Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Транспорт электрона и преобразование его энергии в фотосинтезирующих системах

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Транспорт электрона и преобразование его энергии в фотосинтезирующих системах"

КЛ-Ш сгц Ло. ¿а ъг-

13 ол $0 Ййс*итут фотобиология ¿В БССР ¿

г.Минск . • .

На правах рунойяса УДК 577.3

ЧЕРНЯВСКАЯ Нина- Мшсайловна .

ТРАНСПОРТ ЭЛЕКТРОНА И ПРЕОБРАЗОВАВИВ-'Ш ЭЙЕРГ® В ФОТОСИНШИРУГПЩ СИСТЕМАХ

00.00.02. - Биофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой-степени .. доктора.биологических наук

Минск - 1990

Работа выполнена в Московском ордена Ленина, ордена Трудового Красного Знамени и ордена Октябрьской. • .; револвдии государственном университете им. М.В. Ломоносова

Официальные оппоненты:

член-корр. АН СССР ВОЛЬКЕНШТКЯН М.В.

доктор физ.-мат.наук проф. БОРИСОВ А.Ю.

Доктор биол.наук ЧАЙКА М.Т.

Ведущее учреждение: Институт химической физики АН СССР, г. Черноголовка

Защита состоится "_"_ 1990 г. в_часов

на заседании Специального Совета Д006.05.01 по защите докторских'диссертаций по специальности "биофизика" при институте фотобиологии АН БССР по адресу: 220733,г.Минск уя*Скорины*27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института фотобиологии АН БССР.

" Автореферат разослан _"_.1989 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СШЩАМЗИРОВАШГОГО СОВЕТА кандидат биологических наук л.м.шеЙКО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема преобразования энергии возбудденного электрона в иные формы является одной из главных в биоэнергетике. Процесс этот имеет место не только в фотосинтезе, но и в митохондриях, а также в галобактериях при функционировании бактериородопсина и в фоторецепторных мембранах. В фотосинтезе эта проблема изучена в экспериментальном отношении более детально. В растениях и бактериях процесс Может быть достаточно быстро запущен вспышкой света. Современная техника эксперимента позволяет с точностью до долей пикосекунд фиксировать начало процесса. При этом данные о кинетике процесса можно получить проще и с большей точностью, чем в случае, когда процесс запускается химическими агентами, как например, в митохондриях.

Проблема преобразования энергии в биологии изучается сейчас очень активно. ио мере исследований стали ясны и основные вопросы. Первый вопрос касается того, каковы именно эти иные формы энергии, в которые переходит энергия возбужденного электрона. В конечном итоге - это химическая энергия ЛТФ. Долгое время считалось, что на промежуточных Формах энергия заключена в макроэргических свя1-зях. При этом в фотосинтезе речь шла о прямом преобразовании энергии электрона в макроэргическую связь - гипотеза прямого сопряжения. В результате работ /Kell D., Mitchell Г., Williams R.J.P., Блюменфельда Л.А., Гольданского В.И., Кренделевой Т.Е., Скулачева В.П., Рубина A.B., Чериавского Д.С./ стало ясно, что одной из промежуточных форм являются энергязоваяяые протоны. Вопрос о том, где они накапливаются, имеет много гипотез и остается дискуссионным. Согласно Митчеллу они запасаются в водной среде с высоким хемио-осмотическим потенциалом. Согласно Вяльямсу и Келлу они запасаются в неполярной среда, где они дегидратированы я обладают избытком энергии. Не выясненным остается вопрос о механизме энергизации протона.

Существенный вклад в вняснепие этих вопросов внесла гипотеза электронно-конфор1лационншс переходов, активно развиваемая в работах /Воуег 1963,1975; Блдаенфелвд 1.974; Волькенштейн 1975, 1978; Чернявская, Чернявский 1977; Конев 1987/. Само название было предложено М.В.Волькенштейном в 1971 г.

В этой связи важным оказался вопрос о механизм« енэргпзацин протонов. Для его выяснения необходимо исследовать:

Во-первых, механизм электронного транспорта; сейчас уже ясно, что происходит туннельный перенос электронов.

Во-вторых, необходимо исследовать электронно-кон^эрмационный переходы /ЭК11/ в макромолекулах.

В-третьих, выяснить взаимосвязь между тутш^мрованнем г "НП.

Эти исследования проводились во многих работах, включал работа диссертанта.

Цели и задачи исследования. Основная проблема, которой посвящена диссертационная работа - исследование механизма трансформации енергии. Она содержат ряд задач: I/ Построение и исследование общей схеш трансформации энергии, основанной, на туннельном транспорте электронов. 2/ Приложение этой схемы к раду.конкретных процессов:

а/ Перенос электронов и протонов в фотосинтезе пластохинолаьш.

б/ Процесс рекомбинации в реакционных центрах ^отосисгем..

в/ Процессы в бактериородопсине.

Кроме этого рассмотрены процессы ееолющзл фотосистем и сделана оценка появления новой, ценной информации г. процессе эволюции на примере бакрериородопсина.

Методические аспекты. Методика построения биофизических схем и моделей биологических процессов включает следующие этапы: I/ Критический анализ существующих экспериментальных данных, каса-киихся различных сторон процесса. 2/ Построение физической модели

процесса, описывающего всю совокупность шещкхся экспериментальных данных. При этом необходим системный подход, учивнвавдиЗ раз -личные аспекты явления. 3/ Построение математической модели я ее исследование. 4/ Сопоставление модели с экспериментальными данными, определение параметров и формулировка необходитах яруцлалышх экспериментов, если таковые необходим!.

В предлагаемой диссертационной работе использовались все приведенные методы, за исключением математических формул. В последнем не было необходимости, поскольку это было сделано в других, чисто теоретических работах.

Научная новизна. Настоящая работа представляет собой совокупность физических схем преобразования электронного возбудивши в другие формы. Построение биофизических схем, как паучпое направление, началось примерно 20 лет назад. Навщ работы 1970-1973 гг. били одними из первых в этом направлении. Б разработапннх в них схемах бти учтены следующие факторы: а/ Туотге.тьш/Й характер электронного транспорта и, в частности, в-М'^г.т 'резонансного тушелпро-вания',' разработанный нами под этим названием. 6/ Способность биологических макромолекул к комфорт,ацяоняим п. в част носит, ёлектрся-но-конформацгошшм переходам /ЗКП/. в/ Особенносгя макромолекуляр-ных конструкций, которые позволяют лэбояать дольпеЙ'пэЗ дясеплащш энергии.

Предложенная наш-; биофизическая схема в 1970 г. затем пктен -сивно развивалась во многих наших работах, а такге параллельно в работах ряда групп: Блюмэнфельда Л.Д., Голвдансг.ого В.И.,Рубина А.Б.

В 1975 1?. наш была рассмотрена биофизическая охота внутримолекулярного туннельного электронного цикла, которая открнвала но -вые возможности применения общей схеш к простейшим биологическим системам. В ней акт траясформагпя онерпш совершался в одной моле-

куле. Эта схема послужила отправным звеном для построения биофизических моделей и схем процессов, происходящих в бактеркородоп-сшзе..

Параллельно, в 1975 - 1977 гг. была разработала детальная биофизическая модель активного транспорта протонов в пластояиноновом цикле: фотосинтеза. По существу эта модель представляла собой развитие: общей схемы трансформации энергии применительно к конкрет-ншл условиям одного из звеньев Э1Ц. С новых позиций был рассмотрен процесс образования гвдрохинонов из хинонов и их распад. В частности, в модели был получен новый для того времени результат: туннельный транспорт электронов в пластохинон и последующий захват протона- могут протекать лишь в условиях, когда подвижный пластохинон образует прочный мпхазлисовскпй комплекс с ФС II. В последствии такие комплексы, были получены экспериментально и охарактеризованы. Это хорошо известные теперь акцепторные хапанные: комплексы ФС II, именно ОдО^.

Аналогично: перенос электронов с пластохшола /РОЕ^ / на систему цитахрош и яелезо- серных центров / ь6-г / и освобождение двух протонов во внутреннюю среду тилаковда таняе монет происходить только при образовании связанного комплекса, в которой соединены ищрохинол и система /ь6-г/ также по типу комплекса Михаэлиса. Экспериментальные подтверждения этого положения били получены сравнительно недавно».

Новым является и результат,.-касающийся процесса рекомбинации. Речь идет о переходе- возбужденного электрона с первичного- акцептора - феофитина на основной уровень ФС II. ?тот процесс протекает в физиологических условиях за время 10"'сек., то есть много медленнее, чем прямой процесс - с феофлтяна на Од. Характерное время последнего 10~^сек. В диссертации предложен т,;оуштзм замедления, который основан на приложении общей схемы туннельного пе-

реноса электрона к этому процессу.

Модель внутримолекулярного цикла была развита применительно к функционированию бактериородопсина. При этой были учтены специ -фические особенности поведения возбужденных электронов в полиенах, именно образование в них солитонов. Этот эффект интенсивно изучается в теория твердого тела. Солитонная модель процессов в бактв1 -риородопсине является новой, альтернативной изомеризационной модели. Ряд экспериментальных данных, касающихся функционирования БР, не вполне объяснимых с точки зрения изомеризационной модели, можно интерпретировать с позиций солитонной модели. Можно также сформулировать наиболее актуальные направления дальнзйгоих исследований.

При рассмотрении эволюции фотосистем продемонстрирован новый подход к оценке появления новой и ценной информации в эволюционном процессе.

Научная и практическая значимость. Разработанные биофизические схемы и модели процессов трансформации энергии в фотосинте-зирущях системах являются теоретической основой для интерпретация полученных результатов с одной стороны и для постановки целенаправленных экспериментов - с другой. В этом заключается теоретическая научная значимость работы. Практическую значимость работа приобретает и в связи с бурно развивающимся направлением - биоэлект -роникой, В последние годы популярным стало исследование искусств венных объектов бислойных мембран, в которые включены биологически активные мзкромолекулярные комплекса. /БР, реакционные центра и др./, а также активные макромолекулы. Затем эти мембраны могут использоваться как преобразователи энергии, в частности, как преобразователи светового сигнала в электрический в электронных схемах. Для дальнейшего развития этого направления необходимо знать какие-биофизические процессы происходят в этих макромолекулах.

Таким образом, в предлагаемой работе исследуются фундамен-

- ь -

•голыше проблеш биоэнергетики, которые в настоящее время приобретает все больнее практическое значение.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложе-ш и обсуадены: на II Всесоюзном биохимическом съезде /Тажент 1969/; на I симпозиуме "Проблем биофотонвки" Москва 1970/;- на II Всесоюзном симпозиума "Колебательные процессы в биологических и химических системах"/Пущино 1970/; на 17'Международном биофизическом съезде /Москва 1972/; на Всесоюзной конференции "Динамика биологических мембран" /Минск 1974/; на XII Международном ботаническом съезде /Ленинград 1975/; на I Советско-Швейиарском систо-зиуке "Биологические мембраны. Структура и (функции" /Тбилиси 1979;' на Всесоюзной конференции по биологической а медицинской кибернетике /Сигнахи Груз.ССР 1978/; на Международной конференции по ква-нтовойшшя и фармакологии /Киев 1978/; на Всесоюзном семинаре по кристаллографии /Бологое 1981/; на I Всесоюзной биофизическом съезде /Москва 1982/; на 4-й Республиканской школе-семинаре "Моделирование развивающихся систем" /Славское Льв. обл,1983/; на 16 |;ЬздународЕ. конференции ФВБО /Москва 1984/; на III школе-семана-ре "Лазеры в биологии" Драен оввдово 1385/; на Всесоюзном семанаре "Моделирование функционирования развивающихся систем с изменяющей- -. ся структурой" /Киев 1988/; на Всесоюзной конференции "Структурная динамика биологических мембран и ее роль в регуляции фотобиологл-чеекпх процессов"/Шшск 1983/;: ва III Всесоизн. иколе-сеьшнаре "Моделирование развивающихся систем" /Славско Льв. Обл. 1989/; на общегородском семинаре "Проблемы теоретической биофизики"; на кафедре Физической хишп МГУ.

