Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   BOAI: наука должна быть открытой Обратите внимание!
 
  Наука >> Биология >> Биохимия | Обзорные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

Обзорные статьиА.Б. Рубин. Биофизические методы в экологическом мониторинге

Обзорные статьиА.Б. Рубин. Биофизические методы в экологическом мониторинге: (1)

В начало...

Первичные процессы фотосинтеза. А. Б. РУБИН. Продолжение

МЕХАНИЗМ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНА
На рис. 2 видно, что в реакционных центрах происходит быстрый перенос электрона на большие межмолекулярные расстояния, с одной стороны мембраны на другую (до 50). Например, перенос электрона от Р * на первичный хинон QA происходит за 150 пс на расстояние порядка 50. В этом процессе активная роль принадлежит белковому окружению молекул-переносчиков. Дело в том, что белок не является пассивным местом расположения переносчиков, а сам принимает активное участие в транспорте. Состояние белка играет непосредственную роль в обеспечении электронного транспорта в цепи фотосинтеза.

 


Рис. 2. Схема переноса электрона в реакционных центрах бактериального типа. Электрон переносится от Р к I и затем на QA и QВ с одной стороны мембраны на другую на общее расстояние ~ 50

Механизмы переноса электрона изучают в биофизике методами низкотемпературной фиксации объекта, которые позволяют исследовать кинетику процессов при пониженных температурах. Принципиальным результатом, который показал своеобразие первичных процессов фотосинтеза, является то, что процесс переноса электрона при низких температурах (-196њС) протекает в реакционных центрах с высокими скоростями. Впервые это было установлено в начале 60-х годов при изучении реакции окисления цитохрома (вторичный донор D ) фотоактивным бактериохлорофиллом (Р870) после действия кванта света. Данные о температурной зависимости скорости процесса (рис. 3) показывают, что перенос электрона в этой системе совершается при температуре ниже 100 К, то есть при температуре жидкого азота со скоростями, в общем близкими к скоростям переноса при комнатной температуре.

Рис. 3. Кривые температурной зависимости скорости переноса электрона от цитохрома (С) на фотоактивный пигмент (Р) в нормальных (Н2О) и дейтерированных (D2О) реакционных центрах. Видно, что при температурах Т < 100 К перенос электрона не зависит от температуры

В основе этого лежит так называемый туннельный эффект - квантовомеханическое явление. Электрон переносится между двумя молекулами переносчиков, разделенных барьером, в условиях, когда энергия электрона недостаточна для преодоления этого барьера. В классической физике в этих условиях перенос электрона был бы невозможен, поскольку при низких температурах он не может получить необходимую для преодоления барьера энергию. Квантовомеханический эффект состоит в том, что в силу своей волновой природы электрон как бы просачивается под барьером. Отсюда и название - туннельный перенос. Электрон туннелирует от одного переносчика к другому с вероятностью, которая зависит от ширины и высоты барьера: она экспоненциально уменьшается с увеличением этих параметров.
Принципиальным обстоятельством является то, что в экспериментах перенос электрона в фотосинтетической цепи в реакционных центрах происходит с очень большой эффективностью и, следовательно, он должен происходить необратимо. Однако туннельный перенос возможен в принципе как от донора к акцептору, так и в обратном направлении. И в случае, если молекулы обладают одинаковыми размерами, эффективность переноса электрона составляет всего около 50%. Для того чтобы сделать перенос необратимым, нужно, чтобы во время пребывания электрона на молекуле акцептора он успел потерять часть энергии. Тогда совпадение уровней между донором и акцептором будет нарушено. Если при этом электрон успел локализоваться на акцепторе, то он уйдет дальше в цепь переносчиков и перенос на этом участке станет необратимым.
Таким образом, основное условие состоит в том, что при туннелировании электрона часть его энергии должна теряться. Потеря электронной энергии происходит в колебаниях легких атомных групп белка, содержащих водород. Время этих колебаний составляет несколько пикосекунд. Это намного меньше, чем время туннелирования электрона от цитохрома на Р870 , которое занимает около микросекунды (рис. 4).

Рис. 4. Схема туннельного переноса электрона между цитохромом (С ) и фотоактивным пигментом (Р +). При туннелирование часть энергии электрона теряется и переходит в энергию колебаний легких атомных групп белка, содержащих водород или энергию вращения молекул воды. Это делает туннельный перенос необратимым

