Светособирающие комплексы

Светособирающие комплексы (ССК, или антенные комплексы, иногда просто антенны) — пигмент-белковые комплексы фотосинтезирующих организмов, локализованные в фотосинтетических мембранах и выполняющие функцию первичного поглощения квантов света с последующей миграцией энергии возбуждения к реакционным центрам фотосистем. Также они обеспечивают тонкую настройку фотосинтетического аппарата и участвуют в его защите от фотоповреждений.

Общие закономерности организации Ключевым событием световой стадии фотосинтеза, в котором энергия излучения преобразуется в химическую энергию, является процесс разделения зарядов в реакционных центрах фотосистем. Разделение зарядов представляет собой процесс передачи электрона от возбужденного хлорофилла реакционных центров к первичному акцептору. Разделение зарядов происходит в результате возбуждения хлорофилла реакционных центров при поглощении им определённого кванта энергии. Однако непосредственное попадание фотона, несущего необходимую для возбуждения энергию, в хлорофилл реакционного центра крайне маловероятно. Поэтому эффективный фотосинтез возможен только при наличие антенн — пигмент-белковых комплексов, обеспечивающих захват фотонов разных длин волн и направляющих энергию возбуждения в реакционные центры. Известно, что абсолютное большинство молекул хлорофилла входит в состав именно антенных комплексов, а не реакционных центров. У высших растений с одним реакционным центром ассоциировано около 300 молекул хлорофилла антенныLokstein (1994). The role of light-harvesting complex II energy dissipation: an in-vivo fluorescence in excess excitation study on the origin of high-energy quenching. J. of Photochemistry and Photobiology 26: 175—184.

Для использования энергии фотонов, которые не поглощаются хлорофиллом (область «зелёного провала»), в состав антенн входят и другие пигменты. У высших растений это каротиноиды (каротины и ксантофиллы), а у ряда водорослей и некоторых фотосинтезирующих прокариот — ещё и фикобилины. Хлорофиллы и каротиноиды связываются с белками нековалентно, за счёт электростатических взаимодействий, координационных связей с магнием и гидрофобных взаимодействий. Фикобилины ковалентно присоединяются к белкам через тиоэфирные и эфирные связиMacColl (1998). Cyanobacterial phycobilisomes. Journal of Structural Biology 124 (2—3): 311—334..

Миграция энергии в светособирающих комплексах всегда протекает с некоторыми потерями энергии. В связи с этим максимум поглощения пигмента-донора сдвинут в более коротковолновую область (по сравнению с максимумом пигмента-акцептора). Т. е. энергия возбуждения пигмента-донора всегда выше энергии возбуждения пигмента-акцептора (часть энергии диссипирует в тепло)Физиология растений. И.П. Ермаков 2005 стр 157. Так например, для высших растений типична миграция энергии в следующем направлении: каротиноиды → хлорофилл b → хлорофилл a → хлорофилл a реакционного центра (в составе димера).

Организация ССК у разных организмов довольно вариабельна (по сравнению с консервативным строением реакционных центров), что отражает адаптацию фототрофов к различным условиях освещения в ходе эволюции.

