Фотохимический рекцийний центр — комплекс белков, пигментов и других кофакторов, взаимодействие которых обеспечивает реакцию превращения световой энергии в химическую при фотосинтезе. Центр получает энергию или непосредственным возбуждением одной из своих молекул или от свитлозбирного комплекса, в состав которого входят хромофоры вроде хлорофилла и хиноны. Поглощая квант света, молекулы пигментов переходят в возбужденное состояние. Их энергия передается одному из акцепторов электрона. Этим начинается цепочка химических реаций, следствием которых является превращение энергии в химическую.

Реакционные центры есть во всех зеленых растений, водорослей и многих бактерий. Несмотря на то, что различные виды разделены миллиардами лет эволюции, реационно центры гомологичные у всех видов, тогда как существует большое разнообразие свитлозбирних комплексов. Зеленые растения и водоросли имеют два различных типа реакционных центров, относящихся к суперкомплекса фотосинтез I P700 и фотосинтез II P680. Суперкомплеслы большие и имеют много свитлозбирних комплексов, понять взаимодействие которых трудно. Лучше понятны центры реакции бактерий Rhodopseudomonas, имеющие менее полипептидных цепочек.

Реакционный центр организован так, что получает энергию фотона от одной из молекул пигмента и превращает ее в форму, удобную для использования.

Транспорт электрона

Электронное возбуждение молекулы приводит к уменьшению потенциала восстановления, то есть молекула легче отдает электроны, является ключевым фактором в преобразовании энергии электронного возбуждения в химическую. Зеленые растения имеют многочисленные акцепторы электронов, упорядочены в цепочки электронного транспорта, куда входят феофитин, хиноны, пластохинона, цитохромы bf и фередоксины. Завершают цепочку восстановлены молекулы NADPH. Прохождение электрона через транспортную цепочку приводит также к втягиванию протонов с стромы хлоропласта в лумен, благодаря чему образуется градиент протонов в тилакоидний мембране, который клетка может использовать для синтеза АТФ с использованием АТФ-синтазы. Как NADPH, так и АТФ, используются в цикле Кальвина фиксации углерода.

Бактерии

Структура

Понимание структуры реакционных центров и химии биологических процессов усвоения световой энергии пришло благодаря изучению реакционных центров бактерий. Родерик Клейтон первым выделил в 1960-х годах реационно центр пурпурной бактерии. Кристаллическую структуру впервые определили 1982 Гартмут Михель, Иоганн Дайзенгофер и Роберт Губер, по что в 1988 году получили Нобелевскую премию. Значение этого открытия было тем более, впервые был расшифрован структуру любого мембранного белкового комплекса.

Для функционирования реакционного центра важны четыре структурные единицы. Это L и M субъединицы, пронизывающие двойной липидный слой мембраны. Структурно они похожи между собой, обе имеют 5 трансмембранных альфа спиралей. Четыре бактериохлорофилл b (BChl-b), два бактериофеофитины b (BPh), два хиноны (Q A и Q B) и ион железа, связанный с L и M субъединицами. Субъединица H лежит с цитоплазмотичного стороны плазменной мембраны. Цитохрома субъединица содержит 4 геммы с-типа и лежит на периплазмовий поверхности мембраны. Наличие этой субъединицы в бактериях не обязательно. Субъединицы L и M связывают функциональные кофакторы со светочувствительными кофакторами.

Реакционные центры разных видов бактерий могут иметь несколько разные бактериохлорофилл и бактериофеофититы. Благодаря этой изменчивости меняется цвет света, который поглощают бактерии, а это способствует образованию особых ниш фотосинтеза. Реакционный центр включает два пигмента, выполняющих функции сбора и передачи энергии поглощенного фотона: BChl и Bph. BChl напоминает по строению молекулу хролофиру зеленых растений, но, благодаря небольшим структурным различиям, имеет пик поглощения в инфракрасной области с длиной волны до 1000 нм. Bph имеет почти ту же строение, что и BChl, но центральный атом магния в нем замещен двумя протонами. Это замещение приводит как к изменению максимума поглощения, так и к уменьшению восстановительного потенциала.