Смещения расстояний, которые при этом происходят у колеблющихся ядер, незначительны - меньше 0,01. Если в таких образцах провести дейтерирование - заменить водород на дейтерий в белке, то, поскольку дейтерий обладает большей массой, колебания замедлятся и соответственно скорость переноса электрона тоже должна замедляться. Это и происходит в экспериментах. Процесс туннелирования лежит в основе переноса электрона на многие межмолекулярные расстояния в фотосинтетических мембранах. Надо отметить, что туннельный перенос настолько эффективен, что происходит даже при комнатной температуре с большей эффективностью, чем обычный надбарьерный активационный перенос.
Современная биофизика показывает совершенно определенную взаимосвязь между внутримолекулярной подвижностью белка РЦ и переносом электрона. Например, при понижении температуры происходит некоторое замедление переноса электрона на участке между первичным и вторичным акцепторами QA QВ . При этом одновременно уменьшается и внутримолекулярная подвижность белка РЦ, которая была измерена с помощью специальных методов радиоспектроскопии. Можно не только понижать температуру, но и уменьшать относительное содержание воды в РЦ. Во всех случаях будем наблюдать снижение внутримолекулярной подвижности белка РЦ, связанное с затормаживанием его мелкомасштабных перестроек. Кроме того, при нагревании образца РЦ или увеличении содержания воды одновременно с увеличением внутримолекулярной подвижности в нем наблюдается усиление процесса переноса электрона (на участке между первичным и вторичным хиноном). Смещения ядер в молекуле белка, которые сопровождают его структурные перестройки, составляют уже величины больше 0,01 и приближаются примерно к 1-1,5. Это обстоятельство очень важно.
Таким образом, наблюдаемые в белке внутримолекулярные процессы, связанные с подвижностью, имеют два разных масштаба. Это колебательные процессы с небольшими смещениями порядка 0,01 и другие процессы, где смещения намного больше (около 1,5) и сравнимы c длиной химической связи.
Перенос электрона между бактериохлорофиллом (Р870) и бактериофеофитином (Бфф) замедляется при модификации системы водородных связей, которые при этом становятся более жесткими. Колебания, в которые вовлекаются атомы водорода, в водородных связях замедляются, и соответственно должно произойти уменьшение скорости переноса электрона, сопряженной с колебательной релаксацией, как это было в реакции окисления цитохрома (С Р+) (см. рис. 3). Действительно, время переноса электрона увеличивается от 5 до 10 пс на участке между бактериохлорофиллом и бактериофеофитином (Р870 Бфф). То же происходит на участке переноса электрона между феофитином и первичным хиноном (Бфф QA).
Итак, процесс переноса электрона между донором и акцептором происходит в два этапа. Вначале локализация электрона на акцепторе с потерей части энергии колебательной релаксации за короткие времена (<1 пс). Затем молекула акцептора переходит в новое равновесие за счет дальнейшей релаксации.