Механизмы миграции энергии в ССК Поскольку было обнаружено, что эффективная передача энергии в антеннах происходит и при крайне низких температурах (1° K = –272 °C) было сделано заключение, что передача энергии происходит без передачи электронов (электронный транспорт при таких низких температурах невозможен)Физиология растений. И.П. Ермаков 2007. — С. 126—128. Выделяют следующие механизмы миграции энергии: Механизм индуктивного резонанса (Фёрстеровский перенос энергии, или FRET от англ. Förster resonance energy transfer) был предложен в 1948 году Т. Фёрстером. Данный механизм передачи энергии не предполагает переноса электрона или излучения фотонов и последующего поглощения, т.е. является безызлучательным (несмотря на это, иногда аббревиатура FRET некорректно расшифровывается как fluorescence resonance energy transfer). Поскольку в возбужденном состоянии электрон представляет собой осциллирующий диполь, создающий переменное электрическое поле, то при выполнении условий резонанса и индукции, он может вызывать аналогичные колебания электрона в соседней молекуле. Условие резонанса заключается в равенстве энергий между основным и возбуждённым состоянием, т.е. необходимо перекрывание спектров поглощения и флуоресценции двух молекул. Также для успешной индукции необходимо близкое расположение взаимодействующих молекул (не более 10 нм). Известно, что межмолекулярное расстояние в ССК составляет от 2 до 3 нм; а существование серии различных нативных форм пигментов обеспечивает хорошее перекрывание их спектров. Всё это создает хорошие условия для передачи энергии по механизму индуктивного резонанса. Скорость передачи энергии при Фёрстеровском переносе находится диапазоне 10−9-10−12 сФизиология растений. И.П. Ермаков 2005 стр. 151, что связано с передачей энергии последовательно от пигмента-донора к пигменту-акцептору. Механизм миграции экситона был предложен А. Френкелем в 1931 году. Механизм миграции экситона основан также на резонансном взаимодействии молекул и не связан с переносом электрона, однако он характерен для достаточно гомогенных, упорядоченных систем, образующих зону кристаллической решетки. Под экситоном понимают квант энергии возбуждения (возбужденное состояния, при котором электрон связан с ядром). Для экситонного механизма характерно возбуждения целого комплекса определённым образом ориентированных молекул пигментов одного типа. При этом скорость миграции энергии в таком гомогенном комплексе достигает величин порядка 10−12—10−15 c. Также при условии, что переходы электрона на возбуждённый уровень оптически запрещены (характерно для перехода каротиноидов S0 → S1) и не происходит образования диполя, миграция энергии возможна путём обменно-резонансного механизма Теренина — Декстера. Для миграции энергии по механизму Теренина—Декстера необходимо крайне тесное расположение молекул (расстояние около 1 нм) и перекрывание внешних молекулярных орбиталей. При этом возможен обмен электронами, как на синглетных, так и на триплетных уровнях.

Данные механизмы переноса энергии принципиально отличаются от механизмов, реализующихся в электрон-транспортных цепях (ЭТЦ), поскольку перенос энергии на разных участках ЭТЦ, связан с переносом электронов (электронная миграция энергии). Перенос электронов между кофакторами внутри белковых комплексов ЭТЦ осуществляется по 1) полупроводниковому или 2) резонансному (основан на эффекте туннелирования электронов через энергетический барьер) механизмам. Перенос электронов на участках с подвижными переносчиками осуществляется по диффузному механизмуФотосинтез. Физиолого-экологические и биохимические аспекты. под ред. И. П. Ермакова, 2006 стр. 324.

ССК прокариот

Пурпурные бактерии Пурпурные бактерии имеют одну фотосистему, во многом близкую к фотосистеме II цианобактерий и высших растений. Вокруг данной фотосистемы расположены светособирающие комплексы: на периферии — LH2 и вблизи реакционного центра — LH1. На белках комплексов располагаются молекулы бактериохлорофилла и каротиноидов. При этом для внешних комплексов LH2 характерны более коротковолновые формы пигментов (800—850 нм), а для внутреннего комплекса LH1 более длинноволновые (около 880 нм). Бактериохлорофилл реакционного центра (РЦ) имеет ещё более длинноволновый максимум поглощения. Подобное строение обеспечивает поглощение фотонов в LH2 и направленную миграцию через LH1 на РЦ. Для пурпурных бактерий характерны мультисубъединичные ССК с круговой организацией. В состав комплексов, как правило, входят два типа полипептидов: α- и β-субъединицы. Обе субъединицы — небольшие белки, состоящие из гидрофильных участков (цитоплазматического и периплазматического), а также трансмембранного домена. Организация белков и расположение пигментов в РЦ и ССК изучается с помощью метода рентгеновской кристаллографии .

Для Rhodobacter sphaeroides показана (с разрешением в 8 Å) димерная организация комплекса (LH1 - РЦ - PufX)2 . В состав димера входят два белка PufX, формирующих разрывы в круговых антеннах LH1, через который от РЦ выходит восстановленный убихинон. Кроме того, данный белок отвечает за димеризацию. Аналогичный димерный комплекс обнаружен с помощью электронной микроскопии в мембранах бактерии Rhodobaca bogoriensis .

У Rhodopseudomonas palustris описано строение комплекса LH1 - РЦ - белок W (с разрешением 4,8 Å) . Белок W по аналогии с PufX образует разрыв в круговой антенне LH1. Разрыв в LH1 обеспечивает доступ подвижного переносчика убихинона к РЦ.

С наибольшим разрешением (3 Å) описано строение мономерного комплекса LH1 - РЦ у термофильной бактерии Thermochromatium tepidum . В данном случае LH1 полностью окружает РЦ и не имеет разрывов; путь для транспорта убихинона обеспечивает специальный канал в антенне. Кроме того, c С-конца субъединиц LH1 имеются сайты связывания катионов кальция; предполагается, что связывание кальция увеличивает термостабильность комплекса.

Зелёные бактерии

В хлоросомах зеленых серобактерий светособирающий комплекс располагается на цитоплазматической стороне мембраны и состоит из приблизительно 10000 молекул бактериохлорофилла (преимущественно бактериохлорофилла с), связанных с белками. Они окружены липидными мембранами и своим основанием (в основании комплексов находится бактериохлорофилл а) контактируют со встроенным в мембрану светособирающим комплексом, окружающим реакционный центр. Перенос экситонов происходит от бактериохлорофилла с, который поглощает при длине волны около 750 нм (В750) через молекулы бактериохлорофилла а, находящиеся в основании (В790), к бактериохлорофиллу а интегрированного в мембрану светопоглощающего комплекса (В804) и, наконец, к бактериохлорофиллу а реакционного центра (Р840).Страсбургер. Ботаника: том 2 Физиология растений стр. 105

ССК высших растений У высших растений выделяют внутренние (или коровые, от англ. core) и внешние светособирающие комплексы. Каждая фотосистема (I и II) имеет и внутренний, и внешний ССК, т.е. высшие растения имеют 4 типа ССК. Внешние антенны обеспечивают поглощение фотонов и миграцию энергии возбуждения к внутренним антеннам. Внутренние антенны расположены в непосредственной близости от реакционных центров, они также поглощают кванты света и обеспечивают миграцию энергии возбуждения к реакционным центрам фотосистем. В состав каждого ССК входит несколько полипептидов; на каждом белке ССК располагается строго определённое число пигментов.

ССК фотосистемы I Внешняя антенна ФС I

Внешняя антенна ФС I включает четыре полипептида Lhca1-4 (от англ. light harvesting complex), с молекулярной массой около 22 кДа. Каждый полипептид несет около 100 молекул хлорофиллов a и b, и ксантофиллы (лютеин, виолоксантин). Соотношение хлорофилл a/хлорофилл b во внешней антенне ФС I составляет около 3,5. Белки внешней антенны организованы в виде полумесяца вокруг каждой отдельной фотосистемы. При этом если ФС I формирует тримерный суперкомплекс, то полумесяцы отдельных ФС I замыкаются, полностью окружая тример. В отличие от мобильного тримера внешней антенны ССК II, внешняя антенна ССК I постоянно связана с ФС I и не способна к диффузии в мембране. Белки Lhca1-4 кодируются в ядерном геноме.

У томата белки Lhca1 и Lhca4 существуют в двух изоформах. У резуховидки Таля существуют два гомологичных гена, кодирующих Lhca5 и Lhca6 . Известно, что Lhca5 обнаруживается в значительных количествах на ярком свету и может образовывать гомодимеры, которые связываются с Lhca2 и Lhca3. Есть данные, что НАДН-дегидрогеназный комплекс хлоропластов, аналогичный НАДН-дегидрогеназному комплексу митохондрий и гомологичный бактериальному комплексу I хлоропластов, образует суперкомплекс по крайней мере с двумя ФСI при помощи белков Lhca5 и Lhca6.

Внутренняя антенна ФС I