БИОХИМИЯ, 2014, том 79, вып. 3, с. 318 - 327
УДК 577.337,577.345
ОТ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ВОЗБУЖДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ К ЭКСИТОНАМ: ИЗМЕНЕНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПЕРВИЧНЫХ ПРОЦЕССАХ ФОТОСИНТЕЗА В XX ВЕКЕ
© 2014 Р.Ю. Пищальников12, А.П. Разживин1*
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, 119992 Москва; факс: (495)939-3181, электронная почта: razjivin@belozersky.msu.ru, razjivin@gmail.co
2 Институт общей физики им. А.Н. Прохорова РАН, Научный центр волновых исследований, 119991 Москва, ул. Вавилова, 38; факс: (499)135-0270, электронная почта: rpishchal@kapella.gpi.ru
Поступила в редакцию 22.11.13 После доработки 13.12.13
Дано краткое описание теоретической модели первичных процессов фотосинтеза, которая была общепринятой в 50—90 гг. ХХ века, а также экситонной модели, сменившей ее в результате расшифровки структуры светособирающих комплексов (в 1995—1996 гг. и позже). Указаны основные экспериментальные факты, лежавшие в основе старой модели, а также экспериментальные результаты, которые в нее не вписывались и послужили стимулом к развитию новой модели.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: фотосинтез, перенос энергии, экситоны, светособирающая антенна, теория Редфилда.
Много лет назад я неоднократно приходил в Институт биохимии АН СССР им. А.Н. Баха в кабинет во втором корпусе к «нашему» академику (по фотосинтезу) Александру Абрамовичу Крас-новскому. Это было время в начале 80-х гг., когда у нас стали получаться удивительные результаты по дифференциальной абсорбционной пикосе-кундной спектроскопии хроматофоров и светособирающих комплексов из пурпурных бактерий. Для публикации статьи в Докладах АН СССР нужно было получить рекомендацию академика. Александр Абрамович выслушивал мои сбивчивые объяснения, доброжелательно задавал два—три вопроса и желал дальнейших успехов...
(А.П. Разживин)
Первыми работами по изучению фотосинтеза считаются эксперименты Пристли, выполненные более чем 300 лет назад. Исследования,
Принятые сокращения: БХл — бактериохлорофилл; ГА — генетические алгоритмы; РЦ — реакционный центр; ФС1 — фотосистема 1; ФС2 — фотосистема 2; ЬН1 — при-центровый светособирающий комплекс; ЬН2 — периферический светособирающий комплекс; ЬНСП — светособирающий комплекс второй фотосистемы цианобактерий.
* Адресат для корреспонденции.
имеющие непосредственное отношение к современным взглядам на фотосинтез, датируются первой половиной XX века. После Второй мировой войны интенсивность этих исследований существенно возросла, и в 50-60-е гг. сложилась достаточно цельная теоретическая картина процессов преобразования световой энергии при фотосинтезе [1, 2]. В последующие 30 лет широким фронтом шли экспериментальные исследования, однако парадигма первичных физических процессов фотосинтеза принципиально не менялась, а лишь становилась более детально разработанной. Наилучшее изложение этой теоретической модели дано, на наш взгляд, А.Ю. Борисовым ([3] и др. его работы). При этом часть экспериментальных результатов, полученных в этот период, не укладывалась в общепринятую теоретическую модель, но все исследователи их как бы не замечали. Наконец, лазерные абсорбционные измерения 80-х гг. [4-7] позволили поставить под сомнение основные постулаты господствующей модели и предложить новую модель [8-10] (по крайней мере, для фотосинте-зирующих пурпурных бактерий). Через некоторое время появились результаты рентгенострук-турных исследований [11, 12], которые полностью соответствовали предложенной новой
модели (была выполнена специальная проверка [13]). Всем становится ясно, что теоретическая картина первичных процессов фотосинтеза должна опираться на квантово-механические экситонные представления [14—18].
Каковы же основные черты теоретических представлений в 50-90-е гг. и с середины 90-х гг. и позже? На какие экспериментальные данные они опираются? Какие экспериментальные наблюдения вынуждают сменить первую теоретическую модель на вторую? Попытаемся ответить на эти вопросы.
ТЕОРИЯ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ВОЗБУЖДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ
К началу 50-60-х гг. был накоплен экспериментальный материал, который позволял сформулировать представления о строении фотосинтетического аппарата и его функционировании [1, 19-22].
Начало формирования этих представлений связано с экспериментальными данными Эмерсона и Арнольда [23, 24] по измерению выделения кислорода клетками зеленой водоросли Chlorella pyrenoidosa под действием коротких световых вспышек и их интерпретацией Гаф-фроном и Воль [25, 26]. В результате появилось представление о «фотосинтетической единице» как совокупности около 2000 молекул хлорофилла, участвующих в сборе энергии, взаимодействующей с отдельным «восстановительным центром», в котором происходит первичный фотохимический процесс. Или, если пользоваться современной терминологией, то можно сказать, что фотосинтетическая единица состоит из РЦ и светособирающей антенны из молекул хлорофилла.
