Рубин А.Б., Шинкарев В.П. Транспорт электронов в биологических системах

Подождите немного. Документ загружается.

Перенос электронов, описываемый этой схемой, определяется

пуассоновским потоком квантов света. Отсюда

следует,

что на

временной шкале

\/k

^.t^.s/k

кинетика изменения восстанов-

ленное™

переносчиков

£)„_„+,,

..., D

совпадает с кинетикой

окисления

переносчиков Л

..., А„

(D))

= е-V (1 + V +

• • •

/Г'/(л

- 00.

= n — s+ 1 п,

(11.24)

Р (А"г) = <?-*•'(! + kj +

• • •

+ (k

/(s - л)!), г = 1,. . ., s.

(11.25)

Дальнейшая эволюция ФРЦ связана в основном с поступлением

электронов от внешнего донора и приводит к изменению восста-

новленное™ лишь переносчиков электронов, находящихся на до-

норной

стороне:

(„_

)-^(n_

+ 1 s) Д- .-.4- (ns).

(11.26)

Поскольку ko^k, то можно считать, что на временах ~1/Л^>1/^

процесс, описываемый схемой (11.23), уже закончился. Процесс

восстановления переносчиков электронов

a+i

...,/)„ соглас-

но

схеме

(11.26)

связан с пуассоновским потоком поступления

электронов от внешнего донора. Поэтому вероятность того, что

через время

t>l/k

после включения света в донорную часть

поступило q электронов, равна [см. формулу

(11.13)]

-^•е-и.

(11.27)

Приход первого электрона приводит к восстановлению-

s+1

приход второго — к восстановлению

s+2

и т. д. По-

этому для вероятности того, что Д находится в окисленной фор-

ме, можно записать

| / +l п.

(11.28)

Таким образом, в рассматриваемом

случае

кинетика окисления

s+1

..., D

индуцированного светом, имеет немонотонный ха-

рактер — сначала происходит окисление [схема (11.23)], а за-

тем восстановление переносчиков [схема

(11.26)]

(рис. 55). Вме-

сте с тем кинетика восстановления А

..., А, монотонна

(рис.

55).

Б.

Пусть

^>k>m

и, кроме того, число переносчиков элек-

тронов на акцепторной стороне больше, чем на донорной (ra<s).

В этом

случае

схема переноса электронов после включения све-

та

будет

иметь вид (см. также рис. 54)

„О

— п-11^---^0п->1 п^Ол+li-.

^ -5. ls-t ...-t/is.

(11.29)

241

к<т

\ \

Рис. 55. Теоретические кривые кинетики восстановленности и окисленности

переносчиков электронов, находящихся на донорной и акцепторной сторонах

ФРЦ,

при включении (f) и выключении (•[) действующего света

Г = S — П+1,

Поскольку

^>k,

то на временной шкале 1/J .

можно пренебречь переходами с константой скорости k. Тогда

поведение переносчиков описывается схемой (11.23), в которой

n=s.

Поэтому для этой временной шкалы справедливы выраже-

ния,

совпадающие с выражениями (11.24), (11.25):

1{п

— Щ, 1 = \,2,...,п,

(11.30)

(11.31)

Эти формулы показывают, что изменение восстановленности

(окисленности) переносчиков электронов сразу после включения

света носит S-образный характер. Полученные формулы описы-

вают редокс-превращения только

n+l

... , A

, поскольку ре-

докс-первращения Л

..., Л„_

происходят с константой скоро-

сти k и

могут

не учитываться на рассматриваемой временной

шкале. Так как h>k, то на временной шкале l/k^t можно ис-

ключить маловероятные состояния с константой выхода k

и за-

писать процесс, реализующийся после перехода к состоянию

Опв виде (см. также рис. 54):

0n-^0n+l-^----^0s^ls-t----^ns.

(11.32)

242

Эта

схема

показывает, что на временной шкале l/k^t ФРЦ с

константами скорости k

переходит

в состоянии со все большим чи-

слом электронов в акцепторной части:

0n^0fi+l^----^0s.

(11.33)

Лишь после заполнения акцепторов станет невозможным пере-

нос

электронов /),->-Л

и начнется восстановление переносчиков

электронов донорной стороны ФРЦ:

Os-^ls-^

•• •

-^-п s.

(11.34)

Следовательно, на рассматриваемых временах редокс-превраще-

ния

Л,, ..., Л

_„ и D

..., D

обусловлены пуассоновским пото-

ком

поступления электронов в донорную часть ФРЦ и опреде-

ляются формулами:

Р (Л?) =

+«+.-.+

(ktt

/(s-n

_ г)!],

г = 1,2, ... ,s — n,

(11.35)

Р (D?) = е-* [1 + kt +

• • •

(ktf^Hs

-n + l- 1)1],

= 1,2, ..., п.

(11.36)

Таким образом, при включении света наблюдается монотонное

увеличение восстановленности переносчиков Л,, ..., А, [форму-

лы

(11.31),

(11.35)]

и немонотонное изменение во времени вос-

становленности переносчиков электронов D

, ..., D

[формулы

(11.30),

(11.36)]. Причем, если окисление переносчиков Ъ

...

..., D

обусловлено в основном световой константой скорости,

то

последующее

их восстановление целиком обусловлено поступ-

лением электронов от внешнего донора и определяется величи-

ной

константы скорости k. Отличие

случаев

«>s и s>n состоит

в том, что при s>n кинетика переносчиков D

...,£)„

характе-

ризуется временной задержкой восстановления (рис. 55).

Эта задержка тем больше, чем больше емкость акцепторной

части ФРЦ по сравнению с емкостью донорной части.

В рассмотренном нами приближении предполагалось, что

константа скорости оттока электронов из реакционного центра

равна нулю. Это привело к

тому,

что стационарная окисленность

(восстановленность) переносчиков D

..., D

..., Л„) близ-

ка

нулю

(единице). В общем

случае

(тФО) величина стацио-

нарной

окисленности (восстановленности) отлична от нуля (еди-

ницы)

тем больше, чем дальше переносчик электронов находит-

ся

от световой стадии.

Благодаря симметрии в переносе электронов в акцепторной и

дырок в донорной частях ФРЦ, рассмотрение

случая

m~>k ана-

логично выше — проведенному анализу. Таким образом, если

k>m, то при включении света происходит S-образное восстанов-

ление переносчиков электронов на акцепторной стороне ФРЦ и

немонотонное окисление переносчиков электронов, находящихся

243

на

донорной стороне ФРЦ, если же m>k, то при включении све-

та происходит

S-образное

окисление переносчиков электронов,

находящихся на донорной стороне, и немонотонное восстановле-

ние

переносчиков электронов, находящихся на акцепторной сто-

роне ФРЦ (рис. 55).

Заключение

В настоящей

главе

и гл. 9, 10 рассмотрена обобщенная ки-

нетическая модель переноса электронов в комплексе ФРЦ фо-

тотрофных бактерий и высших растений.

Особенностью этой модели является

учет

иерархии величин

констант скорости и энергетического профиля переноса электро-

нов

в ФРЦ. Перечислим важнейшие особенности переходных

процессов в ФРЦ при включении и выключении постоянного све-

та, обнаруженные при анализе этой модели.

1. На отрезках времени сопоставимых или больших, чем время

обмена электронами

между

ФРЦ и средой, восстановленность

переносчиков электронов на донорной (акцепторной) сторо-

не

соответствует

их потенциалу полувосстановления: чем вы-

ше редокс-потенциал переносчика, тем выше его восстанов-

ленность. Сказанное справедливо как для стационарного ре-

жима, так и для переходных процессов.

2. Свет индуцирует окисление переносчиков электронов, находя-

щихся на донорной стороне ФРЦ, и восстановление перенос-

чиков электронов, находящихся на акцепторной стороне; при-

чем сначала окисляется самый далекий от световой стадии

переносчик электронов (D

), затем более близкий (O

-i)

т. д. Аналогично этому сначала восстанавливается A

, за-

тем A,-i и т. д.

3. Характер переходного процесса, индуцированного освещени-

ем, определяется соотношением величин констант скорости

kjm. Если константа скорости k притока электронов в ФРЦ

существенно больше, чем константа скорости т оттока элек-

тронов из ФРЦ {k>m), то при включении света наблюдается

немонотонное окисление переносчиков электронов на донор-

ной

стороне ФРЦ (рис. 55) и

S-образное

восстановление пе-

реносчиков электронов на акцепторной стороне ФРЦ (рис.

55). Если же m~>k, то наблюдается S-образная кинетика

окисления

переносчиков на донорной стороне и немонотонное

восстановление переносчиков электронов на акцепторной сто-

роне ФРЦ.

4. При выключении света переносчики Z)

—D

восстанавливают-

ся,

а переносчики Л

—A

окисляются. Характерной особенно-

стью

кинетик темнового восстановления и окисления пере-

носчиков является S-образность и связанная с ней временная

задержка в темновом восстановлении (окислении), тем боль-

шая,

чем дальше переносчик электронов находится от свето-

вой стадии (рис. 55).

244

Отметим в заключение, что рассмотренный в гл. 9—11 под-

ход может оказаться полезным при анализе не только переноса

электронов

в ближайшем донорно-акцепторном окружении ФРЦ,

но

и при анализе функционирования комплекса Ь—с,, сопряжен-

ного с ФРЦ.

Глава

КИНЕТИКА

ВОССТАНОВЛЕНИЯ

БАКТЕРИОХЛОРОФИЛЛА,

ОКИСЛЕННОГО

ИМПУЛЬСНЫМ И ПОСТОЯННЫМ СВЕТОМ

ХРОМАТОФОРАХ

ПУРПУРНЫХ БАКТЕРИЙ

В ряде работ [Clayton, 1962; McElroy et al., 1974; Лукашев

др., 1975; Чаморовский и др., 1976; 1977;

Lukashev

et al., 1976;

Chamorovsky et al., 1976; Нокс и др., 1977; Кононенко, 1980; Фа-

биан

и др., 1980; Петров и др., 1983] исследована температурная

зависимость кинетики темнового восстановления фотохимиче-

ски

активного пигмента (димера бактериохлорофилла, Р870) в

целых клетках, изолированных хроматофорах и препаратах

ФРЦ

различных пурпурных бактерий при высоких редокс-потен-

циалах среды

(£

>350

мВ). В этих условиях, в темноте, восста-

новлен

только пигмент ФРЦ, и после окисления под действием

света он может получать электрон лишь от фотовосстановлен-

ных 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 време-

нем

-j-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 пиг-

мент ФРЦ.

При

понижении температуры относительный вклад быстрого

компонента

возрастает, а вклад медленного — уменьшается.

Аналогичный эффект вызывает и уменьшение влажности препа-

ратов [Нокс и др., 1979; Nikolaev et al,, 1980]. Этот эффект, по-

видимому, связан с замедлением переноса электронов

между

первичным (Qi) и вторичным (Q

) хинонами, что подтверждает-

ся

появлением быстрого компонента уже при комнатной темпе-

ратуре, если перенос электронов ингибирован о-фенантролином

{Лукашев

и др., 1975; Chamorovsky et al., 1976].

245

290

Рис. 56.

Кинетика

фотоиндуцированных окислительно-восстановительных пре-

вращений

бактериохлорофилла Р870 в хроматофорах Rhodospirillum rubrum

Р890 в хроматофорах Ectothiorhodospira shaposhnikovii, измеренная по из-

менению

поглощения при 790 нм при температурах между 298 и 230 К [Luka-

shev

et al., 1976]

В данной

главе

проанализирована

схема

переноса электро-

нов

в ближайшем донорно-акцепторном окружении ФРЦ пур-

пурных бактерий и предложены способы расчета величины кон-

станты 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 ус-

ловиях

(350^£

<400

мВ) имеет вид [Пытьева и др., 1976]

Здесь Р — фотохимически активный пигмент ФРЦ; Q

— со-

246

ответственно первичный

вторичный хинонные акцепторы элек-

тронов

ФРЦ,

&„

—

«световая»

константа скорости, пропорцио-

нальная интенсивности действующего света. Смысл остальных

констант скорости ясен

из

схемы.

