Фотосинтез и фотокаталитические процессы

Фотосинтез и фотокаталитические процессы.
Фотосинтез первичные процессы переноса электрона
Заключение. В процессе фотосинтеза происходит превращение энергии света в биохимическую энергию. Первичное действие света состоит в том, что в фотохимических реакционных центрах электроны донора переносятся на акцептор в термодинамически невыгодном направлении. По крайней мере часть электронов возвращается по электрон-транспортной цепи к реакционным центрам. Благодаря особому расположению компонентов электрон-транспортной системы в мембране это сопровождается направленным переносом протонов и созданием протонного потенциала. Таким образом, аппарат фотосинтеза-это прежде всего протонный насос, приводимый в действие светом. Протонный потенциал обеспечивает возможность преобразования энергии путем фос- [c.392]
Фотохимическое восстановление хлорофилла, его аналогов и производных органическими восстановителями (аскорбиновой кислотой, цистеином и др.) с образованием продуктов, имеющих повышенную энергию за счет поглощенных квантов света, обнаружил А. А. Красновский спектральным путем и по изменению окислительно-восстановительного потенциала. В темноте происходит без участия кислорода обратный процесс окисления, возвращающий систему в теормодинамически устойчивое состояние. А. А. Красновский предполагает, что фотовосстановление хлорофилла происходит путем перехода на его бирадикал - X электрона от восстановителя НА, после чего последний уже без участия света передает протон окислителю В. Аналогично должны проходить первые стадии фотосинтеза в растениях, где НА — вода или первичные продукты ее восстановления и В — восстанавливающаяся Og или первичные продукты ее фиксации. Таким образом, перенос водорода совершается двумя сопряженными процессами переносом электрона к хлорофиллу и переносом протона к нему же или, что более вероятно, непосредственно к дальнейшим промежуточным продуктам цепи реакций, ведущих к восстановлению СО₂. Упрощенная схема участия хлорофилла в фотосинтезе согласно этим представлениям имеет вид.

Фотореакции. Фотореакции относятся к первичным процессам любого фотосинтеза. Местом, где протекают эти фотохимические окислительно-восстановительные реакции, являются реакционные центры. Реакционный центр состоит из ряда компонентов, наиболее важные из которых первичный донор электронов (особый комплекс из хлорофилла и белка) и первичный акцептор электронов. Эти два компонента представляют собой окислительно-восстановительные системы. Система донора (Р/Р" ) обладает положительным, а система акцептора (Х/Х )-отрицательным потенциалом. Как указывалось, существенным моментом рассмотренных схем является раздельное получение кислорода и водорода в фотопроцессе. В этом отношении они являются моделью первичных стадий фотосинтеза. Если бы удалось разобщить транспорт электронов в фотосинтезирующей системе, то можно было бы ограничить фотосинтез только первичными процессами.

Одним из центральных вопросов биоэнергетики является проблема трансформации энергии, выделяющейся в процессе переноса электронов от субстратов к кислороду в митохондриях (биологическое окисление) или в результате фотолиза воды и переноса электронов на первичные акцепторы (фотосинтез), в энергию макроэргических связей молекул АТР. Эти процессы происходят главным образом в биомембранах, вследствие чего практически все биохимические концепции биоэнергетики связаны с представлениями о биомембранах и мембранных белках.
В главе XI мы. рассмотрим возможность того, что соединения закисного железа могут являться восстановителями в первичном фотохимическом процессе. Такие соединения должны иметь исключительно отрицательные потенциалы (даже ниже, чем у свободных Fe " ), для того чтобы они могли получить обратно свои электроны от воды. Такая роль железных комплексов более подходит для их дыхательной функции, чем для предположенной выше роли окислителей в первичном фотохимическом процессе. Возможно также, что фотохимический процесс фотосинтеза заключается в переносе электронов от железного или иного металлического комплекса, имеющего исключительно отрицательный потенциал, к другому подобному комплексу с исключительно положительным потенциалом. Гипотеза такого рода была предложена Перенос гидроксильных радикалов может осуществиться передачей электронов и рекомбинацией с гидроксильными ионами. Обмен гидроксильных радикалов на водородные атомы, в свое время предполагаемый Франком в качестве первичного процесса в фотосинтезе (см. главу VII), эквивалентен одновременной передаче двух электронов в соединении со сдвигом кислотно-основного равновесия.

