Complexele de recoltare a luminii ( SSC , sau complexe de antene , uneori pur și simplu antene ) sunt complexe pigmentare -proteine ale organismelor fotosintetice , localizate în membranele fotosintetice și care îndeplinesc funcția de absorbție primară a cuantelor de lumină , urmată de migrarea energiei de excitație către centrele de reacție ale fotosisteme. Ele asigură, de asemenea, reglarea fină a aparatului fotosintetic și participă la protecția acestuia împotriva deteriorării foto.
Evenimentul cheie al etapei luminoase a fotosintezei, în care energia radiației este convertită în energie chimică, este procesul de separare a sarcinilor în centrele de reacție ale fotosistemelor. Separarea sarcinii este procesul de transfer de electroni de la centrii de reacție excitați ai clorofilei la acceptorul primar. Separarea sarcinilor are loc ca urmare a excitației centrilor de reacție a clorofilei atunci când aceasta absoarbe o anumită cantitate de energie. Cu toate acestea, o lovire directă a unui foton , care transportă energia necesară excitației, în clorofila centrului de reacție este extrem de puțin probabilă. Prin urmare, fotosinteza eficientă este posibilă numai cu prezența antenelor - complexe pigment-proteine care captează fotoni de diferite lungimi de undă și direcționează energia de excitație către centrele de reacție. Se știe că marea majoritate a moleculelor de clorofilă fac parte din complexe de antene, și nu din centre de reacție. În plantele superioare , aproximativ 300 de molecule de clorofilă de antenă sunt asociate cu un centru de reacție [1] .
Pentru a folosi energia fotonilor care nu sunt absorbiți de clorofilă (zona de „scufundare verde”), în antene sunt incluși și alți pigmenți. La plantele superioare, acestea sunt carotenoide ( caroteni și xantofile ), iar la o serie de alge și unele procariote fotosintetice, acestea sunt și ficobiline . Clorofilele și carotenoidele se leagă de proteine în mod necovalent, datorită interacțiunilor electrostatice, legăturilor de coordonare cu magneziul și interacțiunilor hidrofobe. Ficobilinele se atașează covalent de proteine prin legături tioeter și eter [2] .
Migrarea energiei în complexele de captare a luminii are loc întotdeauna cu unele pierderi de energie. În acest sens, maximul de absorbție al pigmentului donor este deplasat la lungimi de undă mai scurte (comparativ cu maximul pigmentului acceptor). Adică energia de excitație a pigmentului donor este întotdeauna mai mare decât energia de excitație a pigmentului acceptor (o parte din energie se disipează în căldură) [3] . De exemplu, pentru plantele superioare, migrarea energiei este tipică în următoarea direcție: carotenoizi → clorofila b → clorofila a → clorofila a centrului de reacție (ca parte a unui dimer).
Organizarea CSC-urilor în diferite organisme este destul de variabilă (în comparație cu structura conservatoare a centrelor de reacție), ceea ce reflectă adaptarea fototrofilor la diferite condiții de iluminare în cursul evoluției.
Deoarece s-a constatat că transferul eficient de energie în antene are loc și la temperaturi extrem de scăzute (1° K = –272 °C), s-a ajuns la concluzia că transferul de energie are loc fără transfer de electroni (transportul de electroni este imposibil la temperaturi atât de scăzute) [4] . Se disting următoarele mecanisme de migrare a energiei:
Aceste mecanisme de transfer de energie sunt fundamental diferite de mecanismele implementate în lanțurile de transport de electroni ( ETC ), deoarece transferul de energie în diferite părți ale ETC este asociat cu transferul de electroni (migrarea energiei electronilor). Transferul de electroni între cofactori în cadrul complexelor proteice ETC se realizează conform mecanismelor 1) semiconductoare sau 2) de rezonanță (pe baza efectului tunelului de electroni printr-o barieră energetică). Transferul electronilor în zonele cu purtători mobili se realizează conform mecanismului difuz [11] .
