Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 3 - Д. Мецлер 1980
Свет в биологии
Фотосинтез
Реакционные центры и первая стадия фотохимического процесса
Одним из наиболее интересных вопросов, связанных с проблемами фотосинтеза, является вопрос о природе первой стадии фотохимического процесса. В каком возбужденном состоянии находится при этом хлорофилл — синглетном или триплетном, — пока неизвестно. Как бы то ни было, считается, что далее возбужденный хлорофилл (Хл*) передает электрон какому-то акцептору, превращающемуся в радикал Å, и переходит в форму окисленного радикала Хл+:
Согласно схеме, изображенной на рис. 13-18, акцептором А в фотосистеме II служит Q, а в фотосистеме I — Z. Окисленный хлорофилл (Хл+) далее немедленно вступает в реакцию, получая электрон от некоего донора. В фотосистеме I наиболее вероятным кандидатом на роль такого донора является пластоцианин.
Фотоокисление хлорофилла, протекающее согласно схеме (13-26), сопровождается ослаблением главной полосы поглощения. Однако, поскольку на каждый реакционный центр приходится большое число улавливающих свет молекул хлорофилла, этот эффект выражен слабо. Изучению всего процесса способствовало выделение изолированных фотохимических реакционных центров из бактериальных хроматофоров (гл. 1, разд. А, 11). Несмотря на некоторые вариации химического состава, свойства реакционных центров, выделенных из пурпурных и зеленых бактерий нескольких родов, довольно близки. В состав этих центров входят три белка с мол. весом 21 000, 24 000 и 28 000 в соотношении 1:1:1 [88], а также четыре молекулы бактериохлорофилла, две молекулы бактериофеофитина, молекула убихинона, атом негемового железа и (если не считать мутантов, дефектных по системе синтеза каротиноидов) каротиноид. Например, в реакционном центре Rhodospirillutn rubrum присутствует одна молекула спириллоксантина [89], Имеются указания, основанные частично на данных об экситонном расщеплении [90], что хлорофилл участвует в фотохимической реакции в виде димера.
Это предположение распространяется и на хлорофилл, находящийся в реакционных центрах в хлоропластах зеленых растений [91]. Данные о возможной структуре димера были получены в результате рентгеноструктурного анализа кристаллического этилхлорофиллида а. В этом случае молекулы упакованы в виде полимера, кольца соседних молекул хлорофилла соединены через молекулы воды, а ионы Mg2+ оказываются на расстоянии ~0,04 нм над плоскостью четырех пиррольных атомов азота с той же стороны, что и молекула воды, присоединенная с помощью координационной связи [92]. Было высказано предположение, что молекулы хлорофилла образуют симметричный димер, при этом обе молекулы одинаковым образом гидратированы [93] или связаны с ОН-, SH- или NH-группами (рис. 13-20, В).
Пикосекундные кинетические исследования [94] обесцвечивания бактериохлорофилла, содержащегося в изолированных реакционных центрах, показали, что начальное фотохимическое окисление хлорофилла в форму Хл+ происходит в течение 10-10 с (0,1 нс). В соответствии с этим время жизни т возбужденного состояния хлорофилла в фотосистеме I хлоропластов оценивается в 0,13 нс (сравните с временем жизни т0 для свободного хлорофилла, равным 19 нс) [95]. Низкое значение т в случае хлоропластов обусловлено быстрым переносом электрона с хлорофилла на акцептор. Время жизни возбужденного состояния хлорофилла в фотосистеме II примерно в 10 раз больше (1,5 нс)1) [95].
Обесцвечивание бактериохлорофилла сопровождается появлением сигнала ЭПР со значением g = 1,82; по-видимому, это обусловлено восстановлением первичного акцептора, возможно негемового железа [96]. Судя по другим данным, акцептором является хинон [97] (или убихинон в Rhodopseudomonas). Соответствующей модельной реакцией служит фотовосстановление бензохинона при обесцвечивании хлорофилла, происходящее в спиртовом растворе [98]. Первичным акцептором в: фотосистеме I хлоропластов, по-видимому, является особый Fe-S-белок [99].
Какова химическая природа Хл+? Было высказано предположение, что в стабилизации радикальной ионной формы, образующейся после удаления электрона из кольца III [схема (13-27)], принимает участие карбонильная группа соседнего кольца V. Обратите внимание, что в резонансной структуре, изображенной внизу, нарушается система сопряжения двойных связей в кольце, чем, вероятно, и объясняется обесцвечивание хромофора.
1) По данным экспериментов, недавно выполненных на хлоропластах Chlorella [95а], истинное время жизни возбужденного состояния хлорофилла составляет 0,6 нс, а не 0,13 нс.
В определенных условиях хлорофилл может фотовосстанавливаться; предполагают, что первым фотохимическим актом этого процесса является перенос электрона от одной молекулы хлорофилла на другую в пределах димера или (в бактериях) от молекулы бактериохлорофилла на бактериофеофитин.