Система тилакоидных мембран хлоропласта превраш,а-ет энергию света в форму, которая может быть использована для осушествления химических реакций. Целиком процесс фотосинтеза был схематически представлен на. В приводимом ниже обсуждении фотосинтеза рассматриваются три стадии. Первая стадия представляет собой световую реакцию — первичный процесс, с помош,ью которого энергия света поглощается светособирающими пигментами и переносится на фотохимические реакционные центры. На второй стадии поглощенная энергия света используется для осуществления транспорта электронов от воды до NADP+. В ходе электронного транспорта устанавливается градиент заряда, или концентрации протонов, через функциональные везикулы мембраны. Третья стадия представляет собой путь, по которому NADPH, образованный электронтранспортной системой, и АТР, генерируемый за счет различий электрохимического потенциала протонного градиента, используются для фиксации СО2 и синтеза углеводов. Хотя в целях упрощения процесс фотосинтеза разбит на три стадии, необходимо помнить, что поглощение света, транспорт электронов и генерация электрохимического градиента в действительности очень тесно сопряжены.

Восстановлению углерода в процессе фотосинтеза предшествует цепь сопряженных окислительно-восстановительных реакций. Для первичного акта восстановления за счет активированного светом хлорофилла требуется перенос электрона от молекулы пигмента к восстанавливаемому соединению. Механизм этого переноса окончательно не выяснен. Согласно одной из гипотез, перенос электрона достигается в результате непосредственного химического взаимодействия возбужденной (двухвалентной) молекулы хлорофилла с подлежащим восстановлению соединением (например, НАД).
Уникальность фотосинтеза как физико-химического процесса связана с индуцируемым светом переносом электрона против градиента термодинамического потенциала от соединений с высоким окислительным потенциалом к соединениям с высокой восстановительной силой. Результатом этих — первичных — процессов фотосинтеза, определяющих в основном его специфику, является фотосинтетическое фосфорилирование и фотосинтетическое восстановление пиридиннуклеотидов.
Важнейшее значение для ряда жизненных процессов имеют тс-электронные сопряженные системы порфириновых соединений -производных порфирина . Порфириновые комплексы играют роль первичных факторов фотосинтеза, ко-ферментов и ферментов, участвуют в процессах дыхания и переносе кислорода. Среди огромного числа фундаментальных биохимических и биофизических процессов, ответственных за создание энергетических запасов в живом организме, много таких реакций, которые протекают самопроизвольно при участии ферментных катализаторов - металлопорфириновых комплексов. Эти соединения, находясь в организме, испытывают со стороны окружения влияние, подобное тому, которое возникает при их растворении.
Химические реакции, влекущие за собой дисмутацию энергии , несомненно, встречаются и у хемосинтезирующих бактерий, у которых несколько молекул сравнительно слабого восстановителя используется для образования молекулы (или радикала), способного реагировать с двуокисью углерода. Эта аналогия с хемосинтезом и является главным основанием для введения понятия дисмутация энергии в обсуждение механизма фотосинтеза. Эта концепция делает возможным принять только один тип первичного фотохимического процесса, даже если число таких процессов больше числа элементарных окислительно-восстановительных актов (водородные переносы или электронные переносы), требующихся для завершения основной реакции.
Кооперативный механизм первичной ступени фотосинтеза включает взаимодействие в реакционном центре фотосинтезирующей системы двух электронно-возбужденных молекул хлорофилла — одной в синглетном, другой в триплетном возбужденных состояниях. Физический путь такой кооперации состоит в первичном индуктивно-резонансном синглет-триплетном переносе энергии от одной молекулы хлорофилла к другой, возбужденной предварительно в сравнительно долгоживущее триплетное состояние. Образовавшаяся дважды возбужденная молекула хлорофилла с запасом энергии 281—294 кДж и осуществляет первичный фотохимический процесс.
