Первичные фотобиологические реакции

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 Б. 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.