После возбуждения

электрон

от

него попадает

на

первич-

ный

хинон

(со

временем

~200 пс), а

затем

на

вторичный хинон

(со временем

—0,1—2

мс).

Возврат электрона

от Q

на Р мо-

жет происходить двумя путями.

Первый,

циклический,

это

перенос электронов

константой

скорости

[Blankenship, Parson, 1979a]:

Qi Qn

(12.2)

к 1 •

Он

осуществляется либо путем непосредственного туннелирова-

ния

электрона, либо через промежуточные переносчики электро-

нов.

последнем

случае

k —

минимальная

из

констант скорости

циклического транспорта электронов.

Второй путь

— это

возврат электрона через первичный хинон

[Wraight,

1979a]:

P^Q,SQII.

(12.3)

При

комнатной температуре, вследствие того

что

электроны возвращаются

на

пигмент, по-видимому,

по

схеме

(12.2). Вместе

с тем, при

более низких температурах,

также

препаратах изолированных ФРЦ определенную роль

мо-

жет играть перенос электронов согласно

схеме

(12.3).

Ниже проведен анализ температурной зависимости кинетики

переноса электронов

ближайшем донорно-акцепторном окру-

жении

ФРЦ на

основе минимальной схемы (12.1), объединяю-

щей схемы

(12.2)

(12.3).

12.2. Кинетическая модель

В окислительных условиях

в ФРЦ

находится только один

электрон,

поэтому переходы

между

состояниями

ФРЦ

имеют

вид:

QfQ,

POQIQJ,

Ъ:

PVlQn-

(12.4)

ft-. m_t I

Система дифференциальных уравнений, описывающая

эти

пере-

ходы, имеет следующий

вид:

clp/dt=k

(l—p—q)

— (m

+ k-

) p + m-iq,

dq/dt=m

p—{m..

+k)q,

(12.5)

247

где р, q — есть вероятности того,

что первичный

вторичный хи-

ноны

находятся

семихинонной

форме соответственно.

Подчеркнем,

что в

схеме

(12.4) предполагается, что обме-

ном

электронами между ФРЦ

средой можно пренебречь. Это до-

пущение подтверждается тем,

что

эксперименте наблюдается

многократная

воспроизводимость

полностью обратимого фотоокис-

ления

бактериохлорофилла

во

всем изученном диапазоне тем-

ператур

отсутствие экзогенных

доноров [Лукашев

др., 1975].

Процесс

темновой релаксации

ФРЦ

также может быть описан

системой уравнений (12.5), если

положить

последней величину «световой» константы скорости

равной нулю:

dp/dt=

—

(m,+&

Рис.

57. Схематическое изображе-

ние

кинетики

редокс-превращений

пигмента

ФРЦ, индуцированное

постоянным

(а) и

импульсным

(б)

светом

(12.6)

Решение

системы линейных уравнений

(12.6)

может быть запи-

сано

в следующем виде:

/1 +УЛ Л~^1

' / /

/»

—I—

'I \ I ~ yy. -.

Xnt

I /

ft, 1 ллл

\ \ (

О 7\

где

величины

>^ и Я,

подчиняются

ограничениям

Я,

•

\z=k(k-

) +m-ik-

(12.8)

(0)Ь(к

)-д(0)

г» а,) — б а,)

д (0)

р (0) Ь

с=

-im_j_izi_i-ii_

(12.9)

(12.10)

В соответствии

формулами

(12.9)

р(0), q(0)—начальные

условия, зависящие от режима освещения. С учетом формул

(12.7—10)

выражение, описывающее кинетику темнового вос-

становления

фотоокисленного пигмента, имеет вид

=.-

-J- /7l_i

—

(12.11)

248

Экспериментально определяемыми величинами в этом выраже-

нии

являются показатели экспонент Я

и Я

, а также отношение

амплитуд предэкспоненциальных членов (рис. 57). Будем счи-

тать, что А-1 соответствует

«быстрой»

компоненте темнового вос-

становления

пигмента, а %

— «медленной». Тогда исходя из фор-

мулы

(12.11)

можно записать следующее выражение для отно-

шения

амплитуд быстрой и медленной компонент

Б/М = —

х 2

"° ~

х 2

—

— /L

) (k + m_! — lj)

)

ih) _ §

-o~ ^ (12

д ()[()]

Полученные выражения

(12.7-4-12)

справедливы для актива-

ции

ФРЦ как импульсным, так и непрерывным светом. Рассмо-

трим по отдельности эти предельные случаи.