Bacteriile violet au un singur fotosistem, similar în multe privințe cu fotosistemul II al cianobacteriilor și al plantelor superioare . Complexele de captare a luminii sunt situate în jurul acestui fotosistem: la periferie - LH2 și în apropierea centrului de reacție - LH1 [12] . Moleculele de bacterioclorofilă și carotenoide sunt localizate pe proteinele complexelor . În același timp, complexele LH2 exterioare sunt caracterizate prin forme de pigmenți cu lungime de undă mai scurtă (800–850 nm), în timp ce complexul LH1 interior are lungimi de undă mai lungi (aproximativ 880 nm). Bacterioclorofila centrului de reacție (RC) are un maxim de absorbție și mai lung de undă. O astfel de structură asigură absorbția fotonilor în LH2 și migrarea direcționată prin LH1 către RC. Bacteriile violete sunt caracterizate de CSC-uri multisubunități cu o organizare circulară. Complexele, de regulă, includ două tipuri de polipeptide : subunități α și β . Ambele subunități sunt proteine mici formate din regiuni hidrofile (citoplasmatice și periplasmatice) și un domeniu transmembranar. Organizarea proteinelor și aranjarea pigmenților în RC și SSC este studiată folosind metoda cristalografiei cu raze X [12] .
Pentru Rhodobacter sphaeroides , este prezentată organizarea dimerică a complexului (LH1 - RC - PufX) 2 (cu o rezoluție de 8 Å) [13] . Dimerul conține două proteine PufX, care formează goluri în antenele circulare LH1, prin care ubichinona redusă părăsește RC . În plus, această proteină este responsabilă de dimerizare. Un complex dimeric similar a fost găsit prin microscopia electronică în membranele bacteriei Rhodobaca bogoriensis [14] .
La Rhodopseudomonas palustris a fost descrisă structura complexului LH1 - RC - proteina W (cu o rezoluție de 4,8 Å) [15] . Proteina W, prin analogie cu PufX, formează un gol în antena circulară LH1. O pauză în LH1 oferă acces transportorului mobil de ubichinonă la RC.
Cea mai mare rezoluție (3 Å) descrie structura complexului monomeric LH1 - RC din bacteria termofilă Thermochromatium tepidum [16] . În acest caz, LH1 înconjoară complet RC și nu are goluri; calea de transport al ubichinonei oferă un canal special în antenă. În plus, există situsuri de legare a cationilor de calciu de la capătul C-terminal al subunităţilor LH1 ; se presupune că legarea calciului crește stabilitatea termică a complexului.
În clorozomii bacteriilor verzi cu sulf, complexul de recoltare a luminii este situat pe partea citoplasmatică a membranei și constă din aproximativ 10.000 de molecule de bacterioclorofilă (în principal bacterioclorofilă c) asociate cu proteine. Ele sunt înconjurate de membrane lipidice și baza lor (bacterioclorofila a este situată la baza complexelor) este în contact cu complexul de captare a luminii înglobat în membrana din jurul centrului de reacție. Transferul de excitoni are loc de la bacterioclorofila c, care absoarbe la o lungime de undă de aproximativ 750 nm (B750) prin moleculele de bacterioclorofilă a situate la bază (B790), la bacterioclorofila a din complexul de absorbție a luminii integrat în membrană (B804) și , în final, la bacterioclorofila a centrului de reacție ( P840). [17]
În plantele superioare , complexele de recoltare a luminii interne (sau miez, din engleză core ) și externe sunt izolate. Fiecare fotosistem (I și II) are atât un SSC intern, cât și unul extern, adică. plantele superioare au 4 tipuri de CSC. Antenele externe asigură absorbția fotonilor și migrarea energiei de excitație către antenele interne. Antenele interne sunt situate în imediata apropiere a centrelor de reacție; ele absorb, de asemenea, cuante de lumină și asigură migrarea energiei de excitație către centrele de reacție ale fotosistemelor. Fiecare CSC conține mai multe polipeptide; Fiecare proteină CSC conține un număr strict definit de pigmenți.
Antena externă PS I include patru polipeptide Lhca1-4 (complex de recoltare a luminii) cu o greutate moleculară de aproximativ 22 kDa. Fiecare polipeptidă poartă aproximativ 100 de molecule de clorofile a și b și xantofile (luteină, violoxantina). Raportul dintre clorofila a/clorofila b din antena externă a PS I este de aproximativ 3,5. Proteinele antenelor extrinseci sunt organizate într-o formă de semilună în jurul fiecărui fotosistem individual. Mai mult, dacă PS I formează un supercomplex trimeric, atunci semilunele individuale PS I se închid, înconjurând complet trimerul. Spre deosebire de trimerul mobil al antenei externe CCK II, antena externă CCK I este conectată permanent la PS I și nu este capabilă să difuzeze în membrană. Proteinele Lhca1-4 sunt codificate în genomul nuclear.
La tomate , proteinele Lhca1 și Lhca4 există în două izoforme. Există două gene omoloage care codifică Lhca5 și Lhca6 [18] [19] în rezukhovidka lui Tal . Se știe că Lhca5 se găsește în cantități semnificative în lumină puternică și poate forma homodimeri care se leagă de Lhca2 și Lhca3. Există dovezi că complexul NADH-dehidrogenază al cloroplastelor , similar complexului NADH-dehidrogenază al mitocondriilor și omolog cu complexul bacterian I [20] [21] , al cloroplastelor formează un supercomplex cu cel puțin două PSI folosind proteinele Lhca5 și Lhca6. [19]
Antena internă FS IAntena internă a PS I este localizată pe două proteine centrale ale fotosistemului (proteinele A și B), în jurul centrului de reacție P 700 și a cofactorilor de transfer de electroni . Compoziția antenei interne include 95 de molecule de clorofilă a , 12-22 molecule de β-caroten, dintre care 5 sunt în conformația cis.Pigmenții antenei interne sunt dispuși sub forma unui cilindru care înconjoară agenții redox. al lanțului de transport de electroni PS I. nucleul fotosistemului I și sunt codificate în genomul plastidului . [22]
Antena externă PSII constă dintr-o antenă mobilă și proteine de antenă minore. Proteinele antenei mobile includ: Lhcb1-3 (masa aproximativ 26 kDa), proteine minore - Lhcb4-6 (sau CP29, CP26, CP23). Proteinele Lhcb1-3 sunt codificate în genomul nuclear. [23]
Fiecare dintre proteinele antenei mobile conține 7-8 molecule de clorofilă a, 6 molecule de clorofilă b , 2 molecule de luteină încrucișată , câte una dintre neoxantin și violoxantin (sau zeaxantin ). [23] Proteina Lhcb2 este proteina principală a membranei tilacoide , deci este bine studiată. Lhcb2 conține un reziduu important de treonină care poate suferi fosforilare, ceea ce este important pentru tranziția cloroplastelor de la starea 1 la starea 2. O proteină Lhcb1 și două proteine Lhcb2 formează un heterotrimer de antenă mobilă, CCK II. Trimerul mobil CCK II este capabil să difuzeze în membrana tilacoidă și se poate lega de PS I (cu participarea subunității H), crescând astfel fluxul de energie către centrul de reacție PS I și reducând sarcina asupra centrului de reacție PS II .
