П₆₈₀

П₆₈₀ (P680, пигмент 680) или первичный донор фотосистемы II — димер из двух молекул хлорофилла а, П₁ и П₂, которые также называют специальной парой[1]. Вместе две эти молекулы образуют экситонный димер, то есть они функционально представляют собой единую систему и при возбуждении ведут себя как одна молекула. Максимум поглощения энергии света такой специальной пары приходится на длину волны λ = 680 нм. Первичный донор возбуждается, поглощая фотоны с подходящей длиной волны или через перенос энергии возбуждения от других хлорофиллов фотосистемы II. П₆₈₀ поглощает квант света и переходит в фотовозбуждённое состояние, в результате чего один из его электронов переходит на более высокий энергетический уровень — с основного подуровня S₀ на первый синглетный подуровень S₁. Этот электрон отрывается от специальной пары и захватывается первичным акцептором электрона, феофитином, который расположен внутри фотосистемы II рядом с П₆₈₀. Процесс отщепления электрона от специальной пары и переходе его на феофитин с образованием радикальной пары носит название разделения зарядов. Окисленный П₆₈₀⁺ восстанавливается, захватывая электрон от водоокисляющего комплекса фотосистемы II.

Положение П680 (P680) в фотосистеме II

П₆₈₀⁺ — сильнейшей биологический окислитель. Его окислительно-восстановительный потенциал составляет приблизительно +1,3 В[2] (по другим данным +1,12 В[1]). Это позволяет ему индуцировать процесс окисления воды, окислительно-восстановительный потенциал которой +0,8 В. В то же время редокс-потенциал фотовозбуждённого П₆₈₀ находится в отрицательной области (менее −0,6 В).

Фотосистема II, так же как и реакционный центр пурпурных бактерий, асимметрична, и две молекулы в димере не эквивалентны. Одна молекула хлорофилла а (П₁) образует водородные связи с аминокислотами белка D₁ при помощи кетоэфирных групп в положениях C₉ и C₁₀, а вторая молекула хлорофилла а (П₂) образует только одну водородную связь. Поскольку П₁ образует большее число водородных связей, его редокс-потенциал выше и электрондвижущая сила больше. В момент возбуждения димера электрон переходит от П₂ к молекуле хлорофилла П₁, и образуется диполь. Из-за возникновения локального электрического поля происходит изменение конформации специальной пары, что облегчает дальнейший перенос электрона на феофитин, а положительный заряд локализуется на одном из хлорофиллов[3].

В отличие от специальной пары фотосистемы I (П₇₀₀) и пары бактериофиллов (П₈₇₀) в фотосистеме пурпурных бактерий, в П₆₈₀ хлорофиллы находятся на значительно большем расстоянии (5,2 Å против 3,6 Å в П₇₀₀ и 3,5 Å в П₈₇₀), а их плоскости несколько наклонены относительно друг друга, что значительно снижает энергию экситонного сопряжения и замедляет скорость захвата энергии света, что в свою очередь делает более медленным процесс разделения зарядов на паре хлорофиллов. Низкая скорость захвата энергии позволяет регулировать уровни возбуждения в антенне ФСII, что защищает реакционный центр от фотоингибирования[4].

Реакционный центр фотосистемы II в термодинамическом отношении намного эффективней реакционного центра пурпурных бактерий. В ФСII квант при 680 нм (1‚84 эВ) используется для фотоиндуцированного разделения зарядов с образованием стабильной радикальной пары П₆₈₀⁺ — Фео⁻, Редокс-потенциал П₆₈₀⁺ равен +1,12 B, потенциал Фео составляет −0‚13 B. Таким образом, из энергии поглощенного фотона 1,84 эВ в стабильной радикальной паре сохраняется 1,25 эВ, то есть эффективность составляет 68 %. Для реакционного центра ФСI эта величина составляет 58 %. У пурпурных бактерий фотоны с энергией 1,44 эВ (870 нм) продуцируют стабильную радикальную пару П₆₈₀⁺ — Q_A⁻, которой соответствует энергия 0,5 эВ, то есть эффективность процесса равна 35 %[5].

Таким образом, реакционный центр ФСII эволюционировал так, что его эффективность разделения зарядов оказалась вдвое выше по сравнению с реакционным центром пурпурных бактерий. Следовательно, эволюция стратегии слабого сопряжения создает значительное преимущество в эффективности фотохимического преобразования энергии в реакционных центрах оксигенных систем[5].