Các phức hệ anten và quá trình chuyển hóa năng lượng

Tất cả các chlorophyll trên các sinh vật quang hợp đều chứa đựng các hệ thống tín hiệu thu nhận ánh sáng.

Chương 5: CÁC PHỨC HỆ ANTEN VÀ QUÁ TRÌNH

CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG

I) Khái niệm chung & khái quát về hệ thống anten:

Tất cả các chlorophyll trên các sinh vật quang hợp đều chứa đựng các hệ thống tín hiệu thu nhậnánh sáng.Những hệ thống này có chức năng hấp thụ ánh sáng và chuyển hóa năng lượng , khi

mà nó làm dừng hoặc mất hiệu lực các trạng thái bị kích thích.Trong phần lớn trường hợp, việc thu nhận lại là trung tâm phản ứng chính nó, và trạng thái bị kích thích bị dừng lại bởi sự tích lũy năng lượng của quá trình quang hóa học Trong một số trường hợp,thì dù thế nào đi nữa,sự ngừng lại đó là do một số quy trình khác như huỳnh quang hoặc do chuyển đổi nội bộ

-Ngược lại với phức hệ trung tâm phản ứng,phức hệ anten còn nhận biết được nhiều loại khác nhau (những thay đổi khác nhau) Trước tiên hết là chúng ta phải tìm hiểu vài khái niệm bao quát của hệ thống anten và sau đó nghiên cứu các lớp của anten một cách chi tiết hơn,đặc biệt nhấn mạnh về cấu trúc của anten cùng với các động lực của sự nhận và chuyển hóa năng lượng -1932,Emerson và Anold đưa ra những khái niệm đầu tiên về anten bằng các cuộc thí nghiệm (được nhắc đến ở chương 3) Hai ông đã tìm thấy 1 phân tử O2 được sinh ra sau khi cho ánh sáng chạy qua,tuy nhiên nó lại không được giải thích một cách rõ ràng.Lúc bấy giờ có vài lời giảithích được đưa ra.Một là,trong mỗi từ khoảng 2500 phân tử chlorophyll chlorophyll tiến hành quang hóa học,nhưng sản phẩm thu được không bền và mất đi nếu quá trình xảy ra không nhanh chóng do có sự hiện diện của enzym quang học

-Khả năng tiếp theo được đưa ra bởi Gaffon&Woht năm 1936 là không phải sản phẩm của quá

trình quang hóa hay sự hoạt động của enzym tạo ra năng lượng mà do sự chuyển hóa năng lượng từ hạt sắc tố này đến các hạt sắc tố khác.Đơn vị quang học này bao gồm sự tập hợp

nhiều sắc tố,trong đó có sự kích thích năng lượng dao động lên xuống trước khi ổn định.Nhưng lúc bấy giờ chưa có kỹ thuật nào biết đến

-Quan niệm về sự chuyển hóa năng lượng ở những hệ thống quang hợp đó gặp phải sự phản đốigay gắt từ ông James Franck & Edward Teller Trên một bài báo năm 1938,họ đã giới thiệu những khái niệm quan trọng nhưng chủ yếu là để khẳng định việc năng lượng được chuyển hóa giữa những chlorophyll là không thể xảy ra.Trong phân tích của 2 ông này,2 ông đã thử cho các chlorophyll xếp thẳng hàng với nhau,vì thế nếu năng lượng truyền đi dọc dài và thẳng hàng thì

khái niệm về chuyển hóa năng lượng ở trên có thể tin được nhưng sự lan truyền theo 1 chiều là

không hiệu quả,bởi vì xảy ra quá nhiều sự chuyển hóa đòi hỏi có sự kích thích từ 1 điểm trên hàng này qua hàng khác

-Tất nhiên là hiện nay chúng ta đã biết rằng những sắc tố anten được sắp xếp theo cấu trúc 3 chiều,vì thế chỉ còn có vài bước chuyển hóa năng lượng là cần phải liên kết của vài sắc tố trên cùng hàng

TÓM LẠI: phức hợp anten là các sắc tố quang hợp tổ chức thành hệ thống thu nhận ánh sáng và truyền năng lượng cho trung tâm phản ứng,nơi mà xảy ra các phản ứng oxy hóa khử để chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học.