ФОТОКОНФОРМАЦИОННЫЙ ПЕРЕХОД
Как происходят эти микроконформационные смещения в белке РЦ? Динамику процесса можно представить следующим образом. Для того чтобы произошло туннелирование электрона между донорными и акцепторными группами переносчиков, необходимо, чтобы они были сориентированы определенным образом, то есть пришли в контактное состояние. Именно для формирования этого исходного контактного состояния необходимы определенные крупномасштабные (1-1,5) смещения молекулярных групп. На эти процессы можно влиять модифицируя состояние образца: понижая температуру, обезвоживая его. Очевидно, в этом случае уменьшается количество пар контактных молекул-переносчиков, которые способны к переносу электрона. В пределах каждой оставшейся активной пары сам процесс туннелирования электрона от влажности и температуры зависит уже гораздо меньше.
Таким образом, наблюдаемые температурные зависимости переноса электрона связаны с крупномасштабной внутримолекулярной подвижностью при формировании контактных состояний. Чисто колебательная релаксация легких ядер в значительно меньшей степени зависит от температуры, но в большей степени - от изотопного состава: при дейтерировании уменьшается скорость переноса электрона за счет замедления процесса колебательной релаксации. За счет каких же сил при переходе электрона индуцируются конформационные смещения, ведущие к образованию контактных состояний и какова их роль? Прежде всего надо сказать, что никаких специальных внешних движущих сил нет. Приход электрона в равновесную молекулу акцептора изменяет ее электронное состояние, а поскольку конформация молекулы должна соответствовать ее электронному состоянию, то при этом исходная конформация становится неравновесной. В результате возникают внутримолекулярные силы, которые стремятся привести молекулу в новое конформационно-равновесное состояние в соответствии с ее новым электронным состоянием. Тем самым индуцируется каскад конформационных изменений.
Классическим примером является молекула гемоглобина, где присоединение кислорода к атому железа вызывает изменение его электронного состояния. Тем самым индуцируются последовательные конформационные превращения, связанные с оксигенацией субъединиц молекулы гемоглобина. Этот процесс носит кооперативный характер, то есть молекула устроена так, что каскад конформационных изменений направлен на облегчение оксигенации каждой последующей субъединицы гемоглобина.
Аналогично принцип осуществляется и в системе переносчиков в цепи фотосинтеза. Это было показано в опытах на РЦ, где молекулы пигмента и первичного хинона обмениваются электронами (Р QA). Если понизить температуру такого образца в темноте, а потом осветить образец, то при освещении наблюдается окисление пигмента (Р *QA Р +), а затем при выключении света можно видеть его восстановление (Р+ РQA) по двум путям: быстрому и медленному (быстрая и медленная компоненты восстановления Р QА и QA P). Очевидно, что исходно в РЦ в темноте возможны два состояния акцептора (первичного хинона). В одном из них (низкоэнергетическом) хинон близко расположен по отношению к окисленному пигменту. В темноте при низких температурах будет заселяться в основном именно это низкоэнергетическое состояние первичного хинона, в котором он может быстро отдать электрон на Р+ (быстрая компонента). Чем ниже температура образца в темноте, тем заселеннее это состояние и тем большее количество электронов возвращается на пигмент из низкотемпературного состояния по быстрому пути. При низких температурах быстрая компонента восстановления Р + преобладает над медленной. При комнатной температуре высокоэнергетическое состояние акцептора также заселено и возврат на пигмент из него происходит по медленной компоненте.
Однако ситуация принципиально меняется, если понижать температуру не в темноте, а одновременно с освещением образца. При освещении электрон попадает на хинон, где из-за изменения электронного состояния хинона меняется и конформационное состояние всей молекулы этого акцептора. Поэтому с первых моментов освещения, когда только началось охлаждение, начинается и каскад конформационных изменений. Затем при дальнейшем понижении температуры мы "ловим" объект на разных стадиях этих конформационных изменений, вызванных действием света. В зависимости от скорости понижения температуры и интенсивности света можно зафиксировать объект на том или ином состоянии, соответствующем глубине конформационного перехода. Кинетика восстановления Р * при разных температурах в этих образцах будет совершенно иной. Она определяется возвратом электрона из разных точек на пути конформационного перехода.
Таким образом, полученные результаты показывают, что скорости реакций переноса электрона зависят от того, в каком конформационном состоянии находится соответствующий переносчик. Конформация переносчиков меняется на свету, значит, и константы скоростей реакций в цепи фотосинтеза будут зависеть от условий предварительного освещения. Например, оказалось, что в бактериальном фотосинтезе константы реакций возврата электрона от первичного и вторичного хинонного акцепторов на пигмент в темноте после выключения света примерно на порядок больше, чем те же константы при условиях постоянного освещения. Это означает, что конформация цепи в области первичного и вторичного хинонного переносчиков принимает на свету такой характер, при котором электрон передается эффективно дальше по фотосинтетической цепи. При выключении света, в условиях, когда электроны не идут вдоль цепи, а возвращаются обратно, меняется и конформация, так что константа возврата становится больше.
Таким образом, константы скорости переноса в цепи меняются в зависимости от условий протекания реакций, тем самым может меняться характер переноса электрона. В определенный момент происходит перенос электрона от донора на акцептор, что означает изменение их электронного состояния. Следовательно, предыдущее конформационное состояние становится неравновесным и в системе развиваются силы, которые стремятся привести ее в другое равновесное состояние.
Когда происходит уход электрона, система вновь переходит в неравновесное конформационное состояние и вновь ищет новое равновесие. Движение по этому конформационному пути носит особый характер. Как известно, плотность белка в нативном состоянии практически равна плотности кристаллического обезвоженного белка. В то же время смещения, которые сопровождают движение молекулярных групп вдоль конформационной координаты, достаточно велики и составляют 1-1,5. Следовательно, они могут осуществляться, если для движения фрагмента белка рядом с ним имеется свободное место, куда может двинуться эта белковая группа. Такого рода свободное место, вакантная "дырка" в белковой глобуле, может перемещаться внутрь белка и достичь окрестности переносчика. Это упрощенная схема движения, которое можно уподобить движению человека в толпе. Если толпа плотная, то рядом с ним нет свободного места и человек не двигается, но когда в толпе появляется свободное место, люди постепенно перемещаются и становится возможным появление свободного места уже непосредственно рядом с этим человеком.
Существуют физические и математические модели, которые позволяют описать такие движения. На основании теоретической обработки экспериментальных данных можно определить масштабы и времена смещений, внутримолекулярную вязкость. Необходимо также отметить следующее. Обычно перенос электрона по цепи фотосинтеза или митохондриальной дыхательной цепи представляется в виде движения шарика, катящегося вниз по лестнице, где каждая ступенька - энергетический уровень переносчика. В такой модели при переходе электрона на новую ступеньку часть энергии электрона либо расходуется в тепло, либо запасается в АТФ. Теперь эти представления в свете полученных результатов следует дополнить следующим образом. Каждый раз, попадая на соответствующую ступеньку, шарик, условно говоря, под действием силы тяжести вызывает поворот ступеньки (в результате электронно-конформационных взаимодействий) в таком направлении, что облегчается его движение дальше на следующую ступеньку. Этот поворот происходит достаточно быстро, поэтому вероятность обратного перехода остается намного меньше вероятности перехода вперед и весь транспорт становится эффективным и необратимым. Таким образом, переходы электрона неотделимы от конформационного состояния переносчиков, и, более того, они возможны лишь в том случае, если есть внутримолекулярная подвижность в белковых частях переносчиков.
* * *
Андрей Борисович Рубин, доктор биологических наук, профессор, член-корреспондент РАН, зав. кафедрой биофизики биологического факультета МГУ. Область научных интересов: биофизика фотобиологических процессов, перенос электрона в биомембрану, кинетика биологических процессов. Автор и соавтор 11 монографий, более 300 научных статей, автор учебника по биофизике.

ї Рубин А.Б., 1997


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования