А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Его задача — проводить выбитые светомэлектроны на другую сторону мембраны, и тем самым создавать тот электрический потенциал, на котором и работает фотосинтез.Фотосинтетический реакционный центр включает в себя цитохром счетырьмя гемами (это, собственно говоря, — не мембранный белок: оннаходится вне мембраны, в периплазматическом пространстве) и три мембранные субъединицы: L, M и H (от последней, впрочем, в мембране находится только одна α-спираль). субъединицы L и M очень похожи.Все трансмембранные части — α-спирали. Они, как всегда, длинны(их длина равна толщине мембраны) и регулярны. Внутри мембраны нет155как же работает фотосинтетический реакционный центр?сначала квант света выбивает электрон из сидящей в белке «специальной пары» («special pair») хлорофиллов (см.
схему на рис. 12-7). Этотэлектрон мгновенно (за ~10–12 с) перескакивает [видимо, через соседний«дополнительный» (accessory) хлорофилл BA] на феофитин PA (именно PA,а не на PB!), а затем, за ~10–10 с, — на хинон (quinone) QA. Потом — ужеза ~10–4 с — электрон переходит на хинон QВ. Почему электрон идет столькружным путем на хинон QВ, почему он не регистрируется (по электронным спектрам) на «дополнительном» хлорофилле BA — еще не ясно.Рис. 12-6. Фотосинтетический реакционный центр. Мембрана показана схематично.трансмембранная часть белка состоит из спиралей субъединиц L и М, есть однатрансмембранная спираль и у субъединицы Н.
Цитохром целиком находится в периплазме, вне мембраны. Обратите внимание, насколько внутримембранные частибелков регулярнее внемембранных! субъединицы L и М связывают фотосинтетические пигменты — хлорофиллы и феофитины (их расположение лучше видно нарис. 12-7). И у тех, и у других пигментов есть длинные гидрофобные «хвосты», выступающие из белка в мембрану.
субъединицы L и M связывают, в своей нижней (нарисунке) части, два хинона (см. также рис. 12-7). Цитохром, лежащий вне мембраны,включает четыре гема (изображенные, как и все кофакторы, скелетными моделями).картинка, с малыми изменениями, взята из [5]нерегулярных петель. В то же время лежащая вне мембраны цепь значительно менее регулярна и содержит много петель; в общем, она уложенатак же, как в «обычных» водорастворимых глобулярных белках, о которыхнам еще предстоит говорить.Обратите внимание на множество относительно небольших циклическихмолекул — пигментов, сидящих в белке фотосинтетического реакционногоцентра: именно по сложенным из них дорожкам, «проводникам» идетэлектрон (это видно по изменяющимся, как только на них попадает «проводимый» электрон, электронным спектрам этих пигментных молекул), а самполипептид служит только, так сказать, формообразующим изолятором.156Рис.
12-7. схема расположения фотосинтетических пигментов в фотосинтетическом реакционном центре. Ось псевдосимметрии L и М субъединиц проходитчерез «специальную пару» хлорофиллов и ион Fe. длинные «хвосты» пигментов«сбриты», чтобы не загромождать рисунок. Электрон преимущественно идет поправой (на рисунке) ветви пигментов, привязанной к субъединице L. Путь электрона отмечен короткими стрелками. Большая стрелка отмечает выход хинона, нагруженного двумя последовательно прибывшими электронами. Левая цепь не используется.
Предполагается, что она использовалась в прошлом, а теперь осталась, какаппендикс. картинка, с малыми изменениями, взята из [5]157Ушедший со «специальной пары» хлорофиллов электрон возмещаетсяэлектроном, пришедшим с гема цитохрома. На этом завершается первыйполуцикл реакции.В результате второго аналогичного полуцикла хинон QB нагружаетсявторым электроном и уходит с обоими электронами (дважды заряженный,он легче вырывается из мембраны), чтобы принять участие в дальнейшемфотосинтезе. Итак, фотосинтетический реакционный центр переносит электроны изверхнего (на рис.
12-6, 12-7) в нижний компартмент — против создающейся, в результате, разности потенциалов между компартментами. коэффициент полезного действия этого реакционного центра около 50 % (т. е. 50 %поглощенного света превращается в энергию разделенных зарядов: вполненеплохо!).Отметим два важных физических момента:1) И хлорофиллы (рис. 12-8), и феофитины, и хиноны, и другие пигменты включают в себя системы «полуторных» (...–с=C–с=...), т. е.p-электронных связей. Иначе говоря, электронные облака в каждой изэтих молекул обобществлены (вследствие Полингова резонанса: ...с=с–...⇔ ...с–с=...), и электроны бегают по такой молекуле, как по кусочку металла. тем самым создается потенциальная яма для электронов, где они«делокализованы», т.
е. могут смещаться на расстояния, значительно превышающие диаметр атома (кстати, именно делокализация электронов создает характерную окрашенность пигментов: локализованный в отдельнойвалентной связи электрон возбуждается коротковолновым ультрафиолетовым светом, а делокализованный электрон — «обычным», видимым, болеедлинноволновым светом).Рис. 12-8. Молекула бактериохлорофилла1582) Передача электрона с одного «кусочка металла» (пигмента) на другойне требует непосредственного контакта этих пигментов.
Эта передача осуществляется путем квантового туннельного перехода (см. схему на рис. 12-9).Рис. 12-9. схема, поясняющая туннельный эффект. жирная линия показывает профиль потенциальной энергии U электрона. Пунктирная линия — уровень полной(потенциальной + кинетической) энергии электрона. колоколообразная линия (соштриховкой под ней) — плотность электронного облака ρ.
Электрон первоначально сидит в левой яме (это его состояние и показано на рисунке), но край его облака(пусть и обладающего здесь очень малой плотностью) достигает правой ямы, такчто электрон может со временем весь перетечь туда, если там энергия ниже. Приглубине ямы в несколько электрон-вольт (характерной энергии, необходимой дляионизации молекулы, ~100 ккал/моль) — характерное расстояние, на которомплотность его облака спадает на порядок, — около 1 Åсуть туннельного перехода (или, как говорят, «подбарьерного» перехода: ведь при этом электрон проходит как бы под энергетическим барьером) в том, что, по законам квантовой механики, электрон (как и всякаячастица, а в особенности — легкая частица) несколько «выступает» запределы той потенциальной ямы, в которой он находится. «Потенциальной ямой» (областью низкой потенциальной энергии U) в данном случаеслужит та молекула (хлорофилл, феофитин и т.
д.), на которой сидитэлектрон. Вне «ямы», в которой сидит этот электрон (рис. 12-9), его потенциальная энергия выше, чем его полная (потенциальная + кинетическая) энергия в яме. Если бы не квантовый эффект, этот дефицит энергиине давал бы электрону возможности высовываться из ямы. квантовый жеэффект приводит к тому, что волновая функция электрона (или, попросту,плотность электронного облака) «выплескивается» за потенциальную яму,хотя величина этой плотности и очень быстро, экспоненциально спадаетпо мере удаления от «ямы».Это — тот же квантовый эффект, что не позволяет электрону упасть наядро: хоть это падение и уменьшило бы потенциальную энергию электрона, его кинетическая энергия возросла бы при этом еще больше. делоздесь в том, что, при стремлении к нулю расстояния ∆x от электрона доядра, потенциальная энергия электростатического взаимодействия электрона с ядром стремится к минус бесконечности как 1/∆x, а его кинетиче-159ская энергия, в силу принципа неопределенности Гейзенберга стремится(при ∆x→0) к плюс бесконечности куда быстрее, — как 1/(∆x)2.действительно, согласно принципу Гейзенберга, неопределенность вскорости ∆v и неопределенность в координате ∆x частицы связаны соотношением m∆v∆x ~ ћ, где ћ — постоянная Планка, а m — масса частицы.Иными словами, абсолютная величина скорости частицы v в яме шириной∆x составляет порядка ћ/(m∆x) при полной неопределенности направлениядвижения частицы в данный момент времени.
следовательно, кинетическая энергия частицы E = mv2/2 есть величина порядка m[ћ/(m∆x)]2 == (ћ2/m)/∆x2.так же обстоит дело и в случае электрона в потенциальной яме: еслибы он ни на йоту не выступал за свою яму, его полная энергия была бывыше.Поэтому электронное облако слегка «выплескивается» за потенциальную яму. При этом плотность его спадает экспоненциально, как и плотность электронного облака атома. Характерное расстояние, на которомплотность этого облака спадает на порядок (в 10 раз), — около 1 Å (это,как мы знаем, — характерный радиус атома).Уточнение. квантово-механический расчет показывает, что характерное расстояние λ, на котором плотность электронного облака спадает в 10 раз, составляет(где m — масса частицы, т.е.
электрона, а ΔЕ > 0 — разностьмежду энергией барьера и уровнем энергии частицы в яме), — что, при типичномзначении ΔЕ ≈ 5 электрон-вольт (≈120 ккал/моль), приводит к λ = 1 Å.Значит, плотность электронного облака спадает в 1000 раз на расстоянии в 3 Å от «своей ямы». Это означает, что вероятность того, что за одноколебание электрон отойдет от «своей ямы» на 3 Å, — порядка 10–3 (а на5 Å, — порядка 10–5, на 10Å, — порядка 10–10 и т.
д.). Электрон в «яме»(молекуле пигмента) совершает ~1015 колебаний в секунду (в видимом световом диапазоне частот: это хорошо видно по спектрам поглощения такихмолекул). Значит, характерное время его перехода в другую «яму» (другуюмолекулу пигмента), отстоящую на 3 Å, — порядка 10–15 / 10–3 = 10–12 с; вяму, отстоящую на 5 Å, — порядка 10–10 с; в яму, отстоящую на 10 Å, —10–5 с; а в яму, отстоящую на 15 Å, — порядка 1с.
такая зависимость скоростей переходов от расстояний согласуется с тем, что наблюдается в фотосинтетическом реакционном центре. Обратите внимание на ряд существенных моментов.Первое. суммарный переход совершается на расстояние около 40 Å.такое расстояние нельзя покрыть одним туннельным прыжком (такойпрыжок занял бы ~ 10–15 / 10–40 ~ 1025 с ~ 1017 лет — на него не хватило бы160всего времени жизни Вселенной).
Однако конструкция белка разбиваетэтот большой прыжок на четыре малых — от одного притягивающегоэлектрон пигмента к другому — и электрон покрывает эти 40 Å за долюмиллисекунды.Второе. для того, чтобы электрон не вернулся тотчас со второгопигмента на первый, а пошел дальше, на третий и т. д. — его суммарная(потенциальная + кинетическая) энергия должна падать по ходу процесса — или, иными словами, электрон должен на каждом шаге переходитьс высокоэнергетической атомной орбиты на низкоэнергетическую. конструкция фотосинтетического реакционного центра призвана обеспечитьтакое понижение энергии электрона на пигментах по ходу процесса.третье.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