Публикации. По материалам диссертации оп/оликовано 37 работ в советских к международных изданиях, в том числе 3 монографии.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов а списка литературы, изложенных на 276 стр. текста; содержит 37 рисунков, 4 таблицы,635 ссылок.

Глава I. СТРУКТУРА ФОТОСПНТЕППЕСКОГО АППАРАТА- И ТРАНСФОРМАЦИЯ ЭНЕР'ГЙ.

1.1. Структура фотоскнтетического аппарата. Этот раздел ирвд-ставляет собой критический обзор существувдих данных о составе и структуре фотосинтетичёского аппарата высших растений. Рассмотрены основные компоненты фотосинтетических систем: липидн, белки и белковые комплексы.

Особое внимание обращено на взаиморасположение различных белков, кофакторов и хромофоров в комплексах I я II фотосистем, В биофизическом аспекте это рассмотрение играет особую .роль, поскольку определяет геометрию ЭТЦ и, следовательно, путь электрона в фотосинтетических мембранах.

1.2. Функционирование ЭЩ в свете основных задач биофизики.

Основная задача биофизики фотосинтеза - проследить Ьуть преобразования световой энергии в энергию химического макроэрга- АТФ.

На этом пути можно выделить метастабилыше - "энергизованнне" состояния я соединения,время низни которых много больше характерного времени тепловых флукгуаций /время порядка 10~*3сек./,

В результате переноса электрона по ЭТЦ образуется трансмембранный электрохимический потенциал ионов водорода /л рН / и разность потенциалов /Л У"/г®пользуется для образования АТФ. Последовательность образования энергизованных состояний /ЭС/: I/ Возбужденные антенны обеих фотосистем. 2/ Энергизоваяный электрон. 3/ Эяергязо-ванняЯ протой. 4/ Напряженная кояформация белковой Молекулы.

В биоэнергетике можно проследить эволюцию этих состояний.

Первой в хронологическом порядке била концепция химического макроэрга, сформулированная Липыаном в 1941 г, Типичный пример макроэрга - ЙТФ. При его гидролизе выделяется энергия порядка 0,3+0,5 эВ. в зависимости от условий; рП, содержания фосфатов и аденилатов.

В развитие этой концепции било допущено, что в качестве проме-

суточных шкроергов могут быть соединения, содержащие "эпергизовая-енй" влйктрон: Синтез АН? происходит в результате прямого сопряжения при перемещении электрона по ЭТЦ и процессов в АТФ- синтетазе /CitGhell 1961,1965; Slater 1987/. Теоретически такой процесс возможен при условии тесного контакта / 10-20 %./ сопрягающего ¿актора (CFq -сг|с участниками ЭТЦ. Однако, современные представления об этом не свидетельствуют.

В целом;- гипотеза прямого сопряжения ухе .содержала отход от концепции химического макроэрга, поскольку энергизованный электрон скорее фактор физический, чем химический /Ёлдаенфельд 1974,1977, Чернавская, Чернявский 1977; Blxmenfeia, chemavskii 1973/.

Концепция энергизованннх протонов была следующим эволюционным этапом. Сначала она развивалась как альтернатива гипотезе химического макроэрга и в общем вцце была сформулирована Вильлысом примерно одновременна с гипотезой Митчелла / Williams 1961,1976/. Утверждалось, что в фотосинтезе, равно как и в дыхательной цепи, непосредственным донором энергии^ необходимой для синтеза АТФ, являютая протоны; обладающие избытком энергии. Допускалась возможность существования локализованных и далокализованных протонов.

Митчелл конкретизировал, и развил один из возмояных вариантов -запасания энергии гн«|>пизованных протонов - "делокализованные" прогоны / Hillв, KitchQll 1984, Mitchell 1985/. Привлекательная сторо-. па этого варианта в том, что величина Ä^f и a pH /.Û/U* >2,В "КТ-dpH/ :з принципе' измеримы, что дает возмояяость экспериментальной проверки. Во многих экспериментальных работах было получено подтверждение теорш Митчелла. Однако, при количественном подходе выявляется ряд несоответствий /ВлюмеЕфэлъд 1977; Bluaanfeld 1983; tseterhoff 1985/.

В фотосинтезе во внутреннее пространство тилакээда переносится два протона. Одпв за счет окисления воды, второй за счет окисления яластохпнонов. Одна молекула АТФ синтезируется за счет энергии двух

протонов, равной ?0,2- 0,4 эВ. Эта энергия меньше или равна энергии фосфорилирования, особенно, если учесть, что энергетический КПД синтеза АТФ меньше единицы, то есть энергия протоца частично диссипи- ■ рузт. Энергетический дисбаланс увеличивается в условиях импульсного освещения, когда ¿if » 50 мВ иДрН = О, хотя синтез АТФ протекает достаточно эффективно / ?rittI979; Schmidt, oräber 1987/.

Следует также учеств, что для переноса протона используются перепады энергии электронов на участках от водВ: до Pggo /ФС II/ я от пластохинона до tbg- f) комплекса. Эти перепады малы, - по сравнений с энергией света, поглощаемой ФС II /hüэВ/. С другой стороны большие; перепады энергии электронов при переходах внутри комплексов обеих фотосистем не используются вовсе:. Такое расточительство представляется не характерным для :живнх систем.

В качестве возможного решения этой проблема было предложено несколько гипотез: I/ Число эпергизованннх протонов, образуемых возбужденным электроном может быть больше двух /Witt 1971,1979; rergusson 1985; Hengarter et el.I987/. В этом случае энергетический баланс может выполняться с запасом. Однако-, данные о числе протонов противоречивы. Возникает также вопрос об их переносе.

2/ Измерение значения pH во впутреннем пространстве тйлакоида на соответствует свободной энергии накопленных там протонов. Это возможно, если распределение протонов неравномерна а они скайляМ-ются в локальных участках мембраны Дренделева i986; freeterhofir 1985; Sleter 1987/,

Упомянутый дисбаланс характерен Только для высших растений. • 7 галобактерий достигаются большие значения А^ и Д pH и баланс энергии соблюдается с запасом, то еств запасание энергии соответствуй ет теорий Митчелла,

Эволщионно следующим этапом была концепция локализованных протонов, предложенная Келлом /ке!1 1979, Kell et al. 1981,1982/

как некоторая модернизация гипотезы Бильямса. Речь гада о возможном накоплении энергизованннх протонов во внутреннем пространстве мемб-ранн; защищенном от водн, ила в белковых коетлексах. Развитие этой гипотезы было сделано в работах группы Уестерхофа / Westerhoff et el. 1981,1983,1984,1985; Juretic, Westerhoff 1987/ о'"мозаичном . хемиосмосе". Предполагаются возможные непосредственные контакты между АТФ- азой и отдельными белкаш, способными диффундировать в плане мембраны. Возможно образование дополнительного барьера между мик-рокомпартментами и водной фазой, где д Gp находится в равновесии с системой.

Привлекательной чертой гипотезы Келла, Дайли, а также Уестерхофа является более бережное отношение к энергии.

В плане решения проблемы транспорта знергизованных протонов имеется ряд предположений и гипотез:

I/ Протоны могут перемещаться по цепи водородннх связей, образующейся в слое полярных головок мембранных фосфолипидов / Slater 1987/. Нами это было специально рассмотрено /Чернавский и др. 1982/. 0 переносе протона по водородным связям по типу гродгусовского механизма свидетельствуют данные о быстром движении протонов по повер-' хности мембраны, что существенно превышает скорость диффузии в воде.' 'Протоны при этом должпн иметь анергию - большую, чем протоны в водной среде внутреннего пространства твлаковда и вместе с тем не пе-■ реходить в' среду. Это возможно, если существует энергетический барьер мевду цепыз водородных связей /ПТЦ/ и водой. Он может возникнуть в результате электростатического отталкивания протонов от скопления катионов вблизи отрицательно заряженной поверхности мембраны» Целостность барьера зависит от концентрат:;- катионов, величины трансмембранного потенциала, наличия разобщителей и т.д..

2/ Энергязованнне протоны могут транспортироваться подвижными переносчиками: белками или соединениями хинонового типа / Crofts,

ïTraight 1962; nich 1984,1988; Крвэделева 1986; araan.-Ôrt 1908/. Пример подобного транспорта - перенос протона в Q цикли. Протоны, образующиеся пря разложении воды; доллш транспортироваться без электронов. В этой случае, можно предположить наличие'Под-вияных белков со встроенным в белок хнноном. Нз исключено, что в естественншс условиях для транспорта протонов используются обе воЭ-

Î'.OSÏOCTÏÎ.

Концепция локализовавши протонов-, оставаясь по сути физической, все жв' блпяе к концепция химического макроерга, чем концепция Митчелла. Прсмокуточинми макроэргака здесь являются не просто протоки в водной растворе, a протоны, находящиеся на определенных химических группах.

Следующей была концепция конфорыационной энергии /ККЭ/. Она возникла давно й развивалась независимо, не пересекаясь с биоэнергетической. Сейчас:, однако, видна тесная связь ее как с проблемой хнглческого малроэрга, так а с проблемой энергязовашшх протонов. Ножно сказать, что она. занимает промежуточное пологение. Большую роль в этом сыграла формулировка концепция "белок- машна" /Чер-навскяй и др. 1967,1987/,. работы Спирит о $рйгцяонировании рибо-соет, Конева по кояфоркационкш переходам в механизькис регуляции /Копеа л др. 1970, Конев: 1986/, работы Школя /1967,1970/ о мышечной подзнжностя, работы по электрснно-конфоркацяонтш пераходст в реакционных центрах фотоскстем /Негров а др. 1980,. Рубин и др. 1987/, работы БлжзпФзльла- /1977/, работа ЕолькештТзйла Д975,' 1973/, Гольцавского /1986/,

В фотосинтезе ККЭ играет роль пря передаче возбужденного злак-тропэ екзргнзованному прогону и при сситозо к'Ш в солрятазицем фак-■ торг нрз преобразования энергии протспа в зпергп» ^осфорпо-эфирной связи.

Раеесотрпи предлагаем механизм процессов; з ККЭ згсзрггя ■

сэередоточена не на одной химической связи, а на многих слабит связях /водородные, ван-дер-вааяьса в др./,' но в пределах одной макромолекулы. . .

1,3, ЭлеыентарвнВ акт трансформация энергии. Нредгага'-ется иахвтзи превращения энергия электронного возбуждения в инш форш: химическую энергию АТФ, энергию, связанную с градиентом ■ Д рЯ и т.д, Оуть элементарного акта заключается в том, что влект- . рон, попадая в какой либо из переносчиков /или Группу их/, обла -дает.большей анергией, о покидая его, имеет меньшую энергию. Разность энергий используется для проведения сопряженного ввдвргояи-чэекого процесса /синтеза АМ!, активного транспорта протонов пробив градиента концентрации и др.А

Для осуществления процесса необходимо наличие молекулн-транс-|<зрш'х'ора /Т/, способной к электронно-конформациояному переходу /ЭкП/, а такл® предыдупшго /П^ / а последувдего /П^/ переноочикш. Прямой', что иолекулы и Е^ характеризуются основными уровняда . % а Ед, не шняющишся в ходе* процесса' /Рис Л/. Разность уровней /дЕпЕ^-!^/ — Еоличипа; передаваемой энергии,

В предлагаемой схема перенос электрона происходит ва счет туннельного кеханизш.. Скорость переноса зависит1 от расстояния езду переносчиками, высоты потенциального барьера для электрона „ И свойств акцептирующей шды./АМ/.