II) Các lớp của anten:

Sự đa dạng đáng chú ý của những anten được tìm thấy trong các loại sinh vật quang hợp khác nhau Thật ra, trong nhiều trường hợp, những nhóm sinh vật quang hợp phần lớn được xác định bởi những kiểu anten mà sinh vật đó chứa Có một số lớp chính của những anten, mà hiển thị rõ ràng là không có liên hệ với nhau dưới dạng cấu trúc hay thậm chí những kiểu sắc tố Điều này cho thấy đã có một số nguồn gốc độc lập tiến hóa của ăng ten, nhưng nó cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của hệ thống thu nhận ánh sáng Chúng tôi lần đầu tiên sẽ đặt ra các motif cấu trúc chung được tìm thấy trong các lớp khác nhau của ăng-ten và sau này sẽ xem xét các hệ thống ăngten một số đại diện chi tiết hơn Hầu như tất cả các phức hệ ăng-ten là tổ hợp “sắc tố-

protein”,khi mà trong đó các chlorophyll hoặc các sắc tố khác liên kết với protein trong một cấu trúc độc đáo Ngoại lệ duy nhất của quy tắc này được biết đến là phức hợp ăng ten chlorosome tìm thấy trong các vi khuẩn quang hợp màu lục, trong đó tổ hợp lại là “sắc tố-sắc tố” tương tác

có tầm quan trọng chính (Xem dưới đây)

Phức hệ Antenna có thể được phân chia thành các phức chất anten màng nguyên và những phức chất anten màng ngoại vi Những anten màng nguyên chứa đựng những Protein mà đi xuyên qua mô hình hai lớp lipit Những sắc tố thường được chôn sâu trong màng tế bào Trong ăng ten màng ngoại vi, phức ăng-ten được kết hợp với các thành phần được chôn trong màng tế

bào, nhưng bản thân nó không trải qua màng Nó được gán cho một cạnh đặc biệt của màng quang hợp Năng lượng được hấp thụ bởi các sắc tố trong phức chất ăng ten ngoại vi được

chuyển vào màng phức ăng ten tách rời, và cuối cùng vào trung tâm phản ứng, nơi diễn ra quá

trình quang hóa Những phức chất anten màng nguyên tự mình hoàn toàn đa dạng dưới dạng

cấu trúc và vị trí tương đối trong chuỗi chuyền năng lượng Một số sắc tố anten này và những chức năng anten tương ứng của nó được xây dựng vào bên trong cấu trúc trung tâm phản ứng cực tiểu

Những sắc tố này không thể được phân chia sinh-hóa từ những thành phần di chuyển điện tử bởi

vì nó đang bị ràng buộc vào cùng một polypeptit Chúng ta sẽ gọi các hệ thống này là “hợp nhất ăng ten / phức hợp trung tâm phản ứng”.Lý do tại sao có cái tên này thì sẽ tìm hiểu ở chương 6

Các lớp màng tách rời của ăng-ten được gọi là phức ăng ten lõi được mật thiết liên kết với các

trung tâm phản ứng, nhưng thường có thể được tách ra từ quá trình sinh-hóa.Nó thường có một phép st sắc tố cố định và một sắp xếp cũng được định nghĩa vật chất đối với các trung tâm phản

ứng phức tạp của chính nó Nhóm cuối cùng (của) những phức chất anten màng nguyên

thường được gọi là những anten ngoại vi, dù chúng tôi sẽ không sử dụng những thuật ngữ đó, bởi

vì nó (thì) quá dễ dàng bối rối với những phức chất màng ngoại vi được bàn luận ở trên.

Chúng ta sẽ gọi là những anten phụ trợ những phức chất này, nhấn mạnh thực tế nó đó luôn luôn được tìm thấy thêm khi tới lõi,( hay thống nhất, những anten, không phải thay cho họ) Nó thường có mặt trong số lượng nhiều, phụ thuộc vào những điều kiện tăng trưởng, và có thể di động, trong sự sắp đặt vật lý của nó với những anten khác và trung tâm phản ứng những phức chất thì không cố định trong không gian hoặc thời gian Nó thường được tham gia vào quá trình điều chỉnh hệ thống anten

III) Những chức năng vật lý của anten :

