Транспорт электронов в биологических системах - Рубин А.Б.
Скачать (прямая ссылка):
В ряде работ [Clayton, 1962; McElroy et al., 1974; Лукашев и др., 1975; Чаморовский и др., 1976; 1977; Lukashev et al., 1976; Chamorovsky et al., 1976; Нокс и др., 1977; Кононенко, 1980; Фабиан и др., 1980; Петров и др., 1983] исследована температурная зависимость кинетики темнового восстановления фотохимически активного пигмента (димера бактериохлорофилла, Р870) в целых клетках, изолированных хроматофорах и препаратах ФРЦ различных пурпурных бактерий при высоких редокс-потенциалах среды (Ен > 350 мВ). В этих условиях, в темноте, восстановлен только пигмент ФРЦ, и после окисления под действием света он может получать электрон лишь от фотовосстановленных эндогенных акцепторов. Как правило, обнаруживаются два кинетических компонента темнового восстановления пигмента [Лукашев и др., 1975; Чаморовский и др., 1977]. При комнатной температуре (рис. 56) наблюдается только компонент со временем 1^-10 с и более, связанный с восстановлением пигмента от вторичных акцепторов электронов. Понижение температуры до 270—240 К приводит к появлению более быстрого компонента со временем 25—100 мс (рис. 56), обусловленного, по-видимому, обратным переносом электронов от первичного хинона на пигмент ФРЦ.
При понижении температуры относительный вклад быстрого компонента возрастает, а вклад медленного — уменьшается. Аналогичный эффект вызывает и уменьшение влажности препаратов [Нокс и др., 1979; Nikolaev et al., 1980]. Этот эффект, по-видимому, связан с замедлением переноса электронов между первичным (Qi) и вторичным (Qn) хинонами, что подтверждается появлением быстрого компонента уже при комнатной температуре, если перенос электронов ингибирован о-фенантролином [Лукашев и др., 1975; Chamorovsky et al., 1976].
Рис. 56. Кинетика фотоиндуцированныу окислительно-восстановительных превращений бактериохлорофилла Р870 в хроматофорах Rhodospirillum rumbrum и Р890 в хроматофорах Ectothiorhodospira shaproshnikovii, измеренная по изменению поглощения при 790 нм при температурах между 298 и 230 К [Lukashev et al., 1976]
В данной главе проанализирована схема переноса электронов в ближайшем донорно-акцепторном окружении ФРЦ пурпурных бактерий и предложены способы расчета величины константы скорости переноса электронов от первичного хинона ко вторичному по данным кинетики редокс-превращений пигмента в окислительных условиях.
12.1. Схема переноса электронов
Общепринятая схема переноса электронов в хроматофорах и реакционных центрах пурпурных бактерий в окислительных условиях (350 < Ен < 400 мВ) имеет вид [Пытьева и др., 1976]
Qii (12.1)
А к_ о m_ 1
Здесь Р — фотохимически активный пигмент ФРЦ; Qb Qn — со-
ответственно первичный и вторичный хинонные акцепторы электронов ФРЦ, ко — «световая» константа скорости, пропорциональная интенсивности действующего света. Смысл остальных констант скорости ясен из схемы.
После возбуждения Р электрон от него попадает на первичный хинон (со временем -200 пс), а затем на вторичный хинон (со временем -0,1—2 мс). Возврат электрона от Qn на Р может происходить двумя путями.
Первый, циклический, это перенос электронов с константой скорости к [Blankenship, Parson, 1979а]:
Он осуществляется либо путем непосредственного туннелирования электрона, либо через промежуточные переносчики электронов. В последнем случае к— минимальная из констант скорости циклического транспорта электронов.
Второй путь — это возврат электрона через первичный хинон [Wraight, 1979а]:
При комнатной температуре, вследствие того что т > т.i, электроны возвращаются на пигмент, по-видимому, по схеме (12.2). Вместе с тем, при более низких температурах, а также в препаратах изолированных ФРЦ определенную роль может играть перенос электронов согласно схеме (12.3).
Ниже проведен анализ температурной зависимости кинетики переноса электронов в ближайшем донорно-акцепторном окружении ФРЦ на основе минимальной схемы (12.1), объединяющей схемы (12.2) и (12.3).
В окислительных условиях в ФРЦ находится только один электрон, поэтому переходы между состояниями ФРЦ имеют следующий вид:
Система дифференциальных уравнений, описывающая эти переходы, имеет следующий вид:
где р, q — есть вероятности того, что первичный и вторичный хи-ноны находятся в семихинонной форме, соответственно.
р Qi Q п
(12.2)
к
(12.3)
12.2. Кинетическая модель
Qn
(12.4)
dp/dt = k0{i- p-q)-(mx +k_0)p + m_xq> dq/ dt = mxp - {m_x + k)q,
(12. 5)
Рис. 57. Схематическое изображение кинетики редокс-превращений пигмента ФРЦ, индуцированное постоянным (а) и импульсным (б) светом
Подчеркнем, что в схеме (12.4) предполагается, что обменом электронами между ФРЦ и средой можно пренебречь. Это допущение подтверждается тем. что в эксперименте наблюдается многократная воспроизводимость полностью обратимого фото-окисления бактериохлорофилла во всем изученном диапазоне температур в отсутствие экзогенных доноров [Лукашев и др., 1975]. Процесс темновой релаксации ФРЦ также может быть описан системой уравнений (12.5), если положить в последней величину «световой» константы скорости ко равной нулю:
