Пигменты фотосинтетических систем и их организация в пигмент - белковые комплексы.

Фикобилины фикоцианин, фикоэритрин и аллофикоцианин входят в состав пигментных систем цианобактерий и красных водорослей, где вместе с хлоро­филлом а выполняют функции фоторецепторов в фотосинтезе

Каротиноиды — большая и разнообразная группа желтых, оранжевых, крас­ных пигментов, поглощающих коротковолновую часть видимой области спект­ра (400 — 550 нм) и выполняющих ряд очень важных функции в фотосинтезе.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПИГМЕНТ-БЕЛКОВЫХ КОМПЛЕКСОВ

В настоящее время выделено 4 главных типа светособирающих (антенных) комплексов. Два из них, локализованные в реакционных центрах ФС1 и ФСII, связывают только молекулы хлорофилла α и β- каротин; два других — белки внешних светособирающих комплексов — связывают хлорофиллы а и b икаротиноиды.

Фотосистема I включает центральный комплекс 1(ядро комплекса), содержа­щий димер хлорофилла а (П₇₀₀), 2 молекулы β-каротина и около 100 молекул хлорофилла а, расположенных вокруг электрон-транспортной цепи реакцион­ного центра (внутренняя антенна). Внешний светособирающий комплекс CCKI (LHC I) содержит 80—120 молекул хлорофиллов а и b, каротиноиды и состо­ит из 4 субъединиц: Lhca I, Lhca 2, Lhca 3 и Lhca 4 — с молекулярными массами 17-24 кДа.

Фотосистема II включает центральный комплекс II(ядро комплекса), содер­жащий димер хлорофилла а П₆₈₀ и хлорофилл а -содержащие белки — СР43 и СР47 (внутренние антенны). ФСII имеет также большой внешний антенный комплекс ССКII (LHC II), содержащий хлорофиллы а и b и каротиноиды, а также ряд «минорных» ССК: СР24, СР26 и СР29 — расположенных между ССКII и реакционным центром и выполняющих важную роль в регуляции переноса энергии в реакционный центр (см. рис. 3.34).

Структурная организация всех антенных комплексов в целом подчинена ос­новному требованию поглощения квантов света — возможности эффективной миграции энергии возбуждения среди молекул ССК и направленному перено­су всей энергии в реакционные центры. В связи с этим различные спектраль­ные формы пигментов должны быть расположены определенным образом в антенных комплексах, однако точная архитектура антенн еще мало изучена.

Механизм образования пигмент-белковых комплексов включает электро­статическое взаимодействие аминокислотных групп белка с С=О-группой мо­лекулы хлорофилла, координационные взаимодействия с центральным ато­мом магния и гидрофобные взаимодействия с фитолом. В результате в тилакоидных мембранах хлоропластов формируются пигмент-белковые комплексы, включающие фоторецепторные системы, что имеет решающее значение для осуществления основных (перечисленных ниже) функций пигментов в фото­синтезе.

• Организация пигментов фотосинтетического аппарата в виде светособирающих (антенных) комплексов, функционально сопряженных с реакцион­ным центром, обеспечивает коллективное и эффективное поглощение энергии фотонов и передачу ее в реакционные центры, где энергия электронного возбуждения используется для фотохимических реакций.

• Связь пигментов с белком определяет межмолекулярное расстояние меж­ду ними (1,15 нм) и взаимную ориентацию молекул пигментов в светособирающих (антенных) комплексах, что необходимо для эффективной миграции энергии в реакционные центры.

• Стабильные условия микроокружения пигментов в белковой глобуле обес­печивают создание устойчивых спектральных форм в ССК, в результате чего формируется широкий, сильно перекрывающийся спектр поглощения, необ­ходимый для эффективного экситонного взаимодействия пигментов и направ­ленной миграции энергии.

• Образование связи пигментов с белками создает возможность участия бел­ков в транспорте электронов в первичных процессах фотосинтеза, например, образование «электронной тропы» между Q_A и Q_B в электронтранспортной цепи хлороштастов, перенос энергии от тирозина (Tyr_z) к П₆₈₀.

• Образование пигмент-белковых комплексов создает возможность регуля­ции фотопоглощающей активности пигментов путем изменений конформации белков (в зависимости от рН, ионной силы, фосфорилирования белка) и изме­нения ориентации пигментов по отношению к направлению светового луча.

Значение ориентации пигментов в пигмент-белковом комплексе активно изу­чается в последние годы. Установлено, что внутри антенного комплекса моле­кулы пигментов жестко организованы и определенным образом ориентирова­ны относительно плоскости мембраны и относительно друг друга, что имеет большое значение для процессов поглощения и миграции энергии. Эффектив­ность поглощения электромагнитной энергии будет максимальной, если век­тор электрического поля световой волны будет параллелен переходному диполь-ному моменту в молекуле пигмента (вектор, определяющий направление ди­поля, образующегося при возбуждении и переходе электрона с основной на возбужденную π-орбиту). Исследования ори­ентации пигментов в антенном комплексе и реакционном центре показали, что дипольные моменты Q_y-переходов

(S₀→S₁) моле­кул хлорофилла а лежат близко к плоскости мембраны, образуя с ней небольшие углы (25 — 35°). Дипольные моменты Q_y-переходов у хлорофиллов реакционных центров — ди-меров П₆₈₀, П₇₀₀ и П₈₇₀ — ориентируются примерно параллельно плоскости мембраны и электрическому вектору световой волны.