Phễu năng lượng là hình ảnh hữu ích trong việc hình dung ra sự tập hợp năng lượng trong những

hệ thống anten Các chi tiết ngoại biên của hệ thống ăng ten, thường là một ăng-ten ngoại vi phức tạp như một phân tử phycobilli, hấp thu tối đa ở các bước sóng ngắn hơn do các sắc tố trong các sắc tố trong phức ăng-ten ở gần giữa đến trung tâm phản ứng

Theo hằng số Planck, những trạng thái bị kích động được hình thành bởi những phôtôn bước sóng ngắn.Những quá trình di chuyển năng lượng kế tiếp từ những chất màu năng lượng cao về mặt vật lý xa từ trung tâm phản ứng đến những chất màu năng lượng thấp hơn về mặt vật lý gần trung tâm phản ứng hơn Với mỗi chuyển đổi, một số năng lượng bị mất đi do nhiệt, và sự kích thích được di chuyển tới trung tâm phản ứng Năng lượng bị mất trong mỗi bước không làm đảo ngược quá trình, vì vậy kết quả cuối cùng là sự kích thích là vào trong trung tâm phản ứng, nơi

mà một số năng lượng trong nó được cất giữ bởi quang hóa học

Không tuyệt đối cần thiết rằng mỗi khi năng lượng di chuyển đều bị thất thoát một cách mạnh mẽ.Năng lượng nóng luôn luôn sẵn sàng thêm vào năng lượng kích thích để tăng phần, thỉnh thoảng cũng có những chuyển đổi có thể từ những trạng thái bị kích động năng lượng- thấp hơn đến năng lượng bậc cao Tuy nhiên, xác suất của những sự di chuyển năng lượng " đường dốc lên " này trở nên hàm số mũ nhỏ hơn khi lỗ hổng năng lượng tăng.Cuối cùng, sự kích thích sẽ được chuyển từ những chất màu năng lượng bậc cao đến những chất màu năng lượng thấp hơn.Khái niệm phễu có thể được xem như một cơ chế trong đó một phần năng lượng trong sự kích thích được hy sinh dưới dạng nhiệt trong thời gian một quá trình năng lượng được chuyển đến trung tâm lưu trữ trong một thời gian ngắn Một hệ thống ăng-ten lớn thì đẳng năng với nơi lưu trữ có thể hút năng lượng tốt, nhưng đa số năng lượng bị mất vì chúng phải “đi lang thang” xung quanh anten trước khi dần dần tìm được đường đến nơi lưu trữ.Sự sắp đặt phễu để làm việc, phải

có cả hai: một không gian và một sự điều chỉnh năng lượng của những chất màu anten,vì thế nơi hấp dẫn bước sóng ngắn hơn xa nơi lưu trữ hơn và bước sóng dài hơn gần nơi lưu trữ hơn

Chất màu phụ trợ, thông thường nhất là carotenoit, hút mãnh liệt tại những bước sóng ngắn Chấtmàu phụ trợ này cho một phạm vi rộng hơn trong hệ thống quang phổ mặt trời Năng lượng hút bởi chất màu phụ trợ này nhanh chóng được chuyển tới những chất diệp lục, thông thường trong

cùng anten phức tạp, vì vậy một số năng lượng hấp thụ bởi những chất màu này sẵn sàng điều khiển sự quang hợp.

Khái niệm phễu có vẻ thích hợp nhất trong trường hợp của những phức chất anten màng ngoại

vi Với anten phức chất trực tiếp tương tác với phức chất trung tâm phản ứng, hoặc những anten lõi màng nguyên hoặc những anten nóng chảy, mô hình phễu thường hỏng Trong các tình huốngnày, năng lượng của một số hoặc tất cả các sắc tố anten thấp hơn một số lần thực tế của nơi lưu trữ, một số năng lượng chuyển giao là cần thiết trước khi năng lượng có thể bị mắc kẹt Ý nghĩa chức năng của các sắc tố thấp ăng-ten năng lượng chưa được rõ ràng

IV) Các khái niệm của tổ chức anten, “puddles” và “hồ” :

Khái niệm của các đơn vị quang hợp nổi lên từ Emerson và Arnold Tuy nhiên, các chi tiết của các sắc tố như thế nào, anten và các trung tâm phản ứng được tổ chức tốn 1 khoảng thời gian lâu

