ ческом растворителе составляет 18 нм, то in vivo — ЗО нм [814]. Изучение этих форм in vivo сопряжено с большими трудностя­ ми вследствие наложения спектров поглощения хлорофилла и других пигментов.

Листья или суспензии изолированных хлоропластов оказы­ вают значительный рассеивающий эффект на свет. Часть фото­ нов вовсе не поглощается, если плотность слоя не слишком велика («эффект сита»), но чаще происходит значительное уве­ личение эффективного пути светового луча внутри листа из-за многократного отражения («эффект задержки»). На изменение длины волны отражаемого и проходящего света влияет флуорес­ ценция. Все это существенно усложняет изучение индивидуаль­ ных форм Хл а и других пигментов in vivo.

В лабораториях Рабиновича и Говинджи, Френча, Годнева, Шлыка удалось обнаружить ряд форм Хл а. Френч идентифи­ цировал формы Хл а с максимумами при 672, 683 и 694 нм (Хл а672, Хл а683, Хл я694). Гедерстранд, Рабинович и Говин­ джи, пользуясь другим методом анализа, обнаружили формы Хл а668 (соответствующую форме Хл а673, по Френчу) и Хл а683. Применение методов флуоресценции и дифференциаль-

ной спектрофотометрии позволило выявить новые формы Хл а, которые составляют небольшую часть общего содержания хло­ рофилла. Например, хлорофилл с максимумом поглощения око­ ло 700 нм (этот максимум непостоянен для разных условий и объектов) составляет только 0,3% всего хлорофилла. Однако эта форма Хл а играет чрезвычайно важную роль ловушки фо­ тонов.

Гетерогенность хлорофилла обсуждалась в литературе неод­ нократно, но убедительных аргументов в пользу тех или иных конкретных гипотез не получено. О гетерогенности можно су­ дить по выцветанию отдельных мономерных форм, по экстра­ гируемое™ хлорофилла (считают, что Хл а существует в виде формы комплекса с белком и, наряду с этим, с белком и липидом); наконец, высказывались предположения, что прочность связи хлорофилла с белками и липидами может претерпевать изменения в ходе вегетации растения.

Резонансный перенос энергии поглощенных фотонов между

различными формами хлорофилла	можно выразить в виде такой
схемы:
Хл 6653 -* Хл о672	Хл а683	Хл а700.

Если форма Хл а с максимумом 700 нм выступает в роли ловушки в фотосистеме I , то форма Хл а683 выполняет анало­ гичную функцию в фотосистеме I I , «снимая урожай квантов» в этом случае с формы Хл а672.

3. ФОТОСИНТЕТИЧЕСКАЯ ЕДИНИЦА

Еще в 1910 г. В. Н. Любименко обнаружил несоответствие между содержанием хлорофилла в листьях и количеством ус­ военной углекислоты.

Вильштеттер и Штоль в 1918 г. пришли к выводу, что фото­ синтетический аппарат включает две системы — пигментную, ответственную за фотохимическую стадию, и «фермент», участ­ вующий в ассимиляции СОг. Одной лишь пигментной системы

недостаточно для восстановления С 0 2 .	е д и н и ц а выведено
Понятие ф о т о с и н т е т и ч е с к а я

из чисто физиологических исследований, начатых в лаборатории Эмерсона в 30-х гг. Эмерсон и Арнольд [366] попытались рас­ крыть суть световой и темновой фаз фотосинтеза, для чего при­ меняли освещение объектов прерывистым светом. Между лам­ пой накаливания и освещаемым объектом, например суспензией хлореллы, интенсивность фотосинтеза которого определяли по объему выделяемого кислорода в аппарате Варбурга, вращался диск с прорезями. С помощью такого устройства, меняя ширину щели и скорость вращения диска, можно было в широких пре­ делах изменять продолжительность и частоту модуляции света.

2*

19