Механизмы миграции энергии

Миграцию энергии обнаруживают оптическими методами по появлению в спектре действия акцептора энергии полосы поглощения света донором энергии или по тушению флуоресценции донора в присутствии акцептора энергии.

Важнейший механизм миграции энергии электронного возбуждения в фотосинтетической мембране — индуктивно-резонансный механизм Фёрстера. Он осуществляется с участием синглетных возбужденных уровней (S₁) при соблюдении обязательных правил:

• 1) донор должен флуоресцировать;
• 2) акцептор должен иметь полосу поглощения, соответствующую полосе излучения донора;
• 3) расстояние между ними не должно превышать 4−6 нм.

Перенос энергии происходит за счет того, что во время существования возбужденного состояния донора (10^-8-10^-9 с) осциллирующий возбужденный электрон генерирует переменное электромагнитное поле. Если его частота совпадает с одной из резонансных частот возбужденной молекулы акцептора, то происходит безизлучательный резонансный перенос энергии: в акцепторе возбуждаются осцилляции электрона, а молекула донора безизлучательно возвращается в исходное состояние. Типичные расстояния индуктивно-резонансного переноса энергии — 2−5 нм, а характерное время — 10^-11 -10^-6 сек. Таким способом может осуществляться миграция энергии между разными пигмент-белковыми комплексами.

В пределах одного локального светособирающего комплекса, примыкающего с ФСI или ФСII, где молекулы пигментов плотно упакованы в квазикристаллическую структуру, их электронные уровни могут обобществляться в зоны. В этом случае возможен экситонный механизм миграции энергии, при котором поглощение кванта света приводит к появлению экситона — коллективного возбуждения, делокализованного по всей системе молекул. Возбуждение молекулы донора распространяется по верхним колебательным уровням на всю систему акцепторов за время 10^-13 -10^-14 сек, меньшее, чем время релаксации колебательных состояний. Это самый быстрый способ миграции энергии. В конце этого промежутка времени энергия экситона может привести к возбуждению какой-то конкретной молекулы акцептора, удаленной от донора на расстояние до 1−1,5 нм.

Конкретные механизмы переноса энергии в ССПБК зависят от их строения и плотности упаковки пигментов. Перенос энергии возбуждения между соседними молекулами пигментов происходит за 0,2−5 пс, а между различными пигмент-белковым комплексами, удаленными на большее расстояние он осуществляется медленнее. Так, методами лазерной спектроскопии выявлены характерные времена переноса энергии порядка 0,15−0,3 пс, 2−6 пс и 14−36 пс. Они могут соответствовать миграции энергии между соседними молекулами хлорофилла на расстояние около 1 нм, между отдельными пигментными кластерами и между мономерами в тримере. В первых двух случаях возможен экситонный механизм миграции энергии, а в третьем более вероятен индуктивно-резонансный перенос. Время между поглощением фотона антенным пигментов и захватом энергии реакционным центром фотосистемы I оценивается как 50−100 пс, а фотосистемы II — порядка 300 пс (Рубин, 2000).

Для того, чтобы избежать перекрестной миграции экситонного возбуждения между пигментами светособирающих антенн, тесно связанных с фотосистемами I и II, в фотосинтетических мембранах эти фотосистемы пространственно разнесены. Обычно фотосистема II со своей светособирающей антенной ССК II располагается в мембранах тилакоидов, образующих граны. При этом некоторые белки-компоненты ФС II являются адгезивными, скрепляющими вместе мембраны тилакоидов, образуя таким образом граны. Фотосистема I и ее светособирающая антенна локализуются преимущественно вне гран, в мембранах ламелл. Комплекс цитохромов b₆f присутствует во всех мембранах.

Итак, в светособирающей антенне энергия, поглощаемая коротковолновыми формами пигментов мигрирует к более длинноволновым. По пути некоторая часть энергии диссипирует, но основная часть в конце «стекает» на пигменты Р₆₈₀ или Р₇₀₀ реакционных центров, где за ее счет происходят разделение зарядов и дальнейшие фотохимические процессы. В результате использования энергии фотонов с различной длиной волны, спектр действия фотосинтеза, т. е. зависимость квантового выхода Ц (л) = [O₂]/n от длины волны, где [O₂] - число молекул кислорода, выделяющихся в единицу времени, а n — число квантов, поглощенных в единицу времени, оказывается весьма широким и включает кроме полос поглощения света хлорофиллом, а также полосы поглощения остальных пигментов-светосборщиков. При длине волны более 700 нм спектр действия круто обрывается (Рис. 3.12). Это можно объяснить тем, что в реакционном центре P₇₀₀ происходят фотохимические реакции, и энергия дальше не передается, т. е. длинноволновый край спектра действия соответствует краю спектра поглощения P₇₀₀.- последнего пигмента в цепочке. Но полоса поглощения хлорофилла, а простирается до 750 нм, и спектр действия, в принципе, не должен обрываться так круто. Предполагается, что возбуждения одного только хлорофилла P₇₀₀ недостаточно для эффективного фотосинтеза, а определенный вклад должны вносить и другие пигменты. «Провал» в спектре действия в области 450−500 нм, соответствующей поглощению света каротиноидами, свидетельствует о сравнительно небольшой эффективности передачи энергии от них на хлорофилл а. И действительно, она оценивается на уровне 20−50%.