để thành lập Chúng tôi sẽ xem xét một số trường hợp hạn chế

Một khả năng là một sắp xếp tĩnh của một nhóm sắc tố ăng ten gắn vĩnh viễn với một trong những trung tâm phản ứng Điều này được gọi là mô hình “puddle”, hay đôi khi là mô hình "các đơn vị riêng biệt", trong đó có một trung tâm phản ứng duy nhất và anten của nó tạo thành một thực thể độc lập không kết nối theo bất kỳ cách phản ứng với các trung tâm khác

Ở đầu kia của quang phổ, mô hình " hồ " là trường hợp hết sức đặc biệt của sự thông nhau Trong mô hình này, các trung tâm phản ứng được “nhúng” vào một “hồ nước” của các sắc tố ăngten, và năng lượng hấp thụ bởi một sắc tố ăng ten có thể được chuyển với sự cân bằng giữa bất

kỳ những trung tâm phản ứng trong “hồ” Nếu một trong những trung tâm đóng cửa để phản ứng quang hoá học, năng lượng có thể được chuyển giao cho một số khác đang mở Mô hình “hồ” dường như áp dụng đối với nhiều vi khuẩn màu tím

Các “puddle” và các mô hình “hồ” là trường hợp đặc biệt của tổ chức ăng-ten Hầu hết các sinh vật quang hợp nằm giữa chúng Những mô hình "đơn vị kết nối" kết nối những “puddle”, trong

đó năng lượng hấp thụ trong một “puddle” có thể được chuyển đến trong sắc tố khác, nhưng với xác suất thấp hơn chuyển giao cho các sắc tố bên trong “puddle” Mô hình "domain" bao gồm nhiều phản ứng trung tâm trong một “puddle” Hoàn cảnh này có lẽ là vi khuẩn quang hợp xanh lục, trong đó vài trung tâm phản ứng được liên quan đến một anten chlorosome đơn phức tạp, cũng là tách ra từ chlorosomes khác

1) Cách phân tích huỳnh quang của tổ chức antenna :

Sự đo lường và phân tích huỳnh quang là 1 trong những cách thức hữu hiệu để

tìm hiểu về hệ thống quang hợp Đó là huỳnh quang từ trạng thái bị kích thích bị mất

đi trước khi quang hóa thế chỗ ( ngoại trừ việc huỳnh quang bị giữ lại, cái mà được

phát sinh từ sự đảo ngược của quang hóa ) Nó thường đại diện cho 1 phần nhỏ của

trạng thái kích thích phân rã trong chức năng của phức hệ quang hợp Tuy nhiên,

huỳnh quang là nơi cung cấp số lượng thông tin vô cùng nhiều, bởi vì nó báo cáo về

sự chuyển giao năng lượng và sự bẫy

Mối quan hệ định lượng đơn giản giữa việc quan sát năng suất huỳnh quang và 1

phần nhỏ của các phản ứng trung tâm bên trong để có cái nhìn sâu sắc về tổ chức các

sắc tố, được phát hiện đầu tiên bởi Vredenberg và Duysens ( 1963 ) trong đề tài

nghiên cứu về vi khuẩn quang hợp màu tím

Trong hầu hết các sinh vật quang, sản lượng huỳnh quang tăng lên khi mà cái bẫy đã

đóng, cho dù bằng quang hóa học hoặc bằng cách xử lí hóa chất Điều này là do một

trong những con đường phân rã của trạng thái kích thích đã được gỡ bỏ, vì vậy những conđường khác, chẳng hạn như huỳnh quang, giả sử cũng có một vai trò lớn trong việc phân

rã trạng thái kích thích Nếu các sắc tố ăng-ten được tổ chức tại một vũng bùn thì sự gia tăng trong huỳnh quang là tuyến tính, tương đương với việc đóng cửa của bẫy Tuy nhiên, V và D quan sát thấy sự gia tăng trong huỳnh quang bắt đầu với một dốc chậm khi bẫy được mở và sau đó cong trở lên khi bẫy đã dần dần khép kín, tiêu biểu là hình 5.5a Điều này phản ánh một thực tế là một kích thích được hấp thụ bất cứ nơi nào trong các mảng sắc tố cuối cùng có thể tìm thấy con đường của mình để mở bẫy, ngay cả khi cái gần nhất đã đóng Đây là hoạt động dự kiến nếu các sắc tố được tổ chức theo mô hình hồ

