WikiSort.ru - Не сортированное

Структура

Реакционный центр фотосистемы бактерий
Идентификаторы
Pfam	PF00124
InterPro	IPR000484
PROSITE	PDOC00217
SCOP	1prc
SUPERFAMILY	1prc
TCDB	3.E.2
Доступные структуры белков
Pfam	структуры
PDB	RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum	3D-модель

Определение структуры реакционных центров бактерий стало важным шагом на пути понимания химии биологических процессов и усвоения световой энергии. В конце 1960-х годов Дэн Рид и Родерик Клейтон первыми выделили фракцию реакционных центров пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides^[4]. Кристаллическую структуру впервые определили в 1982 году Хартмут Михель, Иоганн Дайзенхофер и Роберт Хубер^[5], за что в 1988 году получили Нобелевскую премию^[6]. Это открытие было особо важным ещё и потому, что реакционный центр фотосистемы бактерий стал первым мембранным комплексом с расшифрованной структурой.

Реакционный центр пурпурных бактерий состоит из трёх субъединиц. Субъединицы L и M пронизывают двойной липидный слой мембраны. Структурно они похожи между собой, обе имеют пять трансмембранных альфа-спиралей, четыре бактериохлорофилла b (BChl-b), два бактериофеофитина b (BPheo), два хинона (Q_A и Q_B) и ион железа между ними, связанный с субъединицами L и M. Субъединица H, показанная на картинке золотистым цветом, лежит с цитоплазматической стороны плазматической мембраны. Цитохромная субъединица, не показанная на рисунке, содержит четыре гема с-типа и лежит на внешней поверхности мембраны. Наличие этой субъединицы в бактериях не обязательно. Основную роль в работе фотосистемы играют коровые субъединицы L и M, связывают функциональные кофакторы и хлорофиллы.

Реакционные центры разных видов бактерий могут иметь несколько разные бактериохлорофиллы и бактериофеофитины. Благодаря этой изменчивости меняется спектр света, который поглощают бактерии, а это способствует образованию особых ниш фотосинтеза. Реакционный центр состоит из димера бактериохлорофилла а, выполняющего функцию сбора и передачи энергии поглощенного фотона, и бактериофеофитина, который первым принимает на себя электрон, осуществляя первичное разделение зарядов. BChl напоминает по строению молекулу хлорофилла зеленых растений, но, благодаря небольшим структурным различиям, имеет пик поглощения в инфракрасной области с длиной волны до 1000 нм. Bpheo имеет почти то же строение, что и BChl, но центральный атом магния в нём замещен двумя протонами. Это замещение приводит как к изменению максимума поглощения, так и к уменьшению окислительно-восстановительного потенциала.

Механизм

Процесс начинается, когда свет поглощается двумя молекулами BChl (димером) на периплазматической стороне мембраны. Эта пара, именуемая специальной парой, поглощает фотоны с длиной волны 870 и 960 нм в зависимости от вида, а потому её называют П₈₇₀ (у Rhodobacter sphaeroides) или П₉₆₀ (Rhodopseudomonas viridis). После поглощения фотона на субъединице L происходит разделение зарядов и перенос электрона от Bchl на BPheo. Пигмент остается положительно заряженным, тогда как BPheo получает отрицательный заряд перенесённого электрона. Этот процесс длится примерно 10 пкс (10⁻¹¹ секунд)^[1].

На этой стадии заряды специальной пары П₈₇₀⁺ и BPheo^- могут рекомбинировать. При этом энергия высокоуровневого электрона будет растрачена на тепло. Реакционный центр имеет несколько механизмов предотвращения этого нежелательного процесса. Так, возврат электрона с BPheo^- на П₉₆₀⁺ происходит довольно медленно по сравнению с другими реакциями. Намного быстрее протекает реакция переноса электрона от BPheo^- (BPheo^- окисляется до BPheo) на хинон (Q_A), а P₉₆₀⁺ в свою очередь забирает электрон от гема с цитохромной субъединицы над реакционным центром (П₉₆₀⁺ восстанавливается до П₉₆₀).

Высокоэнергетический электрон, локализованный на прочно связанной молекуле хинона Q_A, переходит к молекуле хинона Q_B. Эта молекула слабо ассоциирована с белком и легко отрывается. Для того, чтобы полностью восстановить Q_B в QH₂, нужны два высокоэнергетических электрона. При этом два протона берутся из цитоплазмы. Восстановленный хинон QH₂ диффундирует через мембрану к другому белковому комплексу — цитохром-bc1-комплексу, где происходит его окисление. В этом процессе восстановительный потенциал QH₂ используется для того, чтобы закачать два протона через мембрану в периплазматическое пространство. Электроны переходят из комплекса bc₁ на маленький водорастворимый белок цитохром c₂, который переносит их к цитохромной субъединице, обеспечивая цикличность транспорта электронов.

По аналогичному принципу построен реакционный центр зелёных серобактерий, который близок фотосистеме I. Однако, в отличие от реакционного центра пурпурных бактерий, описанного выше, ФС зелёных серобактерий осуществляет линейный, а не циклический транспорт электронов, окисляя сероводород или тиосульфат и восстанавливая ферредоксин.

У зелёных серобактерий реакционный центр состоит из пяти субъединиц: PscA-D. Две субъединицы PscA димеризуются^[чего?] и вместе удерживают кофакторы (одну специальную пару П₈₄₀, бактериохлорофилл а и филлохинон на каждой PscA и один железосерный кластер Fx между ними), при этом каждая из них связывает по одной копии PscD и PscC, последняя несёт на себе гем. Субъединица PscB помещается в центре димера и связывает два железосерных кластера, которые передаю электроны на ферредоксин^{[7][значимость факта?]}.

Оксигенный фотосинтез

В 1772 году химик Джозеф Пристли провёл цикл экспериментов с газами, которые принимают участие в процессах дыхания и горения. В первом эксперименте от зажег свечу и поместил её под перевёрнутый сосуд. Через некоторое время свеча погасла. Далее он провел аналогичный эксперимент с мышкой. Мышь умерла вскоре после того, как погасла свеча. Оказалось также, что воздух можно оживить, если поместить в герметичную ёмкость зелёные растения, предоставив им доступ к свету. Наблюдение Пристли были одной из первых демонстраций деятельности фотохимических реакционных центров.

В 1779 Ян Ингенхауз провёл свыше 500 экспериментов в течение четырёх месяцев в попытке объяснить феномен, открытый Пристли. Он записывал свои открытия в книгу, озаглавленную «Эксперименты над овощами». Ингенхауз брал зелёные растения и погружал их в прозрачную ёмкость с водой. Он увидел множество пузырьков, поднимавшихся к поверхности с листьев растений, каждый раз когда растение выставляли на свет. Он собрал этот газ и провёл несколько экспериментов, чтобы определить его химическую природу. Эксперименты выявили способность газа возобновлять горение тлеющей лучины, то есть оказалось, что это был кислород или, как называл его Джозеф Пристли, «де-флогистонирующий воздух».

В 1932 году профессор Роберт Эмерсон и студент Уильям Арнольд использовали методику вспышек, чтобы точно измерить небольшие количества кислорода, произведенного хлорофиллом 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^[8], которое получило название фотохимического центра фотосистемы II. Такой процесс присущ цианобактериям, водорослям и зелёным растениям^[9].

Фотосистема II

Фотосистема II производит два электрона, предназначенные для восстановления НАДН⁺ при помощи фермента ферредоксин-НАДФ⁺-редуктазы^[en]. Она содержится в тилакоидных мембранах внутри хлоропластов, где в зелёных растениях протекает фотосинтез^[10]. По своему строению она удивительно похожа на фотохимический центр пурпурных бактерий, что позволяет предположить существование общего предка.

Ядро фотосистемы II состоит из двух субъединиц, именуемых D1 и D2. Эти две субъединицы аналогичны субъединицам L и M фотохимических центров бактерий. Она отличается от субъединиц бактериальных центров наличием множества дополнительными субъединиц с хлорофиллами, что повышает её эффективность. Суммарную реакцию, протекающую в фотосистеме II, можно записать как:

${\displaystyle {\begin{matrix}\ &h\nu &\ \\2Q+2H_{2}O&\rightarrow &O_{2}+2QH_{2}\end{matrix}}}$ ,

