Транспорт электронов в биологических системах - Рубин А.Б.
Скачать (прямая ссылка):
(12.26) в этих условиях вообще не должно наблюдаться быстрого компонента при стационарном освещении. Это несоответствие приводит к необходимости рассмотрения при низкой температуре, как минимум, двух популяций реакционных центров с различным набором констант скорости в каждой из популяций [Чаморовский и др., 1977; Шинкарев, 1978; Венедиктов и др., 1980а; Петров и др., 1980, 1983]. Существенно также, что модель отражает только электронные переходы между переносчиками, и не учитывает конформационных изменений переносчиков ФРЦ при изменении их редокс-состояний.
Действительно, если образец охлаждать при непрерывном, освещении, то после выключения света не наблюдается полного восстановления фотоокисленного пигмента [Clayton, 1962; McElroy et al., 1974; Лукашев и др., 1976; Lukashev et al., 1976]. Если же образец охладить перед освещением, то после выключения света фотоокисленный пигмент восстанавливается практически полностью, т. е. стабилизация окисленной формы пигмента не происходит.
Анализ этих данных позволяет считать, что эффект стабилизации обусловлен не только необратимой потерей фотомобилизованного электрона первичным акцептором Qi [McElroy et al., 1974], но и невозможностью возвращения электрона от Qi на Р при низкой температуре вследствие изменений конформации ФРЦ, происходящих под действием света при комнатной температуре [McElroy et al., 1974; Нокс и др., 1977]. Для реализации таких конформационных изменений существенно сохранение нативной структуры макромолекулярных компонентов ФРЦ. Так, после тепловой денатурации или глубокой дегидратации [Нокс и др., 1977] препаратов ха-
рактер темнового восстановления фотоокисленного пигмента в адаптированных к свету образцах уже не отличается от такового в образцах, адаптированных к темноте,— в обоих случаях наблюдается полное восстановление пигмента.
Исследование кинетики переноса электрона в препаратах ФРЦ, фиксированных глутаровым альдегидом, свидетельствует о существовании по крайней мере двух конформационных состояний — «темнового» и «светового», различающихся по величине констант скорости редокс-взаимодействия (Qi с ближайшими партнерами (Qn, Р). Действительно, фиксация в темноте не приводит к существенному изменению кинетики фотоиндуци-рованных превращений Р. В отличие от этого при фиксации во время освещения Р теряет способность к фотореакциям, в ряде случаев практически полностью [Нокс и др., 1977].
Различие в действии глутарового альдегида на препараты, адаптированные к темноте и свету, также свидетельствует о конформационных изменениях белка РЦ под действием света. Сходное различие наблюдается и в мечении белков ФРЦ флуорескамином, взаимодействующего с первичными аминами, при освещении и в темноте [Bachofen, 1979]. Отмечены также отличия в буферной емкости препаратов ФРЦ, инкубируемых на свету и в темноте [Фабиан и др., 1981].
Очевидно, что макромолекулярные белковые компоненты этих комплексов не являются пассивными носителями простети-ческих групп (Р, Qi, Qn). Напротив, структура центров существенно динамическая. Это отчетливо проявляется при сопоставлении изменения характера их функциональной активности, например скорости переноса электрона между Qi и Qn, определенной по формуле (12.22), с параметрами введенных в препараты спиновых, а также мёссбауэровских зондов и меток — индикаторов внутримолекулярной подвижности — при изменении температуры и степени влажности [Берг и др., 1979а, б; Кононенко, 1980; Paraketal., 1980].
Торможение локальных движений происходит синбатно с ингибированием функциональной активности ФРЦ при переходе определенного критического порога температуры или влажности. Эти эксперименты свидетельствуют о наличии взаимообусловленной связи конформационной подвижности компонентов фотосинтетического аппарата и их специфической реакционной способности.
С учетом изложенных факторов была предложена модель работы ФРЦ при высоких редокс-потенциал ах среды [Нокс и Др.,
1977]. Согласно этой модели появление фотохимически разделенных электрических зарядов (Р—Qi) может индуцировать конфор-мационный переход белка ФРЦ, сопровождающийся изменением активности Qi. До осуществления такой перестройки Qi может отдать электрон только Р, но не Qn. Эта перестройка невозможна, если конформационные движения белка заторможены в результате
понижения температуры, модификации бифункциональными сшивками или дегидратации. Если же такой переход завершен, то Qi оказывается способным передать электрон Qn. Инициированные фотохимическим актом конформационные переходы могут играть регуляторную роль, препятствуя рекомбинации первичных ионрадикальных продуктов (Р, Qi), прочно связанных с белком ФРЦ, и обеспечивая тем самым эффективное использование их в функциональных процессах. В связи с этим возникает необходимость построения общей кинетической схемы, в которой можно представить кинетику электронных переходов и соответствующих им конформационных изменений.
Были предложены две не исключающие друг друга кинетические модели переноса электронов в ФРЦ, учитывающие конформационные состояния. Сущность этих моделей состоит в предположении существования при низких температурах и влажностях, как минимум, двух популяций ФРЦ, отличающихся друг от друга своими конформационными состояниями и набором констант скорости. Согласно первой из них [Петров и др., 1980, 1983] исходно в темноте существуют две конформации ФРЦ, характеризующиеся своим набором констант скорости, не зависящим от температуры; причем понижение температуры приводит лишь к перераспределению ФРЦ между этими конформациями. Согласно второй [Венедиктов и др., 1980а] конформационные состояния формируются лишь в процессе функционирования ФРЦ. В пользу последней интерпретации свидетельствуют как простые физические соображения (ФРЦ, замороженные в темноте и на свету, отличаются зарядовым состоянием компонентов ФРЦ, что может привести к изменению расстояния между реактантами, поляризации среды и соответственно изменению величин констант скорости [Hales, 1976; Шайтан, Рубин, 1981], так и данные Каллиса и др. [Callis et al., 1972], Арата и Парсона [Arata, Parson, 1981] об изменении объема, сопровождающее первичные электронтранспортные процессы в ФРЦ. По-видимому, в дальнейшем удастся создать простую и вместе с тем реалистическую схему функционирования ФРЦ во всей области температур и влажности с учетом различных конформационных состояний; причем вполне возможно, что изложенная выше простая кинетическая модель при относительно высоких температурах имеет отношение лишь к одному конформационному состоянию, в котором наиболее существенную роль играет температурная зависимость самих констант скорости переноса электронов, а не конформационные константы скорости.
