Техника - молодёжи 1990-03, страница 9

щих веществ. То были первые источники электронов, восстанавливающих атмосферный СОг- Но всех этих веществ на Земле не так уж много.

Наилучшим донором была бы, конечно, вода, повсюду имевшаяся в изобилии. Но для разложения воды требовалось в три раза большее электрическое напряжение, чем давала фотосистема хлоро-филлсодержащих бактерий. Поэтому к ней, в конце концов, была

Р и с б. Такие искусственные элементы предлагается соединять в последовательные цепочки, чтобы увеличить расстояние. которое проходит электрон, и, соответственно. уменьшить вероятность его самопроизвольного возвращения (рекомбинации). Концы расположенных параллельно молекулярных цепочек выводятся на две общие поверхности — донорную и акцепторную. Так сформируется своего рода искусственная мембрана. При освещении донорной стороны должны освобождаться электроны, которые двинутся по цепочкам к акцепторной стороне, где их можно использовать в электрохимической реакции — например, для восстановления протонов и получения молекулярного водорода. Таким образом, световая энергия будет аккумулироваться в виде газообразного химического топлива. Разумеется, можно непосредственно использовать и образующуюся разность электрических потенциалов. Цифрами обозначены: I — свет: 2 — отвод электрона от внешнего донора: 3 — донорная поверхность: 4 — упорядоченная передача электронов: 5 — акцепторная поверхность; 6 — среда, в которой происходит реакция присоединения электрона (восстановления); 7 — внешний акцептор электрона (например, ион водорода); 8 — конечный продукт реакции — молекулярный водород.

подключена вторая фотосистема, подобно тому, как мы ставим в фонарик пару батарей, чтобы лампочка светила сильнее. Это было реализовано в зеленых растениях. Старая система, названная фотосистемой 1 (ФС1), доставляет электроны к молекулам СОг. Вторая же система (ФС2) удаляет электроны из воды и доставляет их к ФС1.

Появление ФС2 стало революционным моментом в развитии не только растений, но и биосферы в целом, да и во всей геологической истории Земли. В атмосфере появился мощный окислитель — кислород, который резко подхлестнул эволюцию животных, сформировал озонный экран, способствовал появлению почв.

А суммарная формула фотосинтеза наконец стала выглядеть так, как она записана в начале статьи.

ЗА ЧТО ДАЮТ «НОБЕЛЕВКИ»

Полностью механизм фотосинтеза еще не раскрыт. Но несколько лет назад в его изучении произошло событие принципиальной важности. Об этом «ТМ» кратко сообщал в № 8 за прошлый год, под рубрикой «Время искать и удивляться»: трое западногерманских исследователей получили Нобелевскую премию по химии 1988 года за раскрытие полной химической структуры фотосинтетического центра — хлорофилл-белкового комплекса бактерий. Эта молекулярная система, состоящая примерно из 10 тыс. атомов, встроена в хроматофор — мембрану бактерии и служит непосредственно для переноса электронов. В чем значение этого события?

Ученые уже давно выяснили, что в передаче электрона участвует не одна молекула хлорофилла, а целых четыре, и, кроме того, молекулы феофитина (безмагниевого аналога хлорофилла) и хинона. Между ними наблюдается сверхбыстрый перенос электрона. Благодаря появлению пикосекундных лазеров, дающих импульсы света продолжительностью всего 10~¹² с, удалось проследить судьбу отдельного фотона и оценить длительность самых быстрых перескоков электрона (рис. 1).

Установили также, что цепь переноса электрона, образуемая названными молекулами, размещена

внутри опорной конструкции из четырех взаимосвязанных молекул белка. Все они вместе и образуют хлорофилл-белковый комплекс. Наконец, стала ясна огромная важность пространственной конфигурации цепи переноса, расстояний между молекулами, их ориентации. Именно эти свойства определяют, пожалуй, главный секрет фотосинтеза: как это электрон от сравнительно слабого донора успевает проскочить по цепи через всю мембрану и не вернуться обратно, не рекомбинировать с образовавшейся дыркой, пока она не заполнилась новым электроном?

Без ответов на эти вопросы не стоило и думать об искусственном воспроизведении фотосинтеза. Но для этого требовалось воочию увидеть ту сложную молекулярную сеть, которая так эффективно улавливает и отводит электрон, обеспечивая разделение зарядов, то есть преобразование световой энергии в электрическую.

Раскрыть трехмерную молекулярную структуру с точностью до атома можно единственным методом — рентгеноструктурным анализом. А такой анализ, как известно, возможен только для веществ в кристаллической форме. Значит, первое, что надо было сделать,— это закристаллизовать фотосинтетический хлорофилл-белковый комплекс целиком. В принципе кристаллизации поддаются и более сложные белки — вплоть до целых вирусов. Но белок, погруженный в мембрану (трансмембранный), надо сначала отделить от нее, а это считалось просто невозможным. Так думали крупнейшие специалисты по кристаллизации белков, а потому никто и не пробовал заниматься этим безнадежным делом.

Психологический барьер разрушил молодой биохимик Хартмут Михель (один из будущих лауреатов), хотя на это ему понадобилось несколько лет тяжкого труда. Дальше вступила в действие обычная процедура рентгеноструктур-ного анализа: огромное количество рентгенограмм, огромный объем машинных расчетов — и вот еще через пару лет на экране компьютера появился схематический каркас хлорофилл-белкового реакционного центра бактерии рода Vi-ridis. Его фотография помещена в том же № 8 за прошлый год. Ярко-желтые структуры в самой середи

7