Было известно, что фотосинтетический аппарат располагается во внутриклеточных мембранных структурах (хлоропластах у растений и хроматофорах у бактерий). В них содержится основной фотосинтетический пигмент Хл или БХл.
В 30-40 гг. ХХ века с помощью оптических и электронных микроскопов удалось выполнить исследования структуры хлоропластов из клеток ряда растений [27]. Электронно-микроскопические исследования фотосинтетического аппарата показали, что молекулы Хл в хлоропластах расположены в виде тонких пластинок или слоев, толщина которых соизмерима с размером порфириновой части молекулы Хл [28]. До этого было известно, что можно получить монослои Хл в двух формах: кристаллической и аморфной [28, 29]. В кристаллическом монослое
Хл длинноволновый максимум поглощения находится около 735 нм, а не около 660 нм, как в растворе. В аморфном слое длинноволновый максимум поглощения регистрируется около 678 нм. Поскольку Хл в живых клетках имеет максимум поглощения около 675—680 нм, то, по-видимому, в них Хл не образует кристаллических монослоев (и, тем более, трехмерных кристаллов, для которых максимум поглощения сдвигается до 740 нм) и находится в хлоропластах в форме аморфных монослоев. Общая величина поверхности слоя Хл приблизительно соответствует той площади, которую занял бы Хл, содержащийся в хлоропласте, будучи равномерно распределенным в мономолекулярном слое. При этом на молекулу приходится площадь в 100—200 А, что примерно равно площади, занимаемой плоской хромофорной «головой» молекулы Хл [22, 30]. Это приводило к оценке расстояния между центрами хромофоров соседних молекул БХл в слое ~20 А (рисунок).
Подтверждение расположения молекул Хл в виде тонких (мономолекулярных) слоев было получено при изучении дихроизма и двойного лучепреломления в хлоропластах [37, 38]. Неупорядоченность направлений диполей переходов молекул БХл следовала из низкой степени дихроизма молекул БХл in vivo.
Спектральные исследования указывали на то, что молекулы БХл in vivo находятся в различных формах [39—48]. В 50-х гг. прошлого столетия Красновский с сотр. обнаружили, что спектры поглощения и флуоресценции этих пигментов подобны в твердых пленках и фотосинтетических системах и на этом основании выдвинули представление о том, что спектральные свойства Хл а, БХл а и b и хлоробиум хлорофиллов определяются, главным образом, пигмент-пигментным взаимодействием («агрегацией» пигментных молекул). Это представление было позже развито и поддержано многочисленными исследованиями (см. [39—41] и указанные там ссылки). В частности, ряд данных указывал на димерное состояние молекул БХл в антенне [49].
Преобразование энергии из физической формы в химическую форму разделенных зарядов разного знака происходит в РЦ, и далее идет цепь окислительно-восстановительных реакций, в которых энергия расходуется на синтез химических соединений. Вся эта система срабатывает за время порядка 10-3 с. Однако даже на солнечном свету каждая молекула БХл поглощает квант света в среднем за 10-1 с. Поэтому если РЦ со своей электрон-транспортной цепью будет связан лишь с одной улавливающей свет молекулой БХл, то 99% времени система будет простаивать, дожидаясь поглощения следующе-
го кванта света. Кроме того, в фотосинтетическом аппарате просто не найдется места для размещения системы РЦ—электрон-транспортная цепь (имеющей большие размеры) для каждой молекулы светособирающего БХл. Но было показано, что один РЦ каким-то образом взаимодействует со многими (~102—103) молекулами БХл в рамках «фотосинтетической единицы». Соответственно, должен существовать механизм сбора энергии от сотен молекул БХл для согласования скорости поглощения квантов света и скорости их переработки РЦ и связанной с ним цепью ферментативных реакций.
Для сбора энергии света, поглощенной молекулами БХл, и ее передачи на РЦ были предложены два механизма. Как писал Е. Рабинович в 1959 г. [1] (цитата по Рабинович, 1961 [2]): «С одной стороны, можно рассматривать этот процесс как миграцию «химических посыльных»
(богатых энергией частиц, образованных фотохимически у каждой активированной светом молекулы хлорофилла) к реакционному центру. С другой стороны, его можно представить как миграцию энергии путем последовательных резонансных переносов. Именно эта картина миграции энергии очаровала исследователей, работающих в области фотосинтеза в течение последних двадцати лет, хотя до сих пор не получено определенного ответа на вопрос о ее применимости в данном случае».
Гаффрон и Воль [25] предположили, что энергия захватывается после «флуктуаций» по «единице» из 2500 молекул Хл. Чуть позже Воль уточнил [50], что перенос энергии может происходить в форме энергии электронного возбуждения, но физической теории для оценки достоверности такой передачи тогда не было. (Позже, в 1947 г., такая теория была предложена Ферстером [31].)
а — Модель светособирающей антенны пурпурных бактерий до появления рентгеноструктурных данных, господствовавшая в 60-80-х гг. Белыми кружками обозначены узлы гипотетической решетки, в которых помещаются молекулы БХл. Темный кружок — РЦ. Миграция энергии от одной молекулы к друго
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.