Proteinele minore Lhcb4-6 sunt situate între antena mobilă și antena internă a complexului PSII. Fiecare dintre aceste proteine conține 13-15 clorofile și 4-5 xantofile ( luteină , neoxantina , violo- sau zeaxantina ). Proteinele minore ale PS II, datorită locației lor, servesc drept canale pentru fluxul de energie de la antena externă CCK II către centrul de reacție PS II. În proteinele minore ale CCK II are loc ciclul xantofilei ( violoxantină ), care joacă un rol fotoprotector în condiții de iluminare excesivă. [23]
Antenă internă FS IISpre deosebire de PS I, unde antena internă este situată pe proteine centrale care transportă clorofilele centrului de reacție și cofactorii de transfer de electroni , antena internă a PS II este situată pe două proteine separate (CP43 și CP47) adiacente proteinelor centrale ale PS II ( proteinele D1 și D2). Proteina CP43 este situată lângă D1, iar CP47 lângă D2. CP43 poartă 13 molecule de clorofilă a , CP47 - 16, în plus conțin 3-5 molecule de β-caroten. Proteinele CP43 și CP47 sunt codificate în genomul plastidei. [24]
În starea 1, trimerul mobil CCKII este asociat cu PSII. Odată cu creșterea intensității luminii, se regenerează fondul de plastochinone și citocromi b 6 /f ai complexului, care activează o kinază specială care fosforilează trimerul mobil. Ca urmare a fosforilării, suprafața trimerului mobil capătă o sarcină negativă, ceea ce duce la disocierea acestuia de PSII. Trimerul mobil fosforilat se poate atașa la PSI. Starea în care trimerul mobil este asociat cu PSI se numește starea 2. În timpul oxidării plastochinonelor, are loc reacția inversă de defosforilare a antenei mobile de către enzima proteinfosfatază, aceasta revine în regiunea gran membrane perechi și o creștere în fluxul de energie către PSII, care este însoțit de trecerea sistemului de la starea 2 la starea 1. că un număr de subunități PSI (H, O, L) sunt necesare pentru atașarea complexului mobil CCKII și trecerea la stare 2 [25] [26] [27] . Ca urmare a trecerii de la starea 1 la starea 2, energia radiației este redirecționată de la PSII la PSII, care realizează mai eficient fluxul ciclic de electroni. Comutarea între starea 1 și 2 este un mecanism important pentru protejarea aparatului fotosintetic de intensitățile luminoase ridicate. [28]
În unele cianobacterii (inclusiv proclorofite ), glaucocistofite , criptofite și alge roșii , pigmenții complexelor de recoltare a luminii sunt reprezentați de tetrapiroli care nu sunt închise într-un macrociclu - ficobiline . Ficobilinele sunt fixate pe proteine prin formarea de legături covalente ( tioeter și eter ), în timp ce molecula de cromofor capătă o conformație cu buclă deschisă. Complexele pigment-proteine sunt hidrofile și pot fi extrase prin extracție cu apă fierbinte. Hidroliza legăturii covalente dintre pigment și apoproteină necesită tratament cu acid clorhidric în timpul încălzirii. Ficobiliproteinele sunt caracterizate prin fluorescență intensă, totuși, atunci când proteina este denaturată , ficobiliproteinele își pierd această capacitate.
Există mai multe clase de ficobiline, cu diferite caracteristici spectrale:
În celulele algelor, ficobiliproteinele sunt organizate în complexe de recoltare a luminii (ficobilizomi) care sunt situate pe suprafața membranelor tilocoide . Ficobilizomii pot avea formă de semi-disc sau semisferici. Ficobilizomii conțin și proteine speciale responsabile de agregarea pigmenților de ficobilină și de asamblarea ficobilizomilor. Organizarea ficobilizomilor este astfel încât ficobilinele cu maxime de absorbție cu lungime de undă mai scurtă sunt situate la periferie, iar cele cu lungime de undă cea mai scurtă sunt în apropierea centrelor de reacție. Migrarea energiei în ficobilizomi are loc odată cu disiparea unei părți a energiei de excitație în căldură și se supune regulii generale: de la pigmenții cu lungime de undă mai scurtă la cei cu lungime de undă mai mare (ficoeritrine → ficocianine → aloficocianine) [29] .
La criptoftide , ficobiliproteinele sunt localizate în lumenul tilacoidului și nu există ficobilizomi standard [30] .
Raportul pigmenților de ficobilină din diferitele tipuri de alge este determinat de compoziția spectrală a luminii pe care o folosesc. La adâncimi mari ale coloanei de apă pătrunde în principal lumina albastră cu lungime de undă scurtă. În acest sens, algele roșii , care trăiesc de obicei la adâncimi mari, acumulează ficoeritrine, care absorb efectiv cuante de înaltă energie. Și în cianobacteriile care locuiesc în corpurile de apă dulce și în straturile superioare ale coloanei de apă ale oceanelor , se acumulează în principal ficocianine și aloficocianine. În plus, la algele din aceeași specie, raportul pigmenților nu este, de asemenea, constant și se modifică în funcție de adâncimea habitatului (fenomenul de adaptare cromatică ) [31] .