Если бы в процессе преобразования световой энергии в химическую принимала участие каждая молекула хлорофилла, то такая система была бы крайне не эффективна, поскольку даже на ярком свету одна молекула поглощает в среднем 1 квант в 0,1 с. В процессе фотосинтеза большинство молекул пигментов выполняет лишь обслуживающую роль сборщиков квантов света, передающих энергию на реакционные центры, где и происходят фотохимические превращения.
В хлоропластах пигменты организованы в светособирающие комплексы (ССК), в которых осуществляется процесс сбора и переноса энергии от антенн на особый тип молекул хлорофилла, входящих в состав реакционного центра и являющихся ловушкой энергии возбуждения. Такая организация процесса сбора и передачи световой энергии обеспечивает более интенсивное функционирование реакционных центров. В результате до 95—99% поглощенной пигментами энергии, попадая в реакционные центры, используется на фотохимическую работу.
Размеры светособирающих комплексов у различных организмов могут широко варьировать. Один реакционный центр могут обслуживать десятки и сотни молекул пигментов, которые поглощают свет и передают энергию возбужденного со-стояния. У водорослей количество обслуживающих пигментов иногда достигает нескольких тысяч. Роль светособирающих комплексов у цианобактерий и красных водорослей выполняют фикобилисомы, в состав которых входят фикобилипротеины.
Во всех антенных комплексах эукариот хлорофиллы а и b, а также каротиноиды связаны с белками.
Выделено 4 типа светособирающих комплексов (ССК) растений. Два из них локализованы в реакционных центрах (внутренние антенны фотосистем II и I) и связывают только молекулы хлорофилла а и -каротина. Два других выполняют функции внешних светособирающих антенн и связывают хлорофиллы а и b, -каротин и другие каротиноиды (лютеин, неоксантин, зеаксантин, антераксантин и виолакаснтин).
Внутренняя антенна фотосистемы II организована на пигмент-содержащих бел-ках СР43 и СР47, которые связывают около 30 молекул хлорофилла а и 2-3 молекулы ?-каротина. На рис. 2.18 показан димер фотосистемы II и его внешний антенный комплекс.
Рис. 2.18. Антенные комплексы: а — фотосистема I (ФС I); б — димер фотосистемы II (ФС II); в — светособирающий комплекс II (ССК II) (Jansson, 1994). СР43 и СР47 — белки фотосистемы II; Lhcа (light-harvestingcomplex 1—6) — пигмент-связывающие белки 1—6
В состав внешнейсветособирающей антенны фотосистемы II входят шесть типов полипептидов (Lhca1—Lhca6). Три из них (Lhca1, Lhca2 и Lhca3) образуют тример (см. рис. 2.18, в) и формируют мобильную антенну — светособирающий комплекс II (ССК II). Каждый мономер ССК II содержит 14 молекул хлорофиллов и 4 молекулы каротиноидов (две молекулы лютеина, одну молекулу неоксантинаи одну молекулу виолаксантина). Мобильная антенна ССК II способна обслуживать не только реакционные центры фотосистемы II, но и фотосистемы I. Остальные пептиды антенного комплекса, называемые минорными, занимают промежуточное положение между ядром фотосистем и ССК II.
В состав внутренней антенны фотосистемы I входят около 90 молекул хлорофилла а и 22 молекулы -каротина. Светособирающий комплекс фотосистемы I (ССК I), образующий внешнюю антенну, содержит четыре типа пигмент-связывающих белков — Lhca1, Lhca2, Lhca3 и Lhca4 и включает 80—120 молекул хлорофиллов а и b и каротиноиды (см. рис. 2.18). Белки ССК I (в отличие от ССКII) менее подвижны и прочно связаны с ядром фотосистемы I. В антенном комплексе пигменты достаточно жестко структурированы и ориентированы относительно друг друга. Помимо этого в ССК имеется большой набор различных спектральных форм пигментов с широким и перекрывающимся спектром поглощения. В результате происходит быстрое (в течение долей пикосекунд) уравновешивание энергии, поглощенной светособирающим комплексом, внутри антенны. В процессах миграции энергии в антенных комплексах участвуют синглетныевозбужденные состояния пигментов, которые в виде синглетных экситонов быстро мигрируют от светособирающих молекул к реакционному центру. Так, перенос энергии возбуждения между молекулами хлорофилла в антенне происходит за 0,3—0,5 пс, а от антенны к реакционному центру за 50—100 пс. Благодаря такой высокой скорости передача энергии возможна без флуоресценции. В антенных комплексах энергия передается от каротиноидов к хлорофиллам b, далее к хлорофиллам а и, наконец, в реакционный центр кдимерамхлорофиллов а П680 или П700 , служащим ловушками энергии возбуждения светособирающих пигментов.