Характерные расстояния кжвду пераноечикаш в реакционных дайрах фотосьатем порядва 10- 20 й. Эффективная высота потешщально-■ го барьера зависим от наличия алентронофшпьных групп шзду пареноо-шша и ш. орЕэнтацЕЯ. В качестве таковых могут сыгь поливна, аро-• ■лтпчоскез группы в др. В бтои сдутаз вффзктивннй барьер равен

^ 2 вВ, соответствует наличаю, тше называемой, электронной • •¿Роны; 6 вретязнов елучаа барьер будет порядка Б + 10 эВ в рззуль-чагэ чаЬл туннельный перенос шкет быть сильно замедлен.

Г Л*

7 • е* , 1 "Г » 1 1 1

•я! |СУ 1 1

|___ 1 ш 1 ЕЛ

Рис. I. Схега трансформации энергии промежуточным переносчиком /Т/, участвующим в ялектронгго-транспортной цепи меявду переносчиками ^ и П^ .

- 1 I 1 е-1 ' 1 1 *> I

О

/ГЧ

Во Внешн. среЗу

^ 1X3 целы X-

Ч

Рис. 2. Схема внутримолекулярного

цикла трансформации энергии.

Акцептирующая иода /АМ/ представляет собой заряженную группу /или атои/, которая способна принять на себя избыток энергии Ь Ер Это происходит за счет возбуждения нормальных колебаний АН, которые затеи быстро /гКГ13- Ю12сек./ диссипирувт. Возбуждение колебаний' АМ происходит за счет сдвига ее центра тяжести, вызван- • аого перемещением влектрена. В случав, когда смещение мало /слу-, чай слабой связи/, она может принять лишь сравнительно малую порцию энергии. Этот вариант исследован Иортяером / «ГиЧпег 1976, В1хвп, Лг*пег 1689/. При втоы скорость електронного переноса • велика^ если разность уровней шла ¡А Ер£-0,1 эВ./ при больших значениях Д Е^ процесс очень сильно замедляется. Поэтому процесс в этих условиях называется "резонансная туннелированием".

В случае, если смещение АМ велик® /случай сильной связи/, АН принимает на себя большую порцию энергии /дЕ-^ I эВ./. При ятом скорость электронного переноса велика при больших значениях д Е и нала' при близких уровнях энергии влектрона. Обсуждаемая схема трансформации энергии электрона, основывается на свойствах . ."резонансного туннелирования"»

Рассиотраи молекулу трансформатор А/, которая может нахо-

*'

даться в четырех различных состояниях: Т°, Т", "Г0, X. 7 Т° - стабильное, нейтральное состояние. Т ~ - штастабильное' состояние, В которой електрон уже -присутствует, но молекула сохраняет форму окисленного состояния. Т~ - стабильное состояние', образованное в результате ЗКП. У® - КЕТаетабильноа состояние', в котором электрон уже отсутствует^ йо форда тлэкулн еде характерна для восстановленного.

При учете возможности електронного-перехода с П^ на Т° иг о Т ~ на Пд веет состоянии нестабильны. Предполагается, что в усло-впяг туннельного перехода алвктрона, уровни соседних переносчиков довольно блвдкв друг к другу. Процесс перехода состоит кз следую-

щих стадий:

1. Туннелироваше возбужденного электрона с П^- на Т°, .¿лто происходят примерно за миллисекунды / Т°+ о > Т/.

2. Переход метастабшгьного состояния Т~ в' стабилгное $ В этом состоянии электрон никуда на1 переходит, процесс: не является окислительно- восстановительным; происходит поляризация молекулы

с перераспределением зарядов, изменение ее формы, появляются мв»- . ханнческие напряжения и как результат ЭЕП - понижение электронного уровня. Энергия электрона, переходит в энергию конформации. макромолекулы. ; .

3. 1уннелировзнпе электрона в следующий переносчик /ГЪ,/ -/ Т ~ - %

4. Переход внергизованного состояния Т который сопровождается передачей энергии- другому сопряженному процессу. Возможны несколько вариантов: а/ Энергия метастабильного состояния Т представляет собой механическую энергию напряжения белкового тела; она гложет передаваться соседним молекулам и"использоваться как механическая. б/ Состояние I?0 имеет, избыточный заряд, например энергязованный протон; в этом случае 2-я стадия - переход Т ~— представляет собой просто протонироваяне молекулы трансформатора, благодаря присутствию избыточного электрона. После ухода электрона метавтабильноо' состояние /Т° / оказывается протонированннм. Его . кото рассматривать как прогонироваяную группу с низким значением рН.

Таким образен, этот энергизованный протон может переходят! на • соседние протонные переносчики; Затем энергия протона- моает быть использована при синтезе ЛТФ. .

в/ Изменение конформациониого состояния на 2-Й стадии может такгз; сопровождаться поляризацией -молекулы1, то есть смещением и ■ йоворотои электрических диполей, примыкающих к Молекул®, трансфор-

штору. В атом случае, избыточная энергия йетастабального состоял Вия / ЗГ является электронно-механической; она тоже может передаваться соседним молекулам в сопряженных процессах. ; ~ ' .' В фотосинтетических ЭТЦ реализуется вариант/б/, то есть образование энергизованного протона.

Чтобы показать роль "резонансного туннелирования", рассмот-1 рви к каким последствиям приведет не "резонансное туннелирование" • из Т в Пд, минуя стадию электронно-конформавдонного перехода. Энергия электрона при этом полностью диссипирует, то есть переходит в тепло и не запасается в какой либо другой форме свободной энергик. Вероятность этого "паразитного" процесса зависит от размеров барьера и размытости энергия электронного уровня. Барьерный фактор для" "паразитного" процесса; даже; ниже;, чем для нормального. Тем не менее при слабой связи, то есть в условиях "резонансного туннелирования", Гпаразитный" процесс оказывается запрещенным, пос кальку акцептирующая мода не ыожет принять большую энергию. Это значит, что необходимым условней "резонансного туннелирования" яв-■ ллегсяГв^долярно^ окружение, где имеется небольшое число акцепти-руюцях групп, шжет быть всего одна, которая мало смещается прв ' .- .туннельном переходе электрона. При нарушении этого условия, то .есть при контакте- молекулы- трансформатора с полярной средой, шунтирующий "паразитный" процесс оказывается разрешенным и анергия ''електронгц переходит в тепло.

Заключение. Первые два раздела этой главы содержат критический обзор литературных данных о структуре и функционировании фо-, тозкнтетичеокого аппарата.

Оригинальный материал содержится в'раздеяах диссертации /1.3/ - а /1.4/ где рассмотрена "возможные механизмы преобразования энеру . гая электрона как в последовательной цепы переносчиков /1.3/, так п в одно! шкро?мленул&, такой молекулой может быть хромофор /Рис,

-17/1.4/. Они являются основой для последущпх глав, где рассмотрено • . прплояонйз фязичзских схем к конкретишя процессам: I. Трансформации энергия в реакциях с платохипопамн. 2.Рекомбинации влектрона с первичного акцептора ФС II. 3. Эяоргизаяди протонов в бактериородсп-сане.

Из рассмотренных в этой главе схем следует, что перенос эЛоктС/ pona по ЗТЦ происходит за счет тупнелпрованяя й один из паяный этапов этого процесса' - трансформация энергот в иные формы.

Глава II. МШЛБРАШАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ФОТОСШТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА п РЕГУЛЯЦИЯ ФОТОСИНТЕЗА.

Вторая глаиа посвящена строению хлоропластов я регуляции функционирования. Состоит из двух разделов. ,

2.1. Избранная организация хлоропласта. Раздел имеет характер литературного обзора, в котором обсуздаэтся известные данные о структура1и функционирования хлоропластов. Следует отметить, что некоторые вопросы строения гран и тилашвдов в насгоящееУДискуссиой-г. rs. Другие - просто не вполне ясны. В обзоре внимание.сосредоточено тленно на таких пунктах. Сделана попытка внести ясность и пред-лойить'варианты решения этих проблем.

Первый неясный вопрос касается структуры хлоропласта и тилаков-доз. В литературе часто используется понятие- внутреннего пространства без додшого разъяснения. Анализ данных приводит к представлении о том, что имеется три вложэнных друг в друга' и взаимно изолированных пространства: I, Внешнее /ио отношении , at хлоропласту/. 2. Строулльноо, сообщающееся /partition gap / и 3. Локулярное.

- "Стротлалыгоа- оказывается внешним по отношэнпв к локулярноагу, . . по внутреннем по отношению- к -протоплазма» Но исключено, что па рял-пах зташх аполпцпи локуллрноэ пространство сообщалось с цз5,топлайИо2 я тогда поело бпло говорить' об одном.внутреннем пространстве, б

этой случае процесс выделения протонов из стротального пространства • бил бы полностью аналогичен выделению протонов из внутреннего пространства во внешнее в митохондриях, галобактериях и других объектах. На последних этапах эволюции локулярное пространство- оказалось Изолированным от цитоплазмы, что было эволюционно выгодно, поскольку способствовало сохранений большого градиента рЯ..

Второй вопрос касается характера разных структурных состояний

i

Хлоропласта; в литературе обсуждается два предельных состояния: I/ стыкованное и 2/ расстыкованное. В первом, гранальныа тилакоиды плотно прилегают друг к другу, так что толщина партиций уменьшается примерно до I юл. При этом внутри граны остаются лишь комплексы ФС II, в то время как комплекс ФС I и свето-собирающие-коыплексы /ССК/ вытеснена' в краевые области граны /маргинальную/ и в стромальную. Расстояние между ФС II и ФС I оказывается порядка 500 нм. Это состояние возникает ,; прй достаточном содержании солей в условиях фосфорилирования ССН, в частности, оно реализуется при высокой о о-, ■ вещенности,

'Второе предельное состояние - полностью расстыкованное. При ьем граны распадаются на отдельные тилакоиды. В этом состоянии ком'' т/яексц- SC I и ФС II, ССК, сопрягающий фактор перемешаны и разница пзяду' гранаЛышма и строшльшши тилакоидаьш исчезает. Это состоя-,, inm реализуется в темноте и при низком содержании ионов. На основа-■ пяа детального анализа данные шш сделать утверждение, что суще-гл'вуот третье - промокуточлое состояние, которое можно назвать не-и*шго стыкованной граней. В этом состоянии размеры партиций доста- • точно велики и в них мояет разместиться ССЕ вблизи ФС II. Это состо-ixHKO реализуется пра достаточно слабом освещении. Еа.пао, что грана V ЭТОЙ СОСТОЯНИЕ', хотя и являются довольно рыхлыми, по сравнению с полностью спресованными, но содержат большее число тялакоидов. Оно, гсгзпдЕмому, является: достаточно лабильным и сравнительно легко пере-

годит как в полностью спрессованное; так и обратно - в.рыхлое. Роль этого промежуточного состояния ваяна в регуляции.

2.2. Механизм регуляции фотосинтеза. Основная задача регуляции световых процессов - обеспечить синтез АТФ 'и НАДФН в широком диапазоне их соотношений. Скорости синтеза этих продуктов должны регулироваться независимо друг от друга. Кроме-того рагуляторные механизмы должны выполнять защитную функцию - предохранять фото- . синтетический аппарат от деструкции при высоком освещении. .

В растениях используются следущие механизмы регуляции: Г/ Переключение нециклического транспорта электронов на циклический. 2/ переключение с фосфорилирукщего пути на базальный /основной/ или изменение соотношения АТФ и НАДФН 3/ Регуляция скорости электронного транспорта. В нециклическом потоке электронов образуй ется АТФ и НАДФН в отношении- I/I; в циклическом - только- АТФ, при базальном потоке - только НАД®. .