Механизм

Процесс начинается, когда свет поглощается двумя молекулами BChl (димером) на периплазмовому стороне мембраны. Эта пара, которую часто называют особой, поглощает фотоны с длиной волны 870 и 960 нм в зависимости от вида, а потому ее называют P870 (в rhodobacter sphaeroides) или P960 (rhodopseudomonas viridis). После поглощения фотона в узле L происходит перенос заряда от Bchl к BPh. Пигмент остается положительно заряженным, тогда как BPh получает отрицательный заряд перенесенного электрона. Этот процесс длится примерно 10 пкс.

На этой стадии заряды на особой паре могут рекомбинировать. При этом энергия фотона превращается в тепло. Реакционный центр имеет несколько механизмов предотвращения этого нежелательного процесса. Прежде всего перенос электрона происходит относительно медленно по сравнению с двумя другими окислительно-восстановительными реакциями: переносом электрона от BPh к хинона (Q A) и переносом электрона к пигмента с гемом в цитохрома узле над реакционным центром.

Высокоэнергетический электрон, локализованный на прочно связанной молекуле хинона Q A переходит к молекуле хинона Q B. Эта молекула слабо ассоциированная с белком и легко отрывается. Для того, чтобы полностью восстановить Q B до QH 2 нужны два высокоэнергетические электроны. При этом два протона берутся из цитоплазмы. Восстановленный хинон QH 2 диффундирует через мембрану к другому белкового комплекса — цитохромного комплекса bc 1, где происходит окисление. В этом процессе восстановительный потенциал QH 2 используется для того, чтобы пропомпуваты два протона через мембрану в периплазмовий пространство. Электроны переходят из комплекса bc 1 через посредника c 2 до цитохромной субъединицы в периплазматическое, обеспечивая цикличность транспорта электронов.

Зеленые растения

Фотосинтез с выделением кислорода

1772 химик Джозеф Пристли провел цикл экспериментов с газами, которые участвуют в процессах дыхания и горения. В первом эксперименте от зажег свечу и поместил ее под перевернутый сосуд. Через некоторое время свеча погасла. Далее он провел аналогичный эксперимент с мышью. Мышь умерла вскоре после того, как погасла свеча. Оказалось также, что воздух можно оживить, которая поместить в герметичную емкость зеленые растения, предоставив им доступ к свету. Наблюдение Пристли были одними из первых демонстраций деятельности фотохимических реакционных центров.

1932 профессор Роберт Эмерсон и студент Уильям Арнольд использовали методику вспышек, чтобы точно измерить небольшие количества кислорода, произведенного хролофилом водоросли Chlorella. Своими экспериментами они доказали существование фотохимического центра. Позже Гаффрон и Воль объяснили результаты опыта, поняв, что энергия света, поглощенная хлорофиллом, передается в место, которое получило название фотохимического центра фотосистемы II. Такой процесс присущ цианобактериям, водорослям и зеленым растениям.

Фотосистема II

Фотосистема II производит два электрона, предназначенные для восстановления NADP + в фередоксин-NADP-редуктазы. Она содержится в тилакоидних мембранах внутри хролопластив, где в зеленых растениях видбуаеться фотосинтез. По своему строению она удивительно похожа на фотохимический центр бактерий, что позволяет предположить существование общего предка.

Основными составными частями фотосистемы II есть две субъединицы, которые называют D1 и D2. Эти две субъединицы аналогичные субъединицам L и M фотохимических центров бактерий. Она отличается от субъединиц бактериальных центров дополнительными субодинимцямы с хролофиламы, что повышает ее эффективность. Общую формулу реакции в фотосистеме II можно записать как:

2Q + 2H_2O => O_2 + 2QH_2,

где Q обозначает пластохинона, а QH 2 пластохинол. Процесс восстановления хинона похож на аналогичный процесс в фотохимических центрах бактерий. Фотосистема II получает Электона из воды через процесс фотолиза.