где Q обозначает пластохинон, а QH₂ — его восстановленную форму. Процесс восстановления хинона похож на аналогичный процесс в фотохимических центрах бактерий. Фотосистема II получает электрон от воды посредством фотохимического окисления. Побочным продуктом этого процесса является молекулярный кислород, и именно благодаря этому зелёные растения обогащают кислородом атмосферу Земли. Тот факт, что кислород, который производят зелёные растения, берется из воды, первым доказал американский биохимик канадского происхождения Мартин Дэвид Камен. Для того, чтобы отследить путь атома кислорода от воды до молекулярного кислорода, он использовал природный стабильный изотоп кислорода ¹⁸O. Реакцию фотохимического окисления воды в фотохимическом центре фотосистемы II катализирует белковый комплекс с четырьмя ионами марганеца.

Как и в фотохимическом центре бактерий, процесс начинается с поглощения света парой молекул хлорофилла. Зелёные растения используют хлорофилл a, а не бактериохлорофилл а, благодаря чему поглощают свет с меньшей длиной волны. Пару хлорофиллов фотохимического реакционного центра часто обозначают в соответствии с их максимум поглощения как П₆₈₀^[1]. После поглощения фотона электрон с высокой энергией переходит к молекуле феофитина. От молекулы феофитина он переходит на две молекулы пластохинона — одну прочно прикрепленную, вторую связанную слабо, аналогично тому, как это происходит в бактериальных реакционных центрах. Для полного восстановления слабо связанной молекулы пластохинона требуется два высокоуровневых электрона и два протона из стромы.

Фотосистема II отличается от реакционного центра бактерий источником электронов, восстанавливающих пару молекул хлорофилла a. В бактериях электроны берутся с восстановленной группы гема цитохромной субъединицы или с растворимого в воде белка цитохрома c₂.

После завершения процесса разделения заряда молекула П₆₈₀ остается положительно заряженной. Она является очень сильным окислителем и отбирает два электрона у молекул воды, ассоциированных с марганцевым центром, расположенным неподалеку. Кроме четырёх ионов марганца этот центр содержит ион кальция, ион хлора и тирозиновый остаток. Эффективность марганца обусловлена тем, что он имеет четыре состояния окисления: Mn²⁺, Mn^{3 +}, Mn⁴⁺ и Mn⁵⁺. Кроме того марганец хорошо связывается с соединениями, содержащими кислород, например, с водой.

Поглощая фотон, П₆₈₀ теряет электрон и получает положительный заряд. Этот заряд нейтрализуется путём получения электрона от марганцевого центра. Для окисления воды нужно четыре электрона. Именно молекулы воды является источником электронов, восстанавливающих две молекулы Q к QH₂. Такой каталитический центр расщепления воды до сих пор не удается воссоздать никакими искусственными методами.

Фотосистема I

Покинув фотосистему II, электрон переносится на цитохром-b6f-комплекс, а от него — на белок пластоцианин. Пластоцианин диффундирует в люмене к следующему реакционному центру — фотосистеме I и переносит электрон.

Как и в фотосистеме II и реакционном центре бактерий, процесс начинается с пары молекул хлорофилла a, в которой происходит фотоиндуцированное разделение заряда. Эту пару называют П₇₀₀, где 700 означает длину волны максимального поглощения молекул хлорофилла. П₇₀₀ расположена в центре молекулы белка. После разделения заряда электрон переносится через транспортную цепочку в молекулы хлорофилла a, к молекуле хинона, через три железосерных кластера 4Fe-4S на ферредоксин^[11]. Ферредоксин является растворимым белком, содержащим кластер 2Fe-2S, координированный четырьмя цистеиновыми остатками. Положительный заряд, оставшийся на П₇₀₀, нейтрализуется переносом электронов электронов от пластоцианина. Общая формула реакции в фотосистеме I имеет вид:

${\displaystyle {\begin{matrix}\ &h\nu &\ \\Pc(Cu^{+})+Fd_{ox}&\rightarrow &Pc(Cu^{2+})+Fd_{red}\end{matrix}}}$

Взаимодействие между фотосистемами I и II создает поток электронов от H₂O до НАДФ⁺. Его называют Z-схемой фотосинтеза, поскольку редокс-диаграмма пути переноса электрона от П₆₈₀ до П₇₀₀ похожа на букву Z^[12].