Фотосинтез (молекулярные механизмы)

Важнейшей фундаментальной проблемой биофизики является изучение фотосинтеза – процесса преобразования световой энергии солнца в химическую энергию тканей фотосинтезирующих организмов. В первичной (световой) стадии энергия поглощенных квантов света используется для разрыва химических связей восстановителя (в случае высших растений – для фотолиза воды), а часть ее, в конечном счете, запасается в новых химических связях. В последующей (темновой) стадии фотосинтеза запасенная энергия используется для восстановления углекислоты до сахаров в восстановительном пентозофосфатном цикле, осуществляющем создание органического вещества из неорганического. Первичные процессы фотосинтеза включают несколько этапов: поглощение света хлорофиллом антенного комплекса, миграцию энергии поглощенных квантов к реакционным центрам (РЦ) фотосистем, фотохимическое разделение зарядов, перенос электронов по фотосинтетической электрон-транспортной цепи, сопряженный с запасанием энергии в виде химических связей конечного восстановленного продукта – восстановленного НАДФ, а также АТФ.

Поскольку разные этапы первичных процессов фотосинтеза протекают в разных компартментах фотосинтетической мембраны и характеризуются различными временами, для понимания механизма процесса фотосинтеза необходимы исследования, проводимые специалистами разного профиля и использованием объектов разной сложности – от изолированных макромолекулярных белковых и пигмент-белковых комплексов, различных субхлоропластных частиц, хлоропластов, фотосинтезирующих клеток водорослей до нативных растений. Это требует сотрудничества фотофизиков, биохимиков и физиологов растений. Кроме того необходима лабораторная техника, позволяющая исследовать процессы в разном временнóм диапазоне.

Ключевой энергопреобразующей структурой в фотосинтезирующих организмах являются реакционные центры фотосистем, встроенные в фотосинтетические мембраны пигмент-белковые комплексы, выполняющие за счет энергии света высокоэффективный (квантовый выход – до 100 %) и очень быстрый (менее 1 нс) трансмембранный перенос электронов против направления термодинамического потенциала, в результате чего, в конечном итоге, и запасается солнечная энергия.

Используя методы импульсной флуорометрии и абсорбционной спектроскопии высокого (10^–14 – 10^–8 с) временного разрешения, были исследованы процессы миграции энергии электронного возбуждения в антенных пигмент-белковых комплексах, захвата возбуждения фотоактивным пигментом РЦ– первичным донором электрона, и темновые реакции разделения зарядов и переноса электрона в акцепторной цепи электронного транспорта. Было показано, что белки, содержащие пигменты антенны и кофакторы, за времена менее 10^–12 с способны осуществлять тонкую подстройку начальных и конечных состояний донора и акцептора энергии (электрона). В самый начальный момент времени возникает неравновесное начальное состояние донора энергии (электрона). В результате процесса сольватации с участием водородных связей происходит понижение уровня энергии донора и формирование наиболее выгодной конфигурации потенциальной поверхности для реактантов. Как следствие, вероятность обратных (бесполезных) реакций падает, а эффективность прямых энергетически выгодных реакций существенно возрастает.

Фотохимическое разделение зарядов в РЦ фотосистем индуцирует транспорт электронов в ЭТЦ фотосинтеза. У высших растений и водорослей донором электронов является вода. Побочный продукт окисления воды, кислород, выбрасывается в атмосферу, его накопление в атмосфере привело к ее радикальной трансформации и послужило фундаментом для развития многочисленных форм животных. Процесс, сопровождающийся фотоокислением воды с выделением кислорода, называется оксигенным фотосинтезом, и начальные его стадии (окисление воды) осуществляются в пигмент-белковом комплексе фотосистемы II. Поглощение света ФС II сопряжено с работой каталитического центра – кислород выделяющего комплекса. КВК состоит из 4 катионов марганца и 1 катиона кальция. Фундаментальная роль данного металлофермента в функционировании биосферы определяет высокую интенсивность исследований механизмов работы КВК и ФС II. Однако, несмотря на значительные успехи в понимании основ функционирования ФС II, работа ее ключевого звена, КВК, все еще остается неясной.

Фотосинтетический аппарат имеет сложную многоуровневую систему регуляции, которая должна обеспечивать эффективное использование энергии света, а также сопряжение световых и темновых процессов фотосинтеза. Существует целая иерархия регуляционных механизмов, зависящих от физиологического состояния и изменений среды, которые условно можно разделить на «медленные» и «быстрые». «Медленные» предполагают перестройку и изменение структуры хлоропласта и его компонентов, их действие связано с включением генетического аппарата и синтезом новых белков, для чего требуется определенное время (минуты, часы). Эти процессы зависят от работы регуляторных белков, которые активируются под действием света.

Механизмы «быстрой» регуляции, ответственные за динамические изменения в функционировании отдельных участков фотосинтетической цепи, с синтезом белка не связаны. Они основаны на изменениях констант взаимодействия переносчиков, например, вследствие изменения их конформации, и направлены на недопущение перевосстановленности ЭТЦ при высоких освещенностях. Из результатов исследований последних лет, в том числе проводимых на кафедре биофизики биологического факультета МГУ, можно предполагать, что следствием наличия гибкой системы регуляции является защита от окислительных повреждений, а целью быстрой регуляции электронтранспортных процессов фотосинтеза – создание оптимального состояния ЭТЦ, когда нет избытка или недостатка электронов на определенных ее участках, что позволяет защитить фотосинтетические мембраны от фотодеструкции.