12.3. Импульсное освещение

При

активации ФРЦ короткой вспышкой света можно счи-

тать, что электрон локализован на первичном акцепторе Q,, т. е.

р(0) = 1, <7(0) =0. Поэтому выражение

(12.12)

учетом

форму-

лы

(12.9)

может быть записано в виде

(12.13)

т. е.

ЦМ

=1.

Переходя к относительному вкладу быстрого компонента

(Х=Б/(Б+М))

темнового восстановления пигмента, получим

К™ = *-°~Ч

(12.14)

"•1 — л

Можно

рассматривать соотношения

(12.8)

(12.14)

как систему

уравнений для определения неизвестных констант скорости т„

т_,, k-

, k. Существенно отметить, что независимых уравнений

для определения этих четырех констант скорости всего три, и,

следовательно, в общем

случае

нет возможности определить эти

константы

скорости по отдельности исходя из импульсного экспе-

римента, в котором производится наблюдение только за окислен-

ной

формой пигмента.

Разрешая

соотношение

(12.14)

относительно величины кон-

станты скорости «рекомбинации» k-

, можно найти

А_

=Я,Х

„+М1-*вм).

(12.15)

Таким

образом, величина константы скорости k-

может быть точ-

но

определена исходя из экспериментально определяемых вели-

чил,

причем она всегда меньше показателя hi

«быстрой»

экспо-

ненты,

но больше показателя %

«медленной» экспоненты и стре-

мится

к Х

{

по мере увеличения вклада быстрого компонента л

им

249

Учитывая, что в эксперименте всегда [Лукашев и др., 1975;

Чаморовский и др., 1977]

(12.16)

подставляя &_

из формулы

(12.15)

в соотношение (12.8), мож-

но

найти

+й=Х

+Л

-й-о=Я

(1—Х

„)+Х

„«Я,(1—Х

„).

(12.17)

равен-

(12.18)

Поэтому соотношение

(12.17)

можно переписать в виде

(12.19)

В силу выражения

(12.16)

равенство

(12.8)

переходит в равен-

ство

Откуда, разрешая последнее соотношение относительно суммы

(k),

имеем

(т,

т_

к)

к_

-Ь^- = к Л .

(12.20)

*им

Полученная формула показывает, что рассматриваемая сумма

величин констант скорости (nii+m-

+k) приближенно равна

произведению константы скорости k-

переноса электрона от Q,

Р и отношению амплитуд медленного и быстрого компонентов

темнового восстановления пигмента.

Формула

(12.20)

удобна тем, что в ней имеются легко опре-

деляемые из эксперимента величины констант скорости обрат-

ного переноса электронов &-

, а также вклады быстрого и мед-

ленного компонентов темнового восстановления пигмента. Тем-

пературную зависимость константы скорости &_

можно полу-

чить, например, из температурной зависимости быстрого компо-

нента темнового восстановления пигмента в препаратах, у ко-

торых блокирован перенос электронов от первичного хинона ко

вторичному с помощью о-фенантролина или экстракцией вто-

ричного хинона. По результатам многочисленных наблюдений,

суммированных в обзорах [Blankenship, Parson,

1979b;

DeVa-

ult, 1980] величина характерного времени обратного переноса

электронов от Qi к Р практически не зависит от температуры в

рассматриваемом нами диапазоне температур

25ч—60°

С и со-

ставляет обычно

604-80

мс для различных препаратов и видов

бактерий.

Предположим, что

m^m-t,

(12.21)

т. е. величина константы скорости переноса электронов на уча-

стке

между

первичным и вторичным хинонами больше цикли-

ческой константы скорости k, а также обратной константы ско-

рости т_!. Отметим, что это предположение заведомо справед-

250