Sử dụng phân tích động lực tương tự như Stern-derivation Volmer trong Phụ lục, V và D xuất phát theo mối quan hệ đơn giản về định lượng giữa sản lượng huỳnh quang và phân

số của bẫy đóng cửa :

1/ø f = 1/ø 0

f – px (5.6) Trong đó, ø f là tổng sản lượng huỳnh quang, ø 0

f là sản lượng huỳnh quang khi tất cả các

bẫy được mở, x là một phần nhỏ trong số các bẫy được đóng cửa, và p là hằng số áp dụng cho một sinh vật cụ thể 1 tập hợp các giá trị 1 / ø f đối với x sẽ là 1 đường thẳng, như trong biểu đồ 5.5b Ở đầu là 1 / ø 0

f , và độ dốc là -p Phương trình 5,6 miêu tả chính xác

các dữ liệu trong một số vi khuẩn màu tím Lưu ý rằng việc áp dụng các Eq 5,6 yêu cầu

về đo lường độc lập với phần của bẫy đóng cửa Điều này thường được thực hiện bằng quang phổ kế hấp thụ sự khác biệt trong dải hấp thụ của trung tâm phản ứng, như mô tả trong Phụ lục

Nếu các sắc tố ăng-ten không được tổ chức sắp xếp trong một hồ nước, sau đó một đồ

thị của 1 /ø f so với x sẽ bị cong, và Eq 5.6 sẽ không áp dụng Đây là 1 trường hợp trong

nhiều cách, nó không phổ biến, các hệ thống quang Cẩn thận phân tích hình dạng của cáctập hợp huỳnh quang như là một chức năng của phần của bẫy đóng dưới nhiều điều kiện kích thích, chẳng hạn như ánh sáng liên tục hoặc sự rung của thời gian và cường độ khác nhau, có thể cho cái nhìn vào cách các sắc tố ăng-ten được tổ chức

Hình 5.5a Hình 5.5b

1) Bằng chứng về sự kích thích trực tiếp huỳnh quang của quang phổ trong việc chuyển giao năng lượng :

Các khái niệm cơ bản của ăng ten quang hợp là ánh sáng hấp thụ bởi một sắc tố sau

đó có thể được chuyển giao cho sắc tố khác Một cách thuận tiện để giám sát quá trình chuyển giao năng lượng là chiếu ánh sáng vào 1 mẫu đó là được hấp thụ 1 cách có chọn lọc bởi một tập hợp các sắc tố và sau đó màn hình huỳnh quang mà bắt nguồn từ một tập hợp sắc tố khác Một tập hợp các cường độ phát xạ huỳnh quang ở bước sóng cố định so với bước sóng kích thích được gọi là sự kích thích huỳnh quang của quang phổ Nó là một hành động cho quang phổ phát xạ huỳnh quang Nếu ánh sáng được hấp thụ bởi mộttập hợp các sắc tố và được phát ra bởi một tập hợp khác, năng lượng chuyển nhượng phải

đã diễn ra giữa hai nhóm sắc tố

Loại thử nghiệm kích thích huỳnh quang này cũng có thể được dùng để đo lượng hiệuquả của chuyển giao năng lượng từ một tập hợp các sắc tố này đến tập hợp khác Vì mục đích minh hoạ, chúng tôi sẽ xem xét một trường hợp lý tưởng, trong đó sắc tố A chuyển năng lượng đến sắc tố B, cái mà sau đó phát huỳnh quang (Fig 5.5) Sắc tố B cũng sẽ pháthuỳnh quang nếu nó được kích thích trực tiếp Chúng tôi giám sát việc phát xạ huỳnh

quang của sắc tố B ở bước sóng λ B Cường độ phát xạ tại λ B được đo khi chúng tôi quét bước sóng kích thích, như trong biểu đồ 5.6 Sự kích thích huỳnh quang của quang phổ

do đó được ghi lại Phần thứ hai của thử nghiệm liên quan đến việc đơn giản là đo sự hấp thụ quang phổ của mẫu Trên thực tế, số lượng thích hợp để sử dụng trong so sánh này không phải là sự hấp thụ quang phổ, nhưng một số lượng liên quan, các quang phổ 1-T, trong đó T là truyền dẫn Quang phổ 1-T là cường độ ánh sáng được hấp thụ như là một chức năng của bước sóng Đối với các giá trị hấp thu của 0,1 hoặc ít hơn, sự hấp thụ và 1-