Побочным продуктом этого процесса является молекулярный кислород, и именно благодаря этому зеленые растения обогащают кислородом воздуха. Тот факт, что кислород, который производят зеленые растения, берется из воды, первым теоретизировал Мартин Дэвид Камен. Для того, чтобы отследить путь атома кислорода от воды до молекулярного кислорода, он использовал природный стабильный изотоп кислорода 18 O. Реакцию фотолиза воды в фотохимическом центре фотосистемы II катализирует белковый комплекс с четырьмя ионами марганца.

Как и в фотохимическом центре бактерий процесс начинается с поглощения света парой молекул хлорофилла. Зеленые растения используется хлорофилл-a, а не бактериохлорофилл, благодаря чему поглощают свет с меньшей длиной волны. Пару хлорофиллов фотохимического реакционного центра часто называют P680. После поглощения фотона, Электона с высокой энергией переходят к молекулам феофитин.

Электрон переходит от молекулы феофитин до двух молекул пластохинона, одну прочно прикрепленную, вторую связанную слабо, аналогично тому, как это происходит в бактериальных реакционных центрах. Для полного восстановления слабо связанной молекулы пластохинона нужно два электрона.

Фотосистема II отличается от реакционного центра бактерий источником электронов, нейтрализуют пару молекул хлорофилла-a. В бактериях электроны берутся с восстановленной группы геммы в цитохрома субъединицы или растворимого в воде белка цитохромы-c.

После завершения процесса разделения заряда молекула P680 остается положительно заряженной. Она является очень сильным окислителем и отбирает два электрона у молекул воды, ассоциированных с марганцевой центром, расположенным неподалеку. Кроме четырех ионов марганца этот центр имеет ион кальция, ион хлора и тирозиновых остаток. Эффективность марганца обусловлена ​​тем, что он имеет четыре состояния окисления: Mn 2+, Mn 3+, Mn 4+ и Mn 5+. Кроме того марганец сильно связывается с соединениями, содержащими кислород, например, с водой.

Поглощая фотон, P680 теряет электрон и получает положительный заряд. Этот заряд нейтрализуется, получая электрон от марганцевой центра. Для окисления воды нужно четыре электрона. Именно эти молекулы воды является источником электронов, восстанавливающих две молекулы Q к QH 2. Такой каталичний центр расщепления воды до сих пор не удается воспроизвести никоим искусственным катализатором.

Фотоситема I

Покинув фотосистему II, электрон переносится в цитохромного комплекса b6f, а от него к пластоцианин. Пластоцианиновий комплекс передает электрон следующем фотохимическом реакционной центра, который называют фотосистемой I.

Как и в фотосистеме II и реационно центре бактерий, процесс начинается с пары молекул хролофилу-a, в которой происходит Фотоиндуцированное разделения заряда. Эту пару называют P700, где 700 означает длину волны максимального поглощения молекул хролофилу. P700 расположена в центре молукулы белка. После разделения заряда, электрон переносится через транспортную цепочку в молекулы хлорофилла-α, к молекуле хинона, через три кластера 4Fe-4S в фередоксинового комплекса. Фередоксин является растворимым белком, содержащим кластер 2Fe-2S, координированный четырьмя цистеиновых остатками. Положительный заряд, остается на P700, нейтрализуется переходом электронов с пластоцианин. Общая формула реации в фотосистеме I имеет вид:

Фотохимический реакционный центр

Взаимодействие между фотосистемами I и II создает поток электронов от H 2 O до NADP +. Его называют Z-схеме, поскольку редокс диаграмма от P680 до P700 похожа на букву z.

Изображения по теме

  • Фотохимический реакционный центр