Механизмы переноса электрона при фотосинтезе. Сопряжение окислительно-восстановительных реакций с трансмембранным переносом протона

Последовательность отдельных реакций в фотобиологических про­цессах включает следующие стадии: поглощение кванта света хромофорной группой и образование электронно-возбужденных состояний -> миграция энергии электронного возбуждения-> o первич­ный фотофизический акт и появление первичных фотопродуктов —> образование первичных стабильных химических соединений -> физиолого-биохимические процессы -> конечный фо­тобиологический эффект.

В основе первичных процессов фото­синтеза лежит сложная совокупность окислительно- восстановительных реакций переноса электрона в электрон-траспортной цепи (ЭТЦ). (Картинка Z-схема)

ФС2 и ФС1 функционируют последова­тельно: донором электронов для ФС1 служат восстановленные в резуль­тате действия ФС2 фотопродукты. Дальний красный свет (лямбда > 680нм) поглощается преимущественно пигментами ФС1 и вызывает окисление цитохрома, который восстанавливается ФС2 при поглощении коротко­волнового света (дл.волны < 680нм). Оптимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается при определенном соотношении между количеством воз­бужденных ФС1 и ФС2, которое зависит от спектрального состава света. Поглощение света происходит пигментами светособирающего (СС) пиг­мент - белкового (ПБ) комплекса (ССПБК), от которого, как из резервуа­ра, энергия возбуждения передается на пигмент - белковые комплексы ФС1 и ФС2 (ПБК1 и ПБК2) и далее непосредственно к реакционным центрам РЦ1 и РЦ2. В зависимости от конформационного состояния фотосинтетических мембран изменяется топография распо­ложения ПБК1 и ПБК2 , их связь с ССПБК, и распределение энергии возбуждения между ФС1 и ФС2. Это определяется присутствием ионов в среде, рН среды, степенью фосфорилирования и поверхностным зарядом белков ССПБК.

Основной принцип работы РЦ заключается в том, что при попада­нии возбуждения от (ПБК) в фотоактивный пигмент (Р) самого РЦ про­исходят отрыв электрона и восстановление первичного акцептора (А₁), который затем передает электрон следующему акцептору (А₂) и так да­лее по ЭТЦ. (картинка - передача е)

Восстановление Р+ происходит затем от доноров электрона в ЭТЦ. В качестве A1 в РЦ выступают производные порфириновых моле­кул (например, феофитин в РЦ2), а роль вторичного акцептора выпол­няют молекулы хинона (РЦ пурпурных бактерий), пластохинона (РС2) или железосерные белки (РЦ1). Эффективность отрыва электрона от Р+ и переноса его на А₁ достигает 95 - 98% и происходит за времена не­сколько пикосекунд (1пс=10-12 с). Если в РЦ исходно в темноте вторичный акцептор химически восстановлен, то после появле­ния электрона на А₁ происходят его рекомбинация с Р+ за 5 - 10 нс и появление Р+. Это сопровождается замедленным свечением. (картинка – замедленное свечение).

В РЦ пурпурных бактерий кинетика переноса электрона между Р (димер бактериохлорофилла), A₁ (бактериофеофитин БФФ), А₂ (первичный хинон Q_A), Аз (вторичный хинон Qb)

–

Общая схема первичных процессов бактериального типа,

где внешним источником электронов для восстановления НАД служит сереводород, органические молекулы. Цитохром С_Н обеспечивает цик­лический поток электронов, а цитохром Cl - связь циклического перено­са с внешними донорами электронов. + картинка реакции в РЦ пурпурных бактерий.

Важнейшая особенность функционирова­ния РЦ состоит в том, что отдельные стадии переноса электрона могут протекать эффективно и при низких температурах, вплоть до температур жидкого азота и жидкого гелия.

Первичный хинон, получив в РЦ электрон, изменяет характер своего движения и переходит на другую конформационную координату, соответствующую его восстановленному состоянию. Здесь он, достигнув определенного контактного состояния со вторичным хиноном, отдает ему электрон. При низких температурах подвижность первичного хинона падает, а следовательно, уменьшается и эффектив­ность переноса электрона от него на вторичный хинон. Если, однако, образец медленно охлаждать в условиях постоянного интенсивного ос­вещения, когда в результате действия света и отрыва электрона от Р мо­лекулы первичного хинона в основном находятся в восстановленном состоянии, то картина существенно изменяется.

Картинка «передача е на пул Пх». Семихиноныхарактеризуются поглощением в спектральной области 320-450 нм (первая вспышка). После второй вспышки света происходит образование дважды восстановленного хинона Q^2-_B и исчезновение полосы поглощения семихинона. Моле­кула Q^2-_B протонируется из внешнего окружения и обменивается с одной молекулой хинона из пула Пх, занимая ее место. Система возвращается в исходное состояние с той лишь разницей, что одна молекула пула теперь протонирована: ПхН₂. Третья вспышка опять приводит к образованию семихинонных ради­калов и соответствующему увеличению поглощая. Картинка «общая схема процесса». Образованный дважды восстановленный вторичный хинон Q_вH₂ быстро окисляется при достаточно высоких окислительно-восстановительных потенциалах среды. Семихинонный вторичный акцептор более стабилен и медленно оки­сляется за счет реакции с окисленной формой медиатора.