Чрезвычайно быстрый ответ каротиноидов на освещение фотосинтетических мембран (менее чем через 20 не) указывает на то, что они регистрируют какие-то первичные процессы переноса заряда в мембране, хотя сами и не участвуют в процессах фотосинтеза. Начальная фаза ответа каротиноидов коррелирует, по-видимому, с переносом электронов от Р на X. Это указывает на возможную электрогенность первичных реакций фотосинтеза, т. е. на сопряженный с ними перенос заряда через мембрана.
Один из наиболее важных процессов миграции энергии осуществляется в фотосинтезе. Здесь происходит перенос энергии от фикоэритрина и фикоцианина на хлорофилл в направлении реакционного центра, где происходит первичный акт фотосинтеза (подробнее см. гл. XXVH). Электронная энергия может переноситься в биологических системах и в процессе транспорта электронов по общей схеме D- + A D +А-. 
Ассимиляция солнечной энергии, т.е. превращение световой энергии в химическую, стартует с поглощения кванта света светособирающими молекулами (антеннами) на поверхности мембраны. Электронное возбуждение безизлучательно передается специальным молекулам внутри мембраны - димерам хлорофилла. Эти димеры хлорофилла входят в состав молекулярных образований, которые называются РЦ фотосинтеза. РЦ фотосинтеза - это достаточно жесткий молекулярный комплекс (молекулярный аппарат). Далее в РЦ происходит процесс разделения зарядов возбужденный димер хлорофилла отдает электрон первичному акцептору электрона. Этот процесс происходит в пикосекундном диапазоне времен. Например, в РЦ пурпурной бактерии в качестве первичного акцептора выступает бактериофеофитин, электрон живет сотни пикосекунд на фео-фитине и переносится на первичный хинон Рд.
Основные научные работы посвящены исследованию сверхбыстрых химических реакций импульсными методами. Совместно с Р. Дж. Р. Норришем соацал (1950) первую установку импульсного фотолиза. Ими впервые были получены спектры поглощения многих простых свободных радикалов, изучен механизм их превращений, показано существование быстрых рекомбинационных процессов. Им удалось зарегистрировать спектральную картину развития реакции хлора с кислородом, инициируемую световым импульсом. Исследовал быстрые реакции в кондеч-сированной фазе. Предложил метод определения абсолютного квантового выхода триплетных состояний. Разработанные им приемы изучения деградации энергии триплетных молекул позволили представить детальную картину быстрых процессов, следующих за фотовозбуждением. Установил основные кинетические закономерности реакций переноса электрона и атома водорода. Определил константы кислотно-основного равновесия для синглетных и триплег-ных состояний ароматических молекул нашел связь между константами скорости реакций и природой возбужденного состояния. Исследовал механизм первичных фотохимических реакций на модельных системах фотосинтеза. Одним из первых создал установки импульсного лазерного фотолиза.
Данные, подтверждающие концепцию о существовании двух различных фотосистем, еще не позволяют оценить относительный вклад каждой фотореакции в общий процесс. Одно из слабых мест в схеме переноса электронов, представленной на фиг. 219,— допущение равного участия обеих фотосистем по одному фотону на эквивалент. Тогда возникает вопрос, как поглощенные кванты распределяются между двумя фотореакциями, так чтобы обеспечить образование первичных фотопродуктов в нужном соотношении Были выдвинуты две гипотезы. Согласно первой из них — так называемой гипотезе раздельной упаковки ( separate pa kage ), существуют две полностью раздельные фотосистемы, причем каждая из них имеет свой собственный набор пигментов. Передача энергии может происходить между пигментами данной системы, но не от одной системы к другой. По этой гипотезе выход может быть максимальным (т. е. усиление отсутствует) именно при тех длинах волн, при которых поглощение каждой пигментной системы и выходы отдельных фотореакций равны. Тогда анализ спектров действия, приведенных на фиг. 226 и 227, наводит на мысль, что вспомогательные пигменты, которые сенсибилизируют фотосинтез очень эффективно, почти поровну разделены между двумя системами (с фотосистемой II связано несколько больше пигмента). Обе системы содержат также одну или более форм хлорофилла а. У зеленых растений эти системы содержат примерно равное количество хлорофилла а, за исключением длинноволнового компонента, который сенсибилизирует только систему I. У сине-зеленых и красных водорослей система I содержит значительно больше хлорофилла а, чем система II. Такое несоответствие приводит к тому, что не все фотопродукты системы I находят партнеров по реакции из системы II, и, следовательно, общая эффективность в той области, в которой в основном поглощает хлорофилл, будет низкой.
В книге изложены представления о переносе электронов и трансформации энергии в биомембранах, биофизике сократительных систем и процессах рецепции. Подробно представлен материал о биофизике фотобиологических процессов. Описаны первичные процессы фотосинтеза и другие биологические процессы в биологических системах трансформация энергии и электронно-конформационные взаимодействия в первичных процессах фотосинтеза фотохимические реакции бактериородопсина и родопсина фоторегуляторные и фотодеструктивные процессы. ]
В основе первичных процессов фотосинтеза ППФ лежит сложная совокупность окислительно-восстановительных реакций переноса электрона между компонентами электрон-транспортной цепи ЭТЦ. Наибольший интерес представляют механизмы трех основных стадий трансформации энергии в ННФ поглощение света фотосинтетическими пигментами и миграция энергии электронного возбуждения на РЦ фотосинтеза первичное разделение зарядов и трансформация энергии в РЦ перенос электрона по ЭТЦ и сопряженные с ним процессы, приводящие к образованию первичных стабильных продуктов (НАДФ и АТФ), используемых в дальнейших темновых реакциях фиксации СО2 и образования конечных продуктов фотосинтеза.
Опытами Л. Н. М. Дюйзенса (1961) на водорослях методами абсорбционной дифференциальной спектрометрии показано, что длинноволновый свет (X > 680 нм) вызывает окисление цитохрома / (регистрировалось по уменьшению поглощения при 420 нм). Использование коротковолнового освещения (X 562 нм) приводило к частичному восстановлению цитохрома / (рис. XXVII.3). Ингибитор фотосинтеза ДХММ (3-(3,4-дихлорфенил)-1,1-диметилмочевина), или диурон, снимал восстанавливающее действие коротковолнового света. Согласно Z-схеме (см. рис. XXVII.2), дальний красный свет окисляет цитохром, отбирая от него электроны для восстановления первичного окислителя, образуемого ФС I. Коротковолновый свет восполняет убыль электронов на цитохроме за счет восстановления его ФС II. Диурон блокирует этот процесс, что приводит к ингибированию выделения О2. Объект можно освещать двумя последовательными вспышками света вначале красного (X < 680 нм), затем дальнего красного света (X > 680 нм). Тогда электроны, освобожденные в ФС II в ответ на первую вспышку, достигнут через определенное время цитохрома /, который затем окислится фотосистемой ФС I под действием второй вспышки. Варьирование интервала времени между вспышками позволяет определить время, необходимое для переноса электрона на цитохром от ФС II оно составляет 5 10 с.
Очевидно, в тех закрытых соотояниях, где Р исходно окислен в темноте в ЭТЦ отсутствует первичный донор электрона. В случае, когда в темноте исходно восстановлены переносчики в акцепторной части, вакантные места для переноса электрона заняты и Р также не может дать начало электронному потоку. Очевидно, в этих условиях возрастает выход р и длительность т флуоресценции хлорофилла, энергия электронного возбуждения которого не может использоваться в первичных процессах фотосинтеза. Однако значения т и р при закрытых РЦ не достигают величин, характерных для разбавленных растворов пигментов, где отсутствует фотосинтез. Дело в том, что ион-радикал Р+, образованный в окисленных РЦ, обладает собственным спектром поглощения, который частично перекрывается со спектром флуоресценции пигментов ПБК. В результате этого происходит миграция энергии возбуждения от молекул ПБК на Р или диссипация в тепло на Р . В РЦ в состоянии PIQ появление отрицательного заряда на Q препятствует первичному разделению зарядов и появлению электрона на I PIQ Р I Q ) в силу электростатического отталкивания.
Одной из центральных проблем биофизики является выяснение механизмов начального разделения зарядов в РП и транспорта электронов между переносчиками в первичных процессах фотосинтеза. Эта проблема по своей важности выходит за рамки фотосинтеза, а ее решение приобретает принципиальное значение для понимания глубоких механизмов функционирования биологических макромолекул. В многокомпонентных макромолекулярных комплексах переносчиков, объединенных в единый РЦ, начиная о самых первых этапов (т < 1 пс) происходит высокоэффективный и направленный транспорт электронов. Добавим, что в пределах РЦ перенос электрона может происходить с высокой эффективностью и при сверхнизких температурах (100 К-4 К). Очевидно, обычные диффузионные механизмы химических реакций в растворах по типу сталкивающихся частиц не в состоянии обеспечить такого рода перенос электрона в плотной белковой среде. Мы видели (гл. XXVH), что в основе этого лежит туннелирование электрона, сопряженное с колебательными и конформационными изменениями в белковой матрице (гл. ХП1).
В настоящей главе мы рассмотрим механизмы электронных переходов, сопряженные с колебательными и конформационными степенями свободы, которые ответственны за высокие скорости и эффективность начального разделения зарядов и переноса электрона в РЦ фотосинтеза высших растений и бактериального типа. Мы будем опираться на схемы первичных процессов, которые были приведены в предыдущей главе (XXVII), а также на экспериментальные данные по кинетике переноса электрона в РЦ.
В задачу биофизики входит выяснение механизмов начальных стадий, которые следуют непосредственно за поглощением кванта света. Как мы увидим, несмотря на большое разнообразие фотобиологических эффектов, именно начальные этапы преобразования энергии света характеризуются общими молекулярными механизмами. В основе первичных процессов фотосинтеза лежит сложная совокупность окислительновосстановительных реакций переноса электрона в элек-трон-траспортной цепи (ЭТЦ).
Первичный акт, посредством которого энергия, освободившаяся при окислении неорганических соединений хемосинтезирующими бактериями или воспринятая фотосинтезирующими организмами, превращается в доступную для использования в химическом синтезе форму, состоит в трансформации этой энергии в энергию макроэргической связи АТФ. Иначе говоря, энергетическое обеспечение синтеза простых углеводов начинается с синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Можно предполагать, что процесс хемосинтетиче-ского и фотосинтетического фосфорилирования идет, в общем, аналогично окислительному фосфорилированию (см. гл. X), т. е. перенос электронов при хемосинтезе и фотосинтезе вовлекает ряд энзиматических систем мембранного аппарата бактериальных и растительных клеток, результатом чего является возникновение мембранного потенциала—истинного двигателя реакции фосфорилирования аденозиндифосфорной кислоты АДФ+НзР04- АТФ+Н20.
Разумеется, на пути к максимальной краткости нельзя обойтись без жертв, возможно не всегда оправданных. Некоторые аспекты проблемы хотелось бы видеть более полно и глубоко орвещенными. На наш взгляд, это в первую очередь касается первичных процессов фотосинтеза и в особенности вопроса о реакционных центрах фотосинтеза и механизме их действия. Фотосинтез как специфический фотоэнергетический процесс отличается от других биохимических темновых процессов прежде всего теми первоначальными звеньями, благодаря которым энергия кванта трансформируется в энергию химической связи. Это — поглощение квантов молекулами. пигмента, перенос энергии электронного возбуждения в фотосинтетической единице, разделение зарядов и первичная стабилизация энергии в реакционных центрах. Именно здесь, в этих звеньях, преодолеваются наибольшие и специфические для фотосинтеза трудности, связанные с необходимостью сопряжения столь различных процессов, как поглощение электромагнитного излучения и биохимические реакции. И современные исследования шаг за шагом вскрывают механизм этих процессов, показывая, каким образом природа преодолела эти трудности и, создав уникальную молекулярную организацию фотосинтетических единиц реакционных центров, обеспечила высокую скорость и эффективность запасания энергии света (увы, пока еще не достигнутые в искусственных фотохимических системах ). Неудивительно поэтому, что изучение первичных процессов и в особенности реакционных центров фотосинтеза — одно из наиболее быстро развивающихся направлений, успехи которого основаны на использовании самых современных физических методов исследования (в частности, сверхбыстрой (пикосекундной) лазерной спектроскопии) и па объединении идей целого ряда наук от молекулярной биологии до квантовой механики. Несомненно этим достижениям должно быть уделено большее внимание несмотря на те очевидные трудности, которые возникают при изложении физических аспектов фотосинтеза.
Не все стадии в процессе фотосинтеза являются выясненными и строго доказанными. Однако несомненно, что возбужденный светом хлорофилл является донором электронов, восстанавливая при участии атомов водорода из воды НАДФ до НАДФ-Нг, и, с другой стороны,— акцептором электронов, которые от ОН-ионов воды через цитохром возвращаются на хлорофилл или расходуются на образование АТФ. В то время как первичные фотофизические процессы при фотосинтезе заключаются в поглощении и переносе энергии квантов света, первичные фотохимические процессы заключаются прежде всего в образовании трех веществ молекулярного кислорода, восстановленного НАД или НАДФ и АТФ.
Во всех фотобиологических процессах энергия света необходима для преодоления активационных барьеров химических превращений. Однако в фотосинтезе при этом происходит непосредственное запасание световой энергии и виде энергии химических связей, конечных продуктов (глюкоза), поскольку последние обладают большим запасом свободной энергии по сравнению с исходными веществами (СО2 и Н2О). В остальных фотобиологических процессах свет также индуцирует фотохимические реакции, но в их продуктах не содержится избытка свободной энергии по сравнению с исходными веществами. Тем не менее и в этих случаях в последующих за фотохимической стадиях темновых процесах могут инициироваться сложные физиолого-биохимические превращения, в ходе которых мобилизуются большие количества свободной энергии, ранее запасенной в биоструктурах. Конечные результаты такого рода превращений (например, стимулирующее действие света на морфогенез, биосинтез пигментов, фотостимуляция дыхания) по общему энергетическому эффекту могут быть весьма велики, хотя непосредственного запасания энергии света при этом и не происходит. Последовательность превращений в фотобиологических процессах может включать следующие стадии поглощение света хромофорной группой и образование электронно-возбужденных состояний миграция энергии электронного возбуждения первичный фотофизический акт и появление первичных фотопродуктов промежуточные стадии, включая перенос заряда, образование первичных стабильных химических продуктов физиологобиохимические процессы конечный фотобиологический эффект.

Димерная структура фотоактивного Бхл в бактериальных РЦ вызывает интерес исследователей, тем более, что есть указания на подобное устройство первичного донора электрона и у высших растений. Возможно, что такое строение фотоактивного пигмента обеспечивает какие-то определенные преимущества в первичном акте фотосинтеза. Так, высказываются предположения, что димерная структура Р способствует эффективному первичному захвату фотовозбуждения до отрыва электрона и переноса его в цепь переносчиков. Это происходит благодаря сверхбыстрому разделению зарядов в самом димерном комплексе с быстрой (за сотни фемтосекунд) сопутствующей поляризацией ближайшего белкового окружения. Имеются и доводы в пользу прочной стабилизации во времени положительного заряда на Р, образованного при его фотоокислении, в результата делокализации дырки по структуре димера. Это способствует замедлению бесполезных обратных рекомбинационных процессов. Последнему благоприятствует в димере наличие большого числа степеней свободы для небольших структурных изменений, которые сопровождают фоторазделение зарядов (см. гл. XXVHI).

По фотофосфорилированию у растений выполнено огромное число научных работ [1707, 1870]. Сравнительная роль нециклического и циклического фотофосфорилирования была установлена исследователями школы Арнона [1338]. Было показано, что в противоположность бактериям, у которых преобладает циклический процесс, у растений в фотосинтезе доминирующим фотохимическим процессом, по-видимому, является нециклическое фотофосфорилирование, поскольку, кроме того что оно поставляет АТФ, оно также представляет собой единственный механизм, выполняющий перенос водорода (через ТПН) от воды к СОг. Таким образом, циклическое фотофосфорилирование у растений, вероятно, удовлетворяет потребность в АТФ для ассимилирования углерода, которая не удовлетворяется полностью нециклическим фотофосфорилированием.