19.2.2. A Special Pair of Chlorophylls Initiates Charge Separation
Podjednostki L i M tworzą strukturalny i funkcjonalny rdzeń bakteryjnego centrum reakcji fotosyntetycznej (patrz Rysunek 19.9). Każda z tych homologicznych podjednostek zawiera pięć heliksów transmembranowych. Podjednostka H, która ma tylko jedną helisę transmembranową, leży po cytoplazmatycznej stronie błony. Podjednostka cytochromu, która zawiera cztery hemy typu c, leży po przeciwnej, peryplazmatycznej stronie. Cztery cząsteczki bakteriochlorofilu b (BChl-b), dwie cząsteczki bakteriofeofityny b (BPh), dwa chinony (QA i QB) oraz jon żelaza są związane z podjednostkami L i M.
Bakteriochlorofile są podobne do chlorofili, z wyjątkiem redukcji dodatkowego pierścienia pirolowego i kilku innych drobnych różnic, które przesuwają ich maksima absorpcji na bliską podczerwień, do długości fali tak długiej jak 1000 nm. Bakteriofeofityna jest terminem dla bakteriochlorofilu, który ma dwa protony zamiast jonu magnezu w swoim centrum.
Reakcja rozpoczyna się od absorpcji światła przez dimer cząsteczek BChl-b, które leżą w pobliżu peryplazmatycznej strony błony. Ten dimer, zwany parą specjalną ze względu na jego fundamentalną rolę w fotosyntezie, absorbuje światło maksymalnie przy 960 nm, w podczerwieni blisko krawędzi obszaru widzialnego. Z tego powodu para specjalna jest często określana jako P960 (P oznacza pigment). Ekscytacja pary specjalnej prowadzi do wyrzucenia elektronu, który jest przenoszony przez inną cząsteczkę BChl-b na bakteriofeofitynę w podjednostce L (Rysunek 19.10, etapy 1 i 2). To początkowe rozdzielenie ładunków, które daje ładunek dodatni na specjalnej parze (P960+) i ujemny na BPh, zachodzi w czasie krótszym niż 10 pikosekund (10-11 sekund). Co ciekawe, tylko jedna z dwóch możliwych ścieżek wewnątrz prawie symetrycznego dimeru L-M jest wykorzystana. W swoich wysokoenergetycznych stanach, P960+ i BPh- mogłyby ulegać rekombinacji ładunków; to znaczy, elektron na BPh- mógłby się cofnąć, aby zneutralizować dodatni ładunek na specjalnej parze. Jego powrót do pary specjalnej spowodowałby zmarnowanie cennego wysokoenergetycznego elektronu i po prostu przekształciłby zaabsorbowaną energię świetlną w ciepło. Trzy czynniki w strukturze centrum reakcyjnego współpracują ze sobą, aby niemal całkowicie powstrzymać rekombinację ładunków (Rysunek 19.10, etapy 3 i 4). Po pierwsze, inny akceptor elektronów, ściśle związany chinon (QA), znajduje się w odległości mniejszej niż 10 Å od BPh-, a więc elektron jest szybko przenoszony dalej od specjalnej pary. Przypomnijmy, że szybkość przenoszenia elektronów silnie zależy od odległości (Rozdział 18.2.3). Po drugie, jeden z hemów podjednostki cytochromu znajduje się w odległości mniejszej niż 10 Å od pary specjalnej, a więc ładunek dodatni jest neutralizowany przez przeniesienie elektronu z zredukowanego cytochromu. Wreszcie, przeniesienie elektronu z BPh- na dodatnio naładowaną parę specjalną jest szczególnie powolne: przeniesienie to jest tak korzystne termodynamicznie, że odbywa się w odwróconym regionie, gdzie szybkość przeniesienia elektronu staje się wolniejsza (Rozdział 18.2.3). Tak więc, przeniesienie elektronu przebiega wydajnie z BPh- do QA.
Rysunek 19.10
Łańcuch elektronowy w fotosyntetycznym bakteryjnym centrum reakcyjnym. Absorpcja światła przez specjalną parę (P960) powoduje szybkie przeniesienie elektronu z tego miejsca do bakteriofityny (BPh), tworząc fotoindukowaną separację ładunków (kroki (więcej…)
Z QA, elektron przemieszcza się do luźniej związanego chinonu, QB. Absorpcja drugiego fotonu i ruch drugiego elektronu w dół drogi od pary specjalnej kończy dwuelektronową redukcję QB z Q do QH2. Ponieważ miejsce wiązania QB leży w pobliżu cytoplazmatycznej strony błony, dwa protony są pobierane z cytoplazmy, przyczyniając się do powstania gradientu protonowego w poprzek błony komórkowej (Rysunek 19.10, etapy 5, 6 i 7).
Jak podjednostka cytochromu centrum reakcji odzyskuje elektron, aby zakończyć cykl? Zredukowany chinon (QH2) jest ponownie utleniany do Q przez kompleks III oddechowego łańcucha transportu elektronów (Rozdział 18.3.3). Elektrony ze zredukowanego chinonu są przenoszone przez rozpuszczalny pośredni cytochrom c, zwany cytochromem c2, w peryplazmie do podjednostki cytochromu w centrum reakcji. Przepływ elektronów jest więc cykliczny. Gradient protonów powstający w trakcie tego cyklu napędza wytwarzanie ATP poprzez działanie syntazy ATP.
.