В реакционных центрах энергия возбуждения фотосинтетических пигментов используется для разделения зарядов.
Разделение зарядов в фотосистемах
Реакционными центрами фотосистемназывают хлорофилл-белковые комплексы, способные к первичному фотохимическому разделению зарядов. При этом хлорофилл П680 служит первичным донором электрона в реакционном центре фотосистемы II, а хлорофилл П700 — в реакционном центре фотосистемы I.Обычно время жизни возбужденных электронов ароматических соединений (в том числе и хлорофилла) составляет около 5 нс (5*10-9с). За такое время энергия возбужденного состояния молекулы либо переходит в тепло, либо испускается в виде кванта флуоресценции. Для того чтобы эта энергия могла использоваться для
разделения зарядов и преобразования физической формы энергии в химическую,скорость передачи энергии возбуждения должна быть больше, чем испускание квантов флуоресценции. Поэтому время передачи энергии в реакционных центрах фотосистем должно составлять несколько пикосекунд. Главная особенность первичных процессов фотосинтеза как раз и заключается в том, что отрыв электрона от хлорофилла (первичное разделение зарядов) и восстановление первичного акцептора (феофетина) происходит очень быстро — за 3 пикосекунды (3*10-12 с)!!! Именно поэтому эффективность передачи энергии возбужденного электрона в реакционных центрах фотосистем близка к 100%. Образующаяся при этом окисленная форма хлорофилла П680 приобретает способность отнимать электроны у белков кислород-выделяющего комплекса, а те, в свою очередь, — у воды (см. рис. 2.15). Разделение зарядов в реакционном центре фотосистемы II условно можно разделить на три этапа. На первом этапе под действием света происходит возбуждение молекулы хлорофилла (*П680). На втором этапе электрон передается первичному акцептору феофитину (за 3 пс). При этом хлорофилл переходит в окисленную форму (П+680),а феофитинвосстанавливается (феофитин-). Появление неспаренного электрона в молекуле хлорофилла (П+680) инициирует переход на нее (за 20—260 нс) электрона от кислород-выделяющего центра. Посредником между Mn-кластером кислород-выделяющего центра и П+680 служит редокс-активный остаток тирозина ( Yz ) белка D1. На третьем этапе электрон от восстановленной формы феофетина поступает на первичный хинон QA (за 200 пс), а затем на вторичный хинон QB (за 100 мкс). После этого электроны уже выходят за пределы реакционного центра фотосистемы II и идут на восстановление липидорастворимого пула пластохинонов (1 мс).
Процесс первичного разделения зарядов в фотосистеме I происходит аналогичным путем (рис. 2.16). От возбужденного под действием света П*700 электроны вначале переносятся на первичный акцептор хлорофилл A0 , затем (за 40—200 пс) на вторичный акцептор филлохинон ( A1 ) и на белок FX (за 15—200 нс). Дефицит электронов у окисленного П+700 восполняется за счет их поступления из фотосистемы II через медь-содержащий белок — пластоцианин(за 200 мкс). Затем электроны от белков, содержащих железосерные кластеры FA/FB фотосистемы I, переносятся на ферредоксин. Перенос электрона по фотосинтетической цепи приводит к восстановлению переносчиков и к появлению конечных продуктов — АТФ и НАДФН, которые вступают в ферментативные реакции, средняя скорость которых находится в миллисекундном (10-3c) диапазоне. Под вторичным разделением зарядов понимают процесс генерации на мембране тилакоида градиента протонов. Следует подчеркнуть, что электрохимический градиент ионов водорода, формируемый в процессе разделения зарядов на тилакоидной мембране, представляет собой уже электрическую форму энергии, которая c помощью АТФ-синтазы может быть трансформирована в химическую энергию макроэргической связи АТФ. Необходимо отметить очень высокую эффективность разделения зарядов в фотосистемах. Так, квантовая эффективность разделения зарядов (т. е. доля поглощен-
ных квантов, вызвавших перенос электрона в фотосистемах) близка к 100%. Эффективность же энергетическая (т. е. доля энергии возбуждения, запасенная в результате фотохимического акта) составляет 50—90%.
Электросеть в качестве антенны