2.2.1. Переключение нециклического транспорта электронов на циклический. При нециклическом транспорте электрон проходит всю ЭЩ, включающую обе фотосистемы. В результате образуется два энергизованных протона, кофые используются в синтезе АТФ и восстановлении НДЦФН в отношении I/I. В циклическом.транспорте; участвует только ФС I. Поглощение кванта света приводит к образованию одного энергизованного протона^ который возникает за счет пласто-хиноиового механизма. Возможна энергязация и большего числа протонов за счет прямого взаимодействия: электронной и протонной тран- • егоргнюс цепей. Для переключения нециклического потока; электронов . на. циклический в лабораторных условиях используются! ингибитора1, разобщителг, искусственные экзогенные кофактора /Кренделева 1986/» Другой, возможный механизм регуляции - перераспределение; энергии: мевду фотосистемами; Основную роль в нем играет фосфорялированив ССК / Ben«venture et el. 1969} Kylt, Arntswn 1983,1984; АЦ«й

L'jlnao 1986; L'olic, Andorccn 1987; <Тогс1тотг, Gslchev 1987; ii&lea 1987/. В условиях, когда CUK находится в гранах вблизи ФС II, световое возбуждение антенна ССК преимущественно пореходит на ®С II, при тэтой'преобладает нециклический транспорт. В условиях, когда ССК ehtsghoh из гранальной области ыамбрав в строгальную, световая енерггш перераспределяется и часть ее, ранее попадавшая •в §0 II, теперь переходпт в ФС I. П-репыуществом обладает циклический транспорт электронов. Циклический транспорта чистом виде нэ реализуется. Для его поддержания на достаточно высоком уровне, необходим некий шнншльппй нециклический поток / i?itt 1971,1979/. Таким образом, перестройка гран играет важную регуляторную роль.

' Крогае" того, переключение нециклического на циклический поток тжпзт ¿йгршсхэдпть эа счет' торможения нециклического транспорта НАДФН и НАД® /Кукарских' и др. 1987; tlooler, Tecun 1987; ®sis et ol- Ь87/.

йзханизи переноса протона от II к А.ТФ -сантетазе различен а рамках модели Митчелла, п Впльяыса,-К.елла. Возникает серьезная проблема переноеа опергизовапного протона от ФС II к ФС I при не.....£-г;ашчсгокоп фосфоршшрованши йак упошакалось, ФЦ II и ФС I в ооо" гглгшг плотной стпковкгг .шибран различны, и ..расстояния между ними 1 - '..грядка 500 ш...Вовшгаш.етодуещпа шриакш: 1/ Диффузия протона * 15 всдной средо локулярного пространства, что соответствует схеме , • >о*гчзлжг.- 2/ Перенос протона, по полярыан группам фосфолипидов по

^"таутрщпгшг поверхностях внутри, кзабранн /по фосфатным Головкам/» vS'/ Пзрэжгк 'эн-'эршновашшх нротовов-белколиш дераноочигамя типа

--астоцсапспа......

- " Два- нтаюдшх варианта. соответствуют схеме Bamsraa, Келла. . ("• -шгогто всех лорояислоппаг. случаях лерзноо на расстояние иоряп-500'нн требует длительного .врешна.. В .связи с втим в.данной га тгродазтаетоя' четвертой вариант. Оуть его в следующем: при-

веденные выше три состояния гранальной структуры мокно рассматриь ч ~ ватв как предельные п реализующиеся в экстремальных условиях. . А при физиологических уоловиях в нативннх хлоропласта* имеет место динамические "равновесие, мвзду этими состояниями.. Иными, словами, грана представляет собой весьма лабильную систему, в которой постоянно протекают процессы, стыковка ^расстыковки.. При атом более подвижные комплексы /ССК, АТФ- синтетаза/ .могут постоянно перетекать и вступать в контакт с ФС 11 в гране или с ФС 1 в .строма.

Мошэ говорить о наличии непрерывных, пульсирующих, волн, типа, отмеченных Коневым /1907/ волн перестройки. Ответить на вопрос, каков физический механизм вх возникновения, сейчас трудно.

Можно; однако, отметите» что необходимые условия для возникновения таких авговолн ееть: автокагалитический характер фосфорйЛй-рования ССК, пороговая зависимость циклического транспорта от нециклического и лабильность гранального сгекинга.

2.2.2. -Переключение, с фосфорилирующего пути на базальный /основной/. Этот механизм необходим для регуляции отношения АТФ/ НАДФН, Факт переключения замечен давно .и широко обсувдалсй В работах Витта / Witt 1971,1973, 1979; Gräber et öl. 1977/, Авроня / Rottenberg et el. 1974/ и других работах /Кренделева 1986} Рубин 1987, 1987а; Рубин и др. 1987У. Нами это подробно обсуждается в книге /Чернявская, Черпавский 1977/. предлагается несколько вариантов вгого механизма: I/ В лабораторных условиях ^выключение сгптеза АТФ довтигается обработкой разобщителями,, обеспечивающими ! пассивный транспорт протонов через мембрану. При. этом избранный , потенциал п разность концентраций А pH Исчезает и синтез, АТФ Прекращается.

В ряде работ показано, что для синтеза АТФ необходимо некоторое минимальное значэние потенциала порядка.20+ 50 мВ. / огаап, Ort 1983; Witt 1979; Junge et al. 1984, 1986; Schmidt, Oraber

1887/. Синтез протекает эффективно, если А^ больше порогового йначшия. Можно считать, что Бффект пороговой зависимости фосфори-лирования от величины мембранного потенциала имеет регуляторный . " характер.

Мембранный потенциал может влиять на конформацию АТФ-синте— тазп /сг-ЁЬаг ег а1. 1977, 1984; ЭсИегег 81. 1988/.

В рамках схемы Вильямеа, Келла возможно влияние.поля.л. на . . -локализованные в мембране или мембранных доменах внергизованные протоны. Они должны быть отделены и защищены от воды как в месте образования, так и по пути к АТФ -синтетазе. йх транспорт может происходить с помощью подвижных белков переносчиков, либо по специальной протонно-транспортной цепи. В обоих случаях распределение варядов на поверхности мембраны влияет на транспорт протоков.

• Мембранный потенциал может также влиять на расположение тлэктронных уровней.

" Во всвх перечисленных случаях имеется общая черта: завися- . пасть эффективности фосфордлирования. от мембранного потенциала 1нзет "пороговый характер с паследуищш насыщением..

' -2.8,- Регушщид скорости.алактронного. транспорта. Существуют регуляторные механизм* обеспечения скорости фотосинтеза и без-,. ' ••■тг,тетания соотношения. кТФ с.ШДФН. Одним из ¿»аких факторов может ,. ' быть кислотность среда как внутренней / рН так и внешней /рИбХ</. Бь-йсто эЗгях величин часто используются срадние значения рН-, "вшнно рН, равные /рН1п + Рнех/: 2 и л рН 15 рН 1п ~ рНех.

ЭкеперЕйгнтальнЕге работ о влиянии лрН и рН на скорость V .шк-гронного транспорта' балл начаты работами группы л:<гона / Ногеп-

е1 ы: 1972,1974; Р1вк ег аХ. 1974; ВеыЬег£ег ^ в1. -1973/.' , .аябергер с .сотр. доказали, что зависимость имеет когаактный вид, роли.скорость представить как функцию рЫ и ДрН /Рис.3,.а/. На'рис. .' б п Зс пршедеш шмшчзннвв наш теоретические данные / сьегпау-

10^ Рис.3.

_ Л — зя!шсичсн"Г1» электронного потока от рТТ н ЛрН по экспернмсн' т:».и,11ыч д.-шпич (и.ппЬсгрег а!.. 197.3) и В, С — результатам расчета по формуле (7.15), по ОС11 ординат — легток электронов и микромолях посста: иопленигло феррпцнлнндя ня 1 мг 'хлорофилла в час, ло оси абсцисс — 1)11 среднее

\

а

Рис. 4.

Энергетическая схема участка ЭТЦ, включающего первичные процессы;

а/потенциальный рельеф электрона б/Схема переноса"электрона

*

Рио. 5. Зависимость скороски туннелирования

/в условных единицах/ от разности энергйи электронных уровней:

а/при сильной связи '■.

б/при слабой свя^и

ekii ®t al• 1975; Chernavefcaja et el. 1977, 1977а/. Скорость электронного транспорта максимальна при значения рН « 7 и. резко падает нря-отклонении в любую.сторону. Полуширина кривой составляет 0,5- 0,7'единицЕ рВ. Зависимость от А рН монотонна, скорость падает пра увеличении л рН.

В естественных условиях роль рН велика, поскольку при изменении рН на единицу, скорость меняется на порядок, в то время как

I

другие факторы- /д рН, интенсивность фосфорялироваяия/ меняют скоро-, сть^олее, чем в 2-3 раза. Однако, величина рН сама зависит от активного транспорта^ протонов, связанного с пластохинонамг. Таким образом, перекос влектрона на уровне участия пластохинонов, является . авторегуляторния фактором / Bagan, Cottinghem 1985; Мс Cayley 1987;

et cl." -JS87; iuebaidt ,1988; Petersen et al 1988/.

Теория процесса;. электронного переноса с участием пластохинонов была разработана в наших работах 1975 - 1977 годов. Ряд гипотв-тачосняк прьдпилокенвй впоследствии были подтверждены экспериментально. Предложена следующая схена..Перенос электронов пластохино-. . нами' обязательно сопровождается переносом протонов. Необходимость а такой: сОпряЕенш »продиктована тем, что ион-радикальные формы плас— 5?OXEHOHOS не растворит в яирах и нэ могут диффундировать в лшщд- ' " 'ном слое; К втоку способны лишь: стабильные не. заряженные формы; ими югу® быть либо еаш пластохияош, либо гидрохинонн Дангулов и др, . 1974; Олескигг,- Самуилов 1988/*. Последние образуются при присоединении. нрзтшюв к отрицательный ион-радикалам пластохинонов. ОВП плао^-этшшшов бливет к нузш, "а ОВП последующего переносчика ЭТЦ /b6-f/. ¿Овне 4- 0,36 аВ» Эта шэртия, которую отдает.влектрон, может быть нспользовощ для сяергнзащш протонов, то есув переноса их против градиента концентраций.. .

В нэршлыш условиях нервное электрона пластохиноншш является оаиам-вядявйяш i&msm 8ТЦ; определяющим кинетику электронного

транспорта, поэтому факторы, влияющие на цикл пластохинонов, являются регуляторами скорости электронного транспорта в целом. Схема процесса включает следующие стадии:

1. На внешней стороне мембраны в месте расположения ФС II, точнее первичного акцептора включается пластохинон /PCL/. Процесс втот дажет ■ Вить описан как образование фермент-субстратного комплекса типа комплекса; Михаэлиса /Е + Püj^EPQ /. /Е/- акцептор.

2. Электрон туннелирует в PQ / ЕРО + е~ ЕРО "/♦

3. Ион- радикал EPQ" связывается о протонов,-^поступающим из внешней среды; образуется нейтральное соединение

/EPQ- + ff^EFQH/.

H-j

Гидрохинопп /пластохинолы/ содержат два атома водорода: /PQIIg/. Для их образования необходимы Два акта присоединения электрона и прогона соответственно.

4.. Образовавшийся гидрохинон покидает ферментативный комплекс, и, диффундирует к другой стороне, мембраны. Гидрохпноны, точнее их полярные группы, способна к быстрой латеральной диффузии по поверхности меибрятг, поэтому процесс возможен при наличии Каналов из внутреннего пространства,, которые близко подходят к внешней сторона мембраны..

5; Гидрохинон присоединяется к блоку / bg »f/, образуя снова комплекс, типа михаэлисов'ского.

6. В блок / ьб- t / туннелирутат последовательно два электрона1.

7. Освобождающийся энергизованный протон поступает во внутреннее пространство тиладовда.

8. Комплекс распадается на свободный белок и молекулу PQ, которая диффундирует обратно и снова участвует в реакции переноса»

' Сопоставление схемы с електронно-конформационнс-й. гипотезой /гх.1 / показывает, что в пунктах 2 и В происходит туннеяироваяиэ ■электрона. Следовательно, уровень пластохянона должен, быть близок к уровню акцептора $С II - его нижнему положению, а уровень гидро-

хпноиа долкен быть близок к уровню b g или t . Уровни акцепторов II и блока / bg-í / различаются примерно. на С^36 эВ. При присо-, едпенении протона к EPQ" - 3 стадия, уровень электрона понижается на. 0,36 зВ, поскольку приближение положительного заряда эквивалентно поляризации среда, то есть происходит электронно-кокфоршцион-ный переход. На стадии 7 имеет место обратный ЭКП, сопровождающийся выделением энергии. В данном случае- в виде выделения протона., попадающего в среду с болыаой концентрацией протонов. Состояние BPQ- - 2 стадия и ЕРСЗН* - 6 стадия метастабильны и являются аналогам® состояний Т ~ и £ 0 соответственно; состояния гидрохинона и: хинопа аналогичны' f " е Т

В заключение этого раздела обсудим основные положения схеш й свете полученных к ^стоящему времени экспериментальных данных^ 1 а/ Подвижный пластохшюн. образует комплекс с: ФС II и функционирует как переносчик Sg, что необходимо для туннелирования электрона; это подтверждено экспериментально.

б/ Подвижный пластохинол- /PGílg/ прочно свявавается с комплексом. '¿ъ^-ги функционирует как электронный донор bg и £ я далее пласт оциашша. Это необходимо для туннелирования двух электронов.

Экспериментальные данные об образовании комплекса[POHg-ibg-f Î) . появились сравнительно недавно /Олескин, Са^илов 1988а; Норе, .Rich ' 1989; .loaos,Jacküon 1989/-. Были.найдены специальные ингибиторы места связывания пластогшода, такие, как стиггателлин и др. / frabot 1987; El-Dsnardash et ol. 1988/.

в/ Положение о туннелироваяшг электронов из и ©g -сейчас нз вызывает сомнения, поскольку процесс может иг'отекать- при низкой температуре. Вопрос о температурной зависимое.-,, восстановления (bg-f)emo нуждается в исследованиях.

В теоретической план© для понишния работы двухэлектронного шлюза, важно, чтобы уровни электронного донора и акцептора были

близки друг к другу. В случав последовательного туннелирования двух электронов из 0а в Од перенос первого электрона влияет, вообще говоря, на положение второго уровня. Принтом играют роль два фактора: во-первых, уровень второго электрона повышается за счет электрического поля первого электрона, уже присутствующего на 'во-вторых, уровень второго электрона понижается за счет резонансного взаимодействия с первым электроном и образования В' хиноне кольца сопряженных связей. Оба фактора, поввдимэду,компенсируют друг друга, так что электронные уровни хияона Эд и ион-радикала Од оказываются близкими.

Электронные уровни акцепторов на стороне расположения (ьб—) также близки друг к другу", то есть их ОВП отличается незначительно. Благодаря этому оказывается возможным туннелирование первого электрона из хинола в ь6, при этом он переходит в ион радикал РО^4 и туннелирование второго электрона из -РЭН^ в г. Таким образом, химическая структура- пластохинонов оказывается как бы специально приспособленной для роля двух- электронного пшоза.

На основании рассмотренной выше схемы была построена математическая модель и определена зависимость скорости электронного транспорта от величины АрН и рН, Были оценены реалистические параметры в модели. Полученные данные приведены, на рис. ЭВ, ЗС, пз чего следует, что результаты модели качественно согласуются о экспериментом. Таким образом, величина рН действительно является эффективным регулятором скорости электронного транспорта.

Из модели ясен механизм этой регуляции: при понижения рН тормозится стадия выделения протонов- во внутреннюю среду, а при повышении рН тормозитея процесс присоединения протона - 3 стадия.

2.4. 0 вовмояпом механизма Торможения рекомбинационных процессов в.реакционных центрах. Известно, что возбужденный светом электрон в ФС II туннелируэт в первичный акцептор - феофи-

ГЕН /I / за время Ю~^сек. / Freiberg et al.I985; Psschenko et el. 1985; Woodburey et al. 1985; Шувалов 1987; Борисов, Проскуряков 1987; BergstrSm et al.1988; Schloder, Srettell 1988; Michei-Beyerle etI988; Wasielewski et al. 1989/. При ЭТОМ электронные уровни между феофатином и <3д должны быть расположены достаточно близко друг к другу /выделение энергии порядка: ДВс0,1 эВ/: Р I—?Р+ I"; РИС. 4.

Затем электрон туннелирует в хинонный акцептор (Зд ва время 10~*°сек.: Р+Г Од—i»P+ I Од . Лри этом выделяется энергия ■ порядка 0,6 эВ, Исследована также кинетика процесса рекомбинации, то есть переход электрона с феофитина на нижний /основной/ уровень PggQ: Р4" Г"—>Р I. Последний осуществляется в случае, если хинонный переносчик Од заблокирован /закрытый РЦ/. В условиях эксперимента блокирование переноса электрона на Од достигается g помощью различных модификаций, воздействием дигитонином, аскор-батом, как это сделано, напрмер в работе /Логунов и др. 1988/. Рекомбинационный процесс протекает за время порядка 10""®-10-Г7сек; при' этом выделяется в тепло энергия /диссшшрует/ д Е s* 1,2 эВ. Все упомянутые процессы слабо зависят от температуры в интервале от 290° К до 90° К; скорость рекомбинации меняется примерно в три раза /Борисов, Проскуряков 1987; Шувалов 1987; sebban, V7r-aightI989} Hubbart, EvansI989/.

Такое соотношение сроростей биологически оправдано, поскольку процесс рекомбинации является как бы "паразитным" я ведет к потери энергии. Поэтому скорость его должна быть существенно.меньше скорости перехода электрона с феофитина на Од. В пробивном случае КГЩ фотосинтеза был бы существенно нее.

Возникает вопрос о физическом механизме замедления скорости ;;з1'о;лбьшацйонного процесса. В работе предлагается механизм провеса, основанный на туннельном переносе электрона с участием

двух акцептирующих мод: одна - слабо связанная, другая - сильно связанная. Туннелироваиш электрона с участием двух актирующих мод рассмотрено в работах /Чернявская, Черпав ский 1977; Догонад-зе, Закарая 1984/.

Характер связывания акцептирующей моды рассмотрен в работах Нортнера /«7ог1лег 1976,1980, В1:свп, ¿оггпег 1989/для случая ■ слабой связи и работах Хопфилда /норГ1в1<1 1976/ для случая спль-пой связи. ИЗ данных Яопфилда следует:скорость процесса велика при достаточно больших сбросах энергия, . '

В рассматриваемом нами случав, когда, сила свяЭи существен-' но различна, достаточно оценить скорости процесса. В процессах будет участвовать та акцептирующая мода,, которая обеспечивает больщую его скорость.

Расчеты показывают, что прямой процесс протекает при участии слабо связанной моды /Рис.Б/. В процессе рекомбинации участвует сильно связанная АМ. Проведенные оценки показывают, что туннели-рование электрона в условиях слабой связи /резонансное туннели- • рование/ действительно может обеспечить достаточно большую скорость прямого /физиологического/ процесса с малой потерей энергии. Вместе с тшл; оно обеспечивает торможение рекомбинационного процесса /с большой потерей энергии/ нэ смотря на то,- что электронный барьерный фактор при этом, практически, такой же, как и В первом случае.

Иным словами, резонансное гуннелирование здесь играет роль естественного регулятора, препятствующего большой диссипации энергии.

Заключение. Из раздела 2 Л. следует, что отруктура фотоеннте-тьческого аппарата весьма лабильна и ее перестройка играет рёгу-ляторпую роль.

В разделе 2,2, показано, что мембранный потенциал кокет

обесйеыивать регуляцию переключения нециклического транспорта на циклический и с фосфорилирующего на базалъный и обратно.

В разделе-: 2.3. рассмотрена оригинальная схема' переноса электрона пластохинонаш, с образованием энергизованного протона. Плас-тохиноновый механизм играет регуляторну роль.

В разделе 2.4 показано, что процесс: рекомбинации может бить .^писан в рамках теории резонансного гуннелирования.

1 Глава III. СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ЕАКТЕРИОРЩОПСИНА.

3,1, Литературный обзор. Основная проблема в функционировании бактериородопсина /БР/ - механизм энергязацин протона за счет света:, транспорт энергизованного протона во внешнюю среду и неэрерги-йованного из внутренней среды по цепи переносчиков. В обзоре обращено внимание на следующие вопроси:

1,Расположение ретиналя.

2. Фотоцикл ВР с образованием следующих интермедйатов:

• . БР570^г,%90-'К61О_+1'5БО—^"И412~*',,520~'0640Г*БР570 .

Нижние шщексы соответствуют длине волны в максимуме; поглощения.

.....'3* Кинетика возникновения фотопогенциала на ориентированных

пленках. Выявлена быстрая афицательная фаза, соответствующая ак-

'' тивноцу переносу протона через мембрану.

4. Обсуждены имеющиеся модели функционирования. Согласно изо-иеризационной модели на первых стадиях фотоцикла- происходит транс-• - цяе-^13,'14 изомеризация. В результате чего протонированный я Шффова основания /ТО/ перемещается на ~ 3 8 и приближается к. положительно заряженной группе. Энергия протона, при атом повышается, , то есть образуется энергизованный протон, который переносится: во внешнюю среду п@ цепи переносчиков. На последующих стадиях проис- • ходит обратная изомеризация и соответственно протонированже.

3.2. Схемы йпшхшондроваиия. бактериородоисина . Схема функционирований' Б? разработали с учетом туннельного механизм«-

Рассматривается молекула, содержащая две электронофилыше группы, разделенные барьером /рис.2/. Во 2-Й яме имеется два уровня, отстоящие друг от друга на величину лЕ0, равную энергии светового кванта. Это означает, что. вторая яма является хромофором. Уровень 1-й ямы близок к верхнему уровню 2-й ямы, но несколько йй-яе1 его. Рассмотрим протоняо-акцепторную группу У0„ расположенную вблизи хромофора» На рис. 2 она расположена справа,и группу Ур удаленную от хромофора» Процесс состоит из следующих стадий:

1. Возбуждение электрона светом во 2-й яме,

2. Туннелирование электрона в 1-ю яму с верхнего уровня 2-Й я?,иг. Благодаря' этоглу энергия протона- в У0 повидается и становится возможным перескок протона- на Ур Это состояние протона на рис, 2 изображено пунктиром.

3.' Переход протона с переносчика У0 на и соответствующие конформационные изменения. Уровенв электрона в яме 2-й при этом повышается. Соответствующее состояние, ямы II представлена пунктиром.

4. Электрон туннелирует из 2-й ямы на нижний уровень 1-й. Для этого необходимо и достаточно, чтобы эти уровни- ям были близки друг к друту.

5. Конформационные изменения макромолекулн1 — релаксация к исходному состоянию; заполнение протонной вакансии в У0 протоном нз внутренней среды: по цепи "1".

Изложенная моделв. встречается, однако, с двумя трудностями: зо-первых, электроны в ретинале делокализованы как в исходном состоянии, так и в возбужденном. Иными словами, в ретинале нет двух заранее существующих потенциальных ям, содержащих-локализованные . уровни. Во-вторых, при тугагалировании электрона на расстояние по-. рядка 10 Я возникает, как правило, неспарвшшй спш!, который фик- . сируется методом ЭПР. В то же время попытки обнаружить сигнал ЭПР

в БР показали, что такой сигнал отсутствует н, следовательно,

• нескомпенсированный спин в БР не образуется.

Однако, эти проблеш легко разрешаются,. еош - учесть специфические особенности олоктропппх процессов в полиенах, к которшл - относится и рзтиналъ» В последнее время процессп в- световозбук-Дояннх длинных полиенах интенсивно исследуются как вксперямен-

• тально, так и теоретически /эй ог о1. 1979; ЗсЬг1е:ЕТог 1984/. Наиболее втшко для нас результат саклгчазтся в следзткцвк:

I. В световозбугденпои полконэ. делокалязоватюо состояние ЕС устойчиво и переходит в состояние, в которой имеется два1 локализованных уровня: /то есть две ямн/. Образованна двух ям происходят спонтанно, за счет автолокализацаи зарядов. Одна .из ям ,-, ладает отрицательным зарядои /в не! содержится.влактрон/, другая-полозштельшш /содернит свободный уровень — "дырку"/.

'¿. Автолокализованные в полиеце» ¡заряды- па обладают спином п, следовательно, сигнал ЭПР б такой систего отсзгтствует.' Зтп заряди; получили спецпалыгоз- название — солитошг. Таким образом, солйтонная модель ноазт рассматриваться, как частный случай общей схеш вдуаршлолекулярного процзсса трансформации кнергшт, когда кофактором является полпзн. Свзтоиндуццровашю8' образование дьуг варяпетшх 0СЛП50Н0В эквивалент? возвикновеншэ двух потен-цсальишг о с локалпзоианшжа ^шк аязктроянаш уровкяш. При втоа- в отрицательной саюшнп»: »тот уровень занят влектронон, в нолоактошюп солитонс — урогопь свободэп, ряс. 6 .

Нрпкспоппо теории солптоков для коротких-полезков сделано • . Чернавсшл /198В/, а «кап® а коек работах для е-^тсрпородспоиш /сЬогпа-гс^ада, сН«яш»ок11 >1985, ЧорнавОЕЕЙ : Др. 1989, 1983а/. • Но сго-зеть!" она-саодзтзя »гшдоршзацкл ь:одеял туннельного переноса в- оледулвд*: иута-аз::. • •

во/ Бкзсто хфоцзсоов тупаелированля после возбувдения /2ста-

1 Ь9 С

-г- нл? нх1

5п-Ч ^Л, . V

£ к

—- н

ИУн.С.1 —

4 ки- [ с

1к кь'

«1икс

' Рис* Сл»п<к бР-и.илла.

салзол сз - сооп1б^гг<тйугт7конфор«ааии опеала; ' шяЗо* -сбст&втст8уегт ¿¿-яонфор^аашх. опсаыа; сш«А»л -><•* л5о>на««т скрученнуо к««рориашмо ретпилал*. лгре*ос«илс£ контакти-

рует с 'ср*£ои г А*... лоитаята,-

Р^гт с 6г*уюр8*ней. средой ', С- кзктр-аон рвти--. моля 5 траленим.; л*ала 0 и. 0 5 К и. ли-* форная- а&иат заряд» солате#о&. 2#ерги и&ш-нш протон онружзп путтчром.

* и*

Схема электронных, уровней я химических структур первичных интермедиатов БР-цикла

а/ схема электронных уровней; сплоиные линии соответствуют занятым уровням, пунктирные — свободным/, б/ схематическое представление об образовании а фиксашш сояитонов в пер'^ ' вичных стадиях БР-шкла.

дед/ .происходи? образование солитона. При этом, крош смещения электронной плотности /как при туннелирования/'происходит'такжо изменение чередования связей в полиеповой цепи ретиналя. Эта стадия протекает в два втапа: I/ образование солитона за время 10"*^ сек; и 2/ фиксация- солитонш за время КГ**сек. Этим етапам гетто сопоставитв образование интермедиатов фотоцикла BP / j и Е форм/.

б/ Вместо обратного туннелирования /4 пункт/ происходит аннигиляция солитонов. При этом, как и в туннельной модели-, происходит обратное1 смещение электронной плотности и, кроме того, изменение альтерации связей - возвращение его к прежнему порядку» По фиг-знческому смыслу и, вызываемым последствия,! процессы образования с еолитонов и аннигиляция их близки к процессам прямого и обратного туннелирования. Поэтому другие процессы /поляризация, сдвиги про. тонов и т.д./ в солитонной модели пшют тот же характер, что и в туннельной.

Теоретическая модель БР -цикла, основанная на этих положениях и- учитыважря таикг конфортагдаоннне-; переходи в опсйне, была рас-сглотрепа ншш в монографии /Чернавский и др. 1989/. В исходном состоянии EPgyg- гране рвтияаль. Азот Шпффова основания ДО/ пра-тонярован, вблизи' ШО расположен контр- ион С; протонные переносчики Aj-и Ао ~контактируют с внешней средой; цепь протонироважшх переносчиков: НА^, HXj, HS2 контактирует с внутренней средой /рис. 7 /. Переносчики цепи 7 /С, Ар J / депротонировашг, пареное-чики цена 1 /Ау Хр / лротопировака, их рК 9. Первичные процессы: БМЗР'^*I-»J->>K таковы 328, как и на рис. 6 • Видно, что состояние I ¿солитона сформирована, но не зафиксировали - влектронковоз-бувденпоЕг. В Л ва|Л1КСЕроваи положительный солг.гон в области, близкой к ШО. Для этого процесса-необходим сдвиг протона от ШО к кевтр» -иону С, благодаря ч'егду уровень электрона в положительном солитоне. становится некйг, чаи в отрицательном и состояние Л становятся эле-

ктронно не возбеяденным.

В состояний' К зафиксирован также отрицательный солитон в области атома Сд.-Д^я этого необходим сдвиг положительногоУ^ишолл в направлении к ретиналю. Следует отметить, что последовательности процессов фиксации может быть и обратной, поскольку они протекают параллельно. Но в обоях случаях для фиксации солитонов яеоб*оди?ла деформация ретиналя, то есть его скручивание и фиксация его в ой--; сине в скрученном состоянии.

На рис.7 /2/ приведена К форма, в которой прбтон находится на контр-ионе С и, следовательно, энергизован. Следующий этагг-перескок энергизованного протона' с нонтр-иона С на переносчик Ар Образующееся состояние К ь дано на рис. 7 /3/. Этот процесс вызывает конформационный переход в опсине и способствует аннигиляции солитонов. Действительно, благодаря удалению протона с контр-иона С, энергетические уровни солитонов сближаются, что способствует обратному резонансному туннелированию электрона /в данном случае1 это эквивалентно аннигиляции солитонов/. Это состояние, обозначенное; К« представлено на рис. 7/4/. Его время жизни должно бытб очень мало, поскольку ШО, оказавшись вблизи переносчика НА^ быстро протонируется и образуется интермедиат ь/рис. 7 (5)/.

Промежуточные и заключительные стадии БР цикла. Все последующие стадии после ь интермедиата по существу представляют собой релаксацию БР к исходному состоянию. Поскольку в районе: ШО образовалась вакансия протона^ она при релаксации должна быть заполнена1, то есть происходит реппотонированив ШО.Кроме того должна произой?. ' ти обратная изомеризация при возвращении к исходному состоянию БР.

В работе промежуточные и заключительные стадий рассматриваются довольно фрагментарно, поскольку функционирование БР здесь., л интерпретация событий, практически одинаковы для обоих рассматриваемых моделей /изомеризациопной и солитонной/. ■

3,3» Сопоставление теоретических моделей с экспериментальными данными. Сопоставим туннельную /солитонную/ модель с. изо-кзризгщионной. Основные различия относятся к первым стадиям фотоцикла БР /БР-* К/ и сводятся к следующему:

I. В солитонной модели все процессы, протекающие за пикосе-кунды и при комнатной температуре имеют характер электронных сдви-, Гов, которые сопровождаются лишь незначительным смещением атомных ядер, то есть происходит деформация, но не изомеризация ретиналя.

В результате светоиндуцированного разделения зарядов электронная плотность смещается от ШО в направлении к иононовому кольцу. Образующийся диполышй момент при этом является причиной энергиза-цни протона. Одновременно с перемещением электрона от ШО, от азота- ШО отдаляется протон /Ефремов, Чернавский 1989/.

В изомеризационной модели также происходит образование электрического дипольного момента, но не за счет электрона, а благодаря перемещению группы ЛГН+ в процессе транс - 13 цис изомеризации • / itoeenfeia et alI977;- Hess.,Kuschiaitz 1982;: Mewery, Stoeckenius 1981; Cheng, Govindjee 1985/.

В солитонной модели транс - 13 цис изомеризация происходит па более поздних стадиях, при переходах? К—* Kl—» L.

2. В солитонной модели прямой процесс / Б?-» К / и обратный еглУ свзтоЕНДуцированный переход /К—>БР / протекают через разные про-'

■ г....-уточные' состояния. Это связано с тем, что 2-я вспышка при осве-цзшш К форш образует еще пару солитонов /"+" в "-"/ и обратный процеса интерпретируется как результат аннигиляции уже лмеющихея ■ солитонов с вновь образованными.

В изомеризациснной модели предполагается, что прямой и обрат*-г процессы, вдут По одному и тому не пути, через одно и то ае про-I,...суточное состояние. •

3. Процессы:протонирование^депротонирование. В солитонной

модели* эти процессы протекают двалдн;

1-е депротонирование - при образовании К - иитермедиата, 1-6 , протонированиэ - сразу посла аннигиляции полигонов и гране- 19 Had изомеризации, на уровне образования L-иитермедиата.

2-е депротонирование происходит прй переходе, 2-е пр©-тониройание - при М-+ N переходе.

В изомеризационной модели- предполагается одно ^епротонйровгЬ-ние при переходе и одно репротояирование при перэ-

ходе.

' Сопоставление двух моделей /солитонной и изомеризационной/ с экспериментальными данными по ряду эффектов функционирования Л

I/ В первичных процессах фогоцикла БР в течение' первых 16 дико, сек. образуется 3 последовательных состояния, переходящих одно в другое /время перехода обозначено над стрелками/:

О,.7 не. 3 пс. 7*

Х46Й '—" J 625 -R6I0-*

1- имеет время жизни 10-15 пс.; j - имеет время жизни

Я - имеет время жизни 1-100 наносек.

Первые ^кинетические измерения были проведены в работах /ка-nfnmn et al. 1976,1978; Apple bury et al. 1978/ в основном ДЛИ К иитермедиата и в более поздних работах /Барков Й Др.1985, СЬегкот oi nl. 1985/ о помощь© оубпикосекундяого спектрометра, а также: а работал /Groaa ot al. 1984,1988; Atkinson at a 1988/ Это подробно рассмотрено з монографии АернавскиЙ и дрг 1989/,

: В солитонной модели интерпретация первых интермедиатой тако- -гйг образованию /I/ соответствует образование оолитовой* а янтэр-пэдиату/J /-фиксация солитонов. .

В изомеризационной модели состояний: /I/ не1 япторпратируэтол, а /j / рассматривается как промежуточное^

Об ннтермвдтте. /Е/ имеются следующие данный •••..''.

а/ Макешдум поглощения К находится в .области Д «510 тал. Это

х tntf.

сзцдетельсвуег о том, что в районе ШО ретвналя пмзется полошЕтель--■ шШ заряд. . . ^ . '

б/ Критерием протонированности'ШО в К лнтермздиато могут служить данные вибрационного анализа Ж- спектров колебания О» ¡/ и ■ Us nil связей. Известно, что С~ к соответствует М плтермедпату, в , которой ШО депротонировано /частота колебаний V а 1620 сг.Г*/; Са UH соответствует основному состояния БР, в котором ШО протони-роЕано / V и 1641 см"*/. При этом частота колебаний С~ И Д свези равна 1624 Следовательно, изменение частота колебаний 0= н

при дейтерировании Moser дать информации о наличии пли отсутствии протона у, ШО.

■ В К - 'форма линия, соответствующая С=и колебаниям плохо регистрируется как в РКР спектре', так и катодои утт* / snith et el. 1984,1985; itotochiaa et el. 1982a,1984,1985/.

С помощью довольно сложной процедуры получены данные о том, ■ что в К фор;,:2- С- и колебаниям соответствует линия 1615 сг.Г^-/ciobort, Неяьс1с1983/. Линия-1615 сн-1 но своему значению блике , к лишит 0~ Й колебания для кзпротоннрованноге- ШО /как в М форгле/.

Вопрос о сш^епшт частота С~ и в тяаелой воде сейчас еще.1 из достототао Леев, и шлзет днскуссинкш! характер /но¿hies et 1987/-Емээдйося даншз- о сглацсшсг линии- С» н при разных условиях • кшвэрЕглонсга, таким образом, скореа» свидетельствуют о том, что б К фэраз» ШО делрэтсшроваио. аэд во хсякои случай',. протон- отдален ст азота. ШО ка расстоянла больгае^ чон в HP г L форгса. Восрса стог требует даяшеИга псследоваизй..

в/ Кй$эрг.2ашэ о кгвдзоргацпопнеа состоя:;гл рзтиналя могэт дать 'ЕЗ -ешкгр xsatscsa коцофашрог.шя'ак» БР, у которого иодородн у 1В и 14 сгокав доаэредо ввшгзвд на дейтерий. ' '

х тк - - Зурьо трис^лр^овавпая аз&ра-красЕая спеет pocs.отел.

-

Б традиционных изомеризациотгах состояниях: полностью тратте и 13-цис ретинале; полиенозая цепочка расположена в плоскости и все колебания планарш.

Б случае; если ретиналь скручен /'находится не- в плоскости/, появляются внешганапные колебания на частоте \) - 960 смЭти колебания не наблюдаются в ВР570, ь , И и 0 интермедиэтах к четко проявляются в К - форме /Smith et el. 1984; Earnest et al. 1986; Fedor et al. 1988; Mathiee et al. 1988,1989/. Следовательно, можно сделать вывод о том, что ретиналь в К (форме скручен и на .находится ни в транс кон-формации, ни в 13-цис"конформации, то есть i. в К -г форме происходит не изомеризация, а небольшая деформация, что хорошо соответствует солитонной модели.

г/ Скорость прямой и обратной реакции: БР^* К. Существует 2 экспериментальных подхода для выяснения этих процессов»

1-й -подход основан на измерении кинетики прямого и обратного процессов. Если одинаковы промежуточные состояния, то скорости такте должны' быть одинакова. Б работах Шаркова и сотр. /Шарков

и др. 1985, Sharkov et al. 1985; Чернявский и др. 1989/ было показано, что обратный процесс протекает значительно быстрее- прямо-то: 80 пс. Это хорошо соответствует солитонной' модели, пос-

БР —> Я колысу обратный процесс в ней - попарная анниги-30 пс.

ляция солитснов п промежуточное- состояние отсутствует. С изомеризационной моделью этот результат согласовать трудно, ибо промеяуточное состояние то же, что и в прямом процессе!..

2-й подход - измерение квантовых выходов прямого и обратного. ' процессов. В случае одинаковых состояний с утл,та квантовых выходов должна быть равна I.

В случае1, когда пути прямого и обратного процесса различна , сумет, квантовых выходов не обязательно будет равна I.

Согласно экспериментальным данным квантовый выход равей,

0,7 /Ronald, DelmelleI980,1981; Балашов, Литвин 1985; Diomaaev et о1* 1989/. Квантовый выход обратной реакции близок к I / 0,7-0„9/ - /Балашов, Литвин 1985/. .

Отевда следует, что сумма квантовых s уходов > I, что не. согласуется с изом&ризащюннсй модель® е соответствует солитонной ко- ■ дели.

д/ Слабая температурная зависимость н наличка. нзотоппческогс еффекта при замена- HgO на JgO при низких температурах /Appiebury et el. 1978/ свидетельствует о том, что при БР—переходе'происходит туннелированвэ протона. Это соответствует солитонной модели: и не соответствует изоыеризационной.

При высоких /и комнатных/ температурах,-когда процесс вдет надбарьерно за счет тепловых флунтуаций, изотопический эффект и fee мо&ет быть критерием туннелирования протона; Поэтому отсутствие1 Езотогтческога'. эффекта в этих условиях, наблщдавшееся в работах /Наса et alT 1985; rollend et al. 1986; Trissl et al. 1987/ . es: противоречит обеим моделям.

' В ввду вазшостя втой информации необходимо исследовать кзне>-таку бкотрах процзссов ff HgO и ÄgO во всем диапазоне ; температур в одинаковых условиях эксперимента^ то есть на одном и том se: образ' цер. Этого пока нз сделано.

2/ Сопоставлений мзделей /изомеризгционпой и солитонной/для' . пррмекуточннх и заключительных стадий показало, что сни обе достаточно хорошо: сопоставляются с экспердмэнтальпыш дазшиаг, что: де-. вольно подробно обсуадена в диссертации.

Заключение и выводи:

I. Предлоген и разработан молекулярный кгханизы энергизации ' протона в БР, оенованш! на общей схеме внутримолекулярного цикла-трансфорглцаа. енергни света и теории солитонов в полиенах. Выводы стой теораг сопоставлена с изокершзациошшй моделью. Показано,, «го:

а/ в К -форме протон отдален от азота ШО на расстояние, большее', чем в БР^уд и форме.

б/ Ретилаль в К- форме зафиксирован в опсине в деформированном, скрученном состоянии.

в/ Энергизация происходит на стадии образования К интермед»^ ата-, то есть задолго до образования М -формы..

2. Проведен анализ существующих экспериментальных данных о

ЙК спектрах К-формы; эксперименты согласуются с солитонной модеагью. Указаны дополнительные крудиалыше эксперименты.

3. Проведен анализ кинетики пикосекундных процессов-. Пока--зано, что существующие данные^о температурной зависимости- и изотопических эффектах согласуются с солитонной моделью.

4. Проведен анализ существующих данных- о промежуточных и заключительных стадиях БР -цикла. Показано, что они согласуются с теоретической моделью.

5. Проведены оценки характерных времен- формирования /"¡-у 1СГ® сек./ и фиксации КГ-^сек./ солитонов. Показано, чт® ени согласуются с экспериментальными, данными, в которых наблвдалисв времена формирования интермедиатов 1,«7, К в первичных стадиях фотоцикла ЕР.

'ГЛава 17. ЭВОЛЮЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ ФОТОСЖГЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА.

Биологическая эволюция сопровождается возникновением, накоплением и отбором ценной информации на разных ее- этапах. Следует различать два типа процессов:

1-й происходит, когда уже сложившийся организм приспесаблива-, ется к условиям обитания, совершенствуя имеющиеся функции* Это но-жзт происходить :за счет точечных мутаций и рекомбинаций. Благодаря отбору- "положительные " генетические, особенности; закрепляю»- . ся, а "отрицательные" элиминируются. Такой процеса, невидимому»

и составляет основу микроэволвоции. Ценность информации при этом возрастает.

2-Е - более' интересный процесс возникновения новой информации. Он имеет место в случае 'появления принципиально новой и ценной функции, отчего, сильно возрастают преимущества организма. Происходит как бы "больной скачек" в эволюции, именуемый аромор-фозом. В сущности таким"большим скачком" является сам процесс, возникновения кивнх организмов, аппарата трансляции и единого кода.

Таким ж.е "большим скачком" явилось и появление фотосинтеза. До этого основным энергетическим процессом был гликолиз, в котором такие функции, как поглощение света, трансформация его в энергию возбужденного электрона и энергизованный протон отсутствовали.

Для оценки вероятности самопроизвольного возникновения перечисленных функций необходимо определить количество ценной информации, содержащейся в простейшей системе, обеспечивающей эти функции. Таковой является молекула БР. Полная информация, содержащаяся в

БР равна а- ,1000 бит /г=?о^*20248гу 1000 бит/. Вероятность случайяо-

г т

го возникновения определенной последовательности мала: /к = 2Г =

10-300/. Однако, для выполнения функций нет необходимости фиксировать все аминокислоты, составляющие первичную последовательность данного белка. Иначе-, для обеспечения функций необходима нё' вся, а только та информация /ценная - 1ц-/, без которой' невозмоя-■ но функционирование-.

Ценная информация в БР бала определена в наших работах /Пти-цин, Чернавекая, Чернавский 1985; СЬегпаувкво'а, сЬегпвтвк:и1984, 1985/. Были использованы данные о первичной последовательности и структура- ЕР. Для БР /1Ц/ состоит аз двух частей: структурной /1стр>/ и функциональной /Г^/. Гстр. связана с условиями располо-кения БР в маибрана'. Оказалось необходикш, чтобы боковые- поверхности спиральных столбов, х:онтактирущие с лшхидами, содерла -

ли гидрофобные аминокислота. Эта информация равна: I^p,® 57 бит.

Функциональная ценная информация связана с условияви расположения ретиналя, наличия сетей протонных переносчиков и контр-ионов. Сна равна: 1ф= 33 бита.

Таким образом полная ценная информация: 1ц « ICTD + «* 90 бит. вероятность спонтанного возникновения sa X акт равна: /и = 2 ц*= - / - эта величина также очень мала. По-

этому было предложено считать, что при возникновении БР уже использовалась , заложенная в структурах мембранных белков и, следв-вательно, в соответствующих участках геномов. С учетом этого, вероятность возникновения БР равна вероятности возникновения ценной функциональной информации то есть: * = 2" Эта вероятность мояет реализоваться в эволюция.

Механизм, обеспечивающий использование предсуществующей структурной информации не колет быть сведен к точечным мутациян. Для этого необходимо предположить возможность конструирования геновн из готовых блоков. Сейчас это интенсивно исследуется-. Так же интенсивно исследуется и структурная общность первичных последовательностей фотослнтэтических мембранных белков / Argos, Reo 1982, Нао, Argos 1983, Stoeckenius 1988/.

Основная задача, которой посвящена предлагаемая работа, состоит в выяснении вопроса: каков механизм процесса преобразования энергии возбужденного электрона в иные формы. Вопрос этот является стержнем, который связывает, казалось бы, далекие, на первый взгляд, друг от друга теш: транспорт электрона в ЭТО высших растений и процессы в бакте.мородопслне*

По существу, этот вопрос один из главных в биофизике фотосинтеза; Для его решения необходит использовать как экспериментальные, так а теоретические исследования. Для этого сейчас использу-

йтся (биофизические модели как общего типа, так к копкретнне, "привязанные'* к условиям рассматриваемого процесса.

Содержание^ предлагаемой работы составляет построение и анализ моделей как общей, так и конкретных. При конкретизации общей модели, как правило, возникает несколько вариантов. Для выбора наибо-. лее реалистического варианта необходимо сопоставление с существующими экспериментальными данными и предложение целенаправленных экспериментов.

Материал в диссертации изложен в хронологическом порядке;. Обсуждаются также* варианты схем, ранее- предложенных и оставленных, как не реалистические. Такая форма изложения была принята целесо^ образной по следующим причинам:

Во-первых, она иллюстрирует эволюцию теоретических представлений, что интересно само по себе.

Ьо-вторых, на этих примерах видно, что они играют роль в эволюции научных представлений. Именно модели /даже те, которые- впоследствии отвергаются/ помогают. систематизировать экспериментальный материал, извлекать из него важную информацию, которая без модельного подхода часто оказывается скрытой.

В-третьих, из хронологического изложения видно, что современ-■ ные и даже; общепризнанные схема не являются, вообще говоря, истиной в' последней инстанции. Они также могут модернизироваться, поэтому особую ценность приобретает вытекающая из модели постановка круциального эксперимента.

На основании проделанной работы можно сделать один обЬшй вывод: существует универсальный механизм утилизации энергии света, ^'включает: возбуждение электрона светом, резонансно® туннелиро-вание, возбужденного электрона /разделение, зарядов/ и электронно-конформациоише; переходы:, включающие перенос и энергизацию протона.

Конкретные выводы приведены в главах, повторим их кратко.

БЫВОДЫ

1. Разработана биофизическая модель трансформации энергии возбужденного светом электрона в другие Форш энергии. Указаны факторы, влияющие на эффективность и скорость этого процесса и, следовательно, способные выполнять регуляторную роль. Показано, что электрическое поле, возникающее в мембране, может регулировать эффективность процесса трансформации энергии.

На основе общей схемы разработана модель преобразования энергии электрона в энергию протона в первичных процессах фотосинтеза.

2. Разработана модель переноса электрона и протона пластохи-нонами. Показано, что этот механизм выполняет, помимо энергетической, также и регуляторную роль: обеспечивает регуляцию скорости электронного транспорта в зависимости от кислотности внешней и внутренней средн.

3. Предложен и рассмотрен механизм замедления рекомбинации в быстрых стадиях фотосинтеза. Механизм основан на общей схеме; трансформации энергии. Показано, что этот механизм объясняет существующие экспериментальные данные' и демонстрирует регуляторную ролв

и функцию резонансного туннелированля.

4. Предложен и разработан молекулярный механизм энергизации протона в бактериородопсине1, основанный на общей схеме внутримолекулярной трансформации энергии света и теории солитонов в свето-возбужденных полиенах. Выводы сопоставлены с изомеризационной схемой фотоцикла ЕР. Показано, что в рамках солитонного механизма функционирования БР выявляется картина функционирования:

а/ В К-форме протон отдален от азота 1.нффова основания /1"О/, больше', чем в БР5?0 и 5С0 интермедиате.

б/ Ретиналь в К-форме зафиксирован в опсияе в деформированном скрученном состоянии.

б/ Энергизация происходит на стадии образован:« К-формы, то есть задолго до образования М интермедиата.

5. Проведен анализ существующих экспериментальных данных о ИК спектрах К формы и других интермедиатов, а также анализ ншети-ки пикосекундных, промежуточных и заключительных стадий БР-цикла, Показано, что экспериментальные данные, полученные разными методами в литературе хорошо согласуются с солитонной схемой.

6. Рассмотрен вопрос о возникновении ценной информации в эволюции и вычислено количество ценной информации, необходимой .и , достаточной для выполнения функции - трансформации световой энер-

гии на примере БР, как простейшей макромолекулярпой машины.

Вопрос важен не только для эволюции фотосинузтического аппарата, но и для эволюции биосферы в целом. 1тз полученных оценок следует, что ценная, необходимая для функционирования БР информация составляет 90 бит.

Основные материалы опубликованы в следующих работах:

1. Чернавская II.Г,I. Фотосинтез в условиях разного азотного питания и освещенности.// Физиология растений 1963,10,1,3-10.

2. Чернавская H.H..Ничипорович A.A. Биохимические изменения при

. различной освещенности и азотном питании растений.// Физиолог, .'растений 196В,10,5,544-549.

3. Чернавская K.M., Ничипорович A.A. О гармоническом сочетании условий освещенности и азотного питания.// Сб."Фотосянтетичес-

кке системы высокой продуктивности" Iii. "Наука" 1366 169-177,

4. Пентегова Л.И., Романовский D.W..Чернавская П.И., Чернавский Д.С. О колебаниях в процессе' фотосинтеза в условиях периодической освещенности.// Вестник ИГУ, сер. физика 1966,13,47,

5. Чернавская H.Î.L, Чернавский Д.С. .Пентегова Л.И. .Романовский Ю. М. О колебаниях ряда параметров фотосинтеза при периодической освещенности.// Сб."Управляемый фотосинтез" Iя.,"Наука" 1966а, 153- 178.

6. Чернавская Н.М., Чернавский Д.С., Григоров Л.II. О возможной роли туннельного эффекта в транспорте электронов.// Труды МОЩ, 1973,49, 191-205.

7. Чернавская H.H., Чернавский Д.С. Туннельный транспорт электронов в фотосинтезе.// монография И-во МГУ 1977, 175 стр.

8. Чернавская H.I.I., Чернавский Д.С. Физические аспекты в функционировании бактериородопсина.// Препринт № 61 Физического и-та

им. ÏÏ.Hv -ебедева АН СССР 1978, 42 стр.

9. Бункин Ф.В., Мельник Е.И.;Жженный] C.B., Морозова В.А.,Савранский В.Б., Чернавский Д.С., Чернавская H.'ï. '^следование роли ß -иононового кольца ретиналя методом комбинационного рассеяния

света.// Сб:"1-й'Сов.П1вейц.сим1юз. Биологические мембраны" 1979, 50-51.

10.Чернавская U.M., Васильева Л.В. Изучение физико-химических свойств и функций фотосинтотических мембран, как глдко-кристал-лических систем.// Сб" Физика и химия многофазных систем '.

i960, Ш 546, fê 4257, 548562.

11. Чернавский Д.С., Дюмаев А.К., Савранский В.В..Чернавская H.H. Чижов II.В. и др. Кинетика фотошздуцированиого протонного транспорта в бактериородопсине. Физическая модель.//Препр.

Г» 163,1981, Физического и-та им. П.Н.Лебедева АН СССР.36 стп,

12. Зубов Б.В.,Сулигюв H.A.,Чернавская Н.М..Чернавский Д.С.,Чижов И.В. Кинетика первичных стадий фотоцикла БР при низких тем-пературах.//Биофизика 1982,27,3, 357-361.

13. Чернавский Д.С., Чернавская II. ГЛ., Ягушшский Л,С. Физическая модель начальных стадий трансформации энергии при окислительном фосфорилировании.// Биофизика, 1985а, 27, I, 114—119.

14. Чернавская II.П., Васильева Л.Г. Реализация жидкокристаллического состояния в мег.боанных структурах.// Сб. "Современные проблемы кристаллохимии" И-во Калининск. универс. 1983, 67-71.

15. Чернавская И."., Чернавский Д.С. Большие скачки в эво.тоции-проблэма ароморфозов.// "Проблем эволюция" И-во "Наука" 216-246.

16. Чернавская Ы.Г., Чернавский Д.С. Проблема возникновения новой информации в эволюции.// Сб."Термодинамика и регуляция биологических процессов" М. "Наука" 1984, 247-266.

17. Чернавский Д.С., Дюмаев А.К., Савранский В.В., Чернавская Н.?'., Чинов П.В. и др. О кинетике фотоиндупированного транспорта протонов в бактериородопсине. Физическая модель.// Биологяче1-ские мембраны IS84, 1,12,1302-1306.

18. Птицин И.О., Чернавская Л.Г'., Чернавский Д.С. К вопросу о количестве пенной информации, необходимой для обеспечения функции бактериородопепна.//'Сб."Математическая биофизика"Н-во Красноярск, у-та 1985,40-50.

19. Чернавская Н.М. .Дроппна Н.Л. Структура и свойства бактериородопепна.// И-во ВИНИТИ, Итоги науки и техники, сер.Биоорганическая хит'.'ия I9CG, 180 стр.

20. Чернавская IT."., Чернавский Д.С. О количестве ценной информации в бактерисродопснне,// Сб.докл. конфер."Структурная динамика биол. гегбррн ч' ее роль в регуляция фотобиол. процессов" • I988, Минск, 145.

21. Чернавский Д.С., Чернавская Н.М.,Зубов Б,В.,"парков A.B. Строение и функционирование бактериородопепна.//И-во ВИНИТИ Итоги науки и техникл.Бпоорганическ. химия 1985, т.16,168 стр.

22. Чернавская Ii. Г/1. Возникновение новой информации в эволюции.// Сб."Моделирование развивающихся систем" И-во Киев, и-т Кибернетики 1989, 94-100.

23. Чернэвский Д. С.,Зубов Е.З. Дитов 'Т.П.Коионешсо Л. Л. ,тГопоровс-■ кпй ,П.П. .Чернявская TJ.M. Физические аспсктн <{rynra i, по и ирования

бактериородопсина.//Известия ЛИ СССР, 13Г>9,5,701-709.

24. Чертовская П.М. ¿Чсрпавский Д.С. 0 возгопюм пехапизпе процесса рекомбинации.//Биофизика 1990,35,1,

25. .CHemavskajs N.M.,Chernavskii D.S. ,Grigorov L.N. On the possible role of a tunnel effect in the electronic transport.//Frepri nt N 168,P.N.Lebedev I-t Acad.Sci.USSH 23 pp.

26. Chernavekaja N.M..Chernavskii D.S. On the role membrane far electron tunneling.// Studia Biophy3. 1973,35,2,149-153.

27. Chernavskaja n.i.'. .Chernavskii D.S. Some theoretical aspect of the problem life origin.// J.Theor.Biol.1975,50,1,13-23.

23i Chernavskii D.S..Chernavskaja N.f.ï. ,Gunter К.,Hache A» A model

of the active transport of proton in photosynthesis.// Studia Biophys. 1975,49,2,91-109.

29. Chernavskaja N.M..Chernavskii D.S.,Gunter К.,Heche A.,Kilyach-kov A.A. On the mechanism of energy transformation in photosynthesis.// Studia Biophys.1977,62,2,109-126.

30. Chernavskaja N.M..Chernavskii D.S.,Kilyachkov A.A. The model of the regulatory processes in the photosynthesis.//Studia Bio-phyS. 1977a,65,3,HI-II7.

31. Chernavskaja N.M.,Chernavskii D.S. The electron tunneling effects in biological system.// Fifth winter school on Biopysics

of membrane transport. Sool.Proc 1979,1,10-43, Folland.

32. Chernavskaja N.M.,Chernevekii D.S. Physical aspects of the bacteriorhodopsin action model.// Photosynthetica 1981,15,2, 195-200.

33. Chernavskii D.S.,Diaumaev A.K..Savranski V.7.,Chizov 1.7., Chernavskaja n.M. et al. Kinetics of photoinduced proton transport in BR.Physical model.// Preprint P.N.Lebedev I-t Physical, Acea.Sci.USSB, I982.N-15I.23 pp. .

34. Zubov E.7.,Murine T.M.,Chernavskaja N.M.,Chernavskii D.S.,Chi zov 1.7. Investigation of bacteriorhodopsin intermediate relaxation by means of temperature pulse.// Bioch.Biophys.Acta 1983,725,1,162-167.

35. Chernavskaja K.M., ChernavakLi D.S. Onthe problem of origin biological information.//In:"Molecular evolution and protobio-logy" Ed.Kolchiro, 1934,365-375, Plenum Press, N.T.

36. Chernavsk&ja n.M.,Chernavskii D.S. Physical model of proton transport in BR.//Photosynthetica 1985,19,4,566-572.

■37» Chernavskaja N.M..Chernavskii D.S. New information in evolution.//In: "Thermodynamics and regulation of biological processes

Ed.Lamprecht I.,Zotin A.J. 1985,415-423,Berlin, n.t.

........