Связывание пигментов в пигмент-белковых комплексах. Понятие и принцип строения фотосистемы.

Две пигментные фотосистемы – это две машины, движущие фотосинтез на световой стадии. Каждая состоит из реакционного центра и ансамбля молекул – светособирающих пигментов (пигмент-белковый комплекс – ПБК. Каждой фотосистеме соответствует свой отдельный набор пигментов, а также связанных с ними переносчиков электронов и в каждой фотосистеме происходят свои, только ей присущие фотосинтетические реакции.

В состав ФС I входят первая пигментная система с Р₇₀₀, мономерная форма Хл а₆₉₅, белки, содержащие железо и серу, 1–2 молекулы ферродоксина, по 1 молекуле цитохрома и пластицианина и 2 молекулы цитохрома b₆;В состав ФС II – вторая пигментная система с Р₆₈₀, 4 молекулы пластацианина, 2 молекулы цитохрома b₅₅₉ и 6 атомов марганца. В ЭТЦ входит и пул пластахинонов – липидрастворимых переносчиков е^– и Н⁺.

В состав светособирающих пигментов (светособирающие антены) входят: каротин, Хл а₆₆₂, а₆₇₀, а₆₇₇, а₆₈₄, а₆₉₂ (ФС I) и ФС II: а₆₂₂, а₆₇₀, а₆₇₇. Кроме того, имеется еще светособирающий белковый комплекс (ССК).

Рис. 2.9. Схема организации ФС I и ФС II

Считают, что при низкой интенсивности света собственные антенны ФС I и ФС II поглощают мало квантов света и поэтому не могут поддерживать необходимой скорости фотосинтезирующих реакций, и нужен дополнительный приток энергии, который обеспечит ССК. Наоборот, при высоких интенсивностях света пигментным системам не нужно столько энергии и поэтому они содержат значительно меньше ССК. В состав ССК входят ксантофиллы, хлорофилл b, некоторое количество хлорофилла а. ССК передает поглощенную энергию на ПБК и затем на реакционный центр. Получив эту энергию, специальная форма хлорофилла в реакционном центре переходит в возбужденное состояние (Хл^*). Хл^* обладает очень высокой реакционной способностью и является сильным восстановителем.

Рис. 2.10. Схема взаимодействия пигментов ФС I, ФС II и светособирающего комплекса

В окислительно-восстановительной системе А/А^– происходит восстановление А до А^–. От А^– электрон переходит дальше и через другие компоненты электрон-транспортной цепи в конечном счете переносятся на НАДФ⁺. Хлорофилл, который отдал электрон, переходит в состояние свободного катиона – радикала Х⁺. Он возвращается в основное первичное состояние, получив электрон восстановленной формы Д^– – второй окислительно-восстановительной системы Д/Д^–. Окисленный Д восстанавливается до Д^–, получая электрон от воды. Рис. 2.11. Упрощенная схема работы пигментной системы

ФС (II) и ФС (I) размещаются последовательно в цепи транспорта электронов от Н₂О до НАДФ⁺. Для восстановления одной молекулы НАДФ⁺ в процессе фотосинтеза необходимо два электрона и два протона, при этом донором электронов является вода. Фотоиндуцированное окисление воды происходит в ФС II, восстановление НАДФ⁺ – ФС I. Таким образом, фотосистемы должны функционировать во взаимодействии.

Исходя из данных квантового выхода фотосинтеза (количество выделенного О₂ или связанного СО₂ на 1 квант поглощенной энергии), необходимо восемь квантов света для выделения одной молекулы О₂; из состава компонентов ФС I и ФС II и величины окислительно-восстановительного потенциала была разработана схема последовательности реакций в световой стадии фотосинтеза. Из-за подобия с буквой Z эта схема получила название Z-схемы. ФС I – единственная, имеющаяся у бактерий, работает без участия кислорода; эта ФС, вероятно, имела преимущества на ранних этапах биологической эволюции, когда кислорода в земной атмосфере было мало. С развитием ФС II растения получили возможность выделять молекулярный кислород из воды. Вероятно, это обстоятельство и определило изменения свойств земной атмосферы: из анаэробной она стала аэробной. Таким образом, фотохимическую работу у высших растений, выполняемую при фотосинтезе, в конечном счете, можно свести до разложения воды.

Реакционный центр ФС II включает кислород выделяющий комплекс, хлорофилл Р₆₈₀, первичный акцептор электронов феофитин (Фео) – производное Хл, в котором Mg замещен протонами, и вторичные акцепторы – молекулы монохинона (Q_н и Q_в), а также пластохинон (Q). Ядро реакционного центра ФС II составляют два мембранных белка (D₁ и D₂) с молекулярной массой (ММ) 32 и 34 кД. Оба белка имеют по пять трансмембранных петель и служат основой для связывания большинства простетических групп, выполняющих функции переносчиков электронов. Другие белки (43 и 47 кД) ФС II входят в состав комплекса светособирающих пигментов или участвуют в выделении кислорода при фотоокислении воды (33, 23, 16 кД). Функции остальных белков с небольшой ММ, например цитохрома b₅₅₉ и других, пока неизвестны.

В кислородвыделяющий комплекс входит Mn-содержащий пул и как кофакторы кальций и хлор. Посредником между кислородвыделяющим центром и хлорофиллом Р₆₈₀ является остаток аминокислоты тирозина (Y_z) белка D₁.

Реакционный центр ФС I включает первичный донор электронов Хл Р₇₀₀, первичный акцептор – Хл а (А₀), промежуточный акцептор – филлохинон (А₁), вторичные акцепторы – железосерные белки (F_X, F_A, F_B), водорастворимы железосерный белок ферредоксин (Ф_Д), растворимый флавопротеин – ферредоксин-НАДФ-редуктазу (Ф_П). ФС I представляет собой интегральный пигментбелковый комплекс с ММ около 340 кД.

Комплекс цитохром b₆/f состоит из цитохрома b₆, цитохрома f, железосерного белка Риске и субъединицы IV. Цитохром b₆ и субъединица IV являются наиболее гидрофобными элементами комплекса. Простетическая группа цитохрома f представлена гемом с-типа, а аналогичная группа цитохрома b₆ состоит из двух гемов b-типа, ковалентно связанных с остатками гистидина. Один гем называют высокопотенциальным (Н), второй низкопотенциальный (L).В передаче электронов от ФС II, а именно от комплекса b₆/f к ФС I участвует пластоцианин (водорастворимый белок, содержащий два атома меди.