T quang phổ có hình dạng về cơ bản giống nhau

Bây giờ chúng ta cần phải so sánh sự kích thích huỳnh quang và sự hấp thụ quang phổ để xác định hiệu quả chuyển giao năng lượng Tuy nhiên, cách này có thể được thực hiện, như huỳnh quang và hấp thụ là hai số lượng rất khác nhau? Nó có vẻ như là nếu chúng ta so sánh táo và cam Giải pháp là bình thường hóa (nhân lên do một yếu tố làm cho những quang phổ bằng nhau tại một bước sóng cho trước) trong sự hấp thụ và sự kích thích huỳnh quang của quang phổ tại nơi hấp thụ tối đa của sắc tố B Đối với một sắc tố bị cô lập, sự kích thích huỳnh quang và sự hấp thu quang phổ được đặt lên hàng đầu, bởi vì cách duy nhất để trạng thái bị kích thích của huỳnh quang được đưa đến bởi

sự hấp thụ của 1 photon Bởi khi bình thường hóa, hiệu quả sản xuất huỳnh quang của sắc

tố B là được đo dựa theo kích thích trực tiếp của B Sau khi quang phổ được bình thường hóa theo cách này, biên độ tương đối giữa chúng đưa đến việc hiệu quả chuyển giao nănglượng trực tiếp, như trong fig 5.6 Nếu các sắc tố A không chuyển giao năng lượng cho sắc tố B, sau đó huỳnh quang từ B sẽ không còn độ nhạy cảm với sự hấp thụ của A Nếu chuyển giao với hiệu suất là 50%, sau đó biên độ của sự kích thích huỳnh quang của quang phổ là 50% đối với 1-T quang phổ Biểu đồ 5.7 hiển thị một sự đo lường hiệu quả chuyển giao năng lượng được đo bằng kỹ thuật này Trong ví dụ này, hiệu quả của chuyển giao từ bacteriochlorophyll hấp thụ ở 740 nm để bacteriochlorophyll một phát ra tại 900 nm đã đo được 70%

3) Thuyết chuyển giao năng lượng của Forster :

Cho đến nay, chúng tôi đã thảo luận một số khái niệm chung của ăng-ten và một số

kỹ thuật để đo tổ chức ăng ten và chuyển giao năng lượng Tuy nhiên, trên một mức độ sâu hơn, chúng tôi đã không có vị trí các chi tiết về cách năng lượng được chuyển giao Bây giờ chúng ta sẽ thảo luận về cơ chế vật lí để chuyển năng lượng

Cơ chế đó có thể được áp dụng rõ ràng cho các sắc tố bị ghép 1 cách yếu ớt là cơ chế Forster, mà lần đầu tiên được đề xuất bởi Thomas Forster trong thập niên 1940 Theo Forster cơ chế chuyển giao năng lượng là một quá trình chuyển giao cộng hưởng không phát xạ Nó có thể được hình dung một cách tương tự như việc chuyển giao năng lượng giữa hai âm thoa Mỗi âm thoa có một tần số đặc trưng Nếu một âm thoa bị tác động, nó bắt đầu rung Trong trường hợp nhất định, nhiều năng lượng được chuyển đến một âm thoa khác Đối với chuyển giao này để diễn ra, hai nhánh phải có một số khớp nối giữa chúng Nó cũng phụ thuộc vào định hướng và khoảng cách tương đối của chúng

Nếu sắc tố hai được phân cách thành nhiều Å, và các quá trình chuyển đổi được phép,chuyển giao giữa nguồn cho năng lượng và nơi nhận năng lượng xảy ra chủ yếu thông qua một cơ chế Coulumb (lưỡng cực-lưỡng cực), với tỷ lệ hằng số cho bởi Eq 5.7:

k e = k f (R 0 /R) 6 (5.7)

Với k e là tỷ lệ bậc một không đổi thứ tự để chuyển năng lượng từ nguồn cho đến nơi

nhận, k f là tỷ lệ hằng số cho huỳnh quang của nơi cho năng lượng, R là khoảng cách giữa nơi cho năng lượng và nơi nhận, và R 0 là "khoảng cách tới hạn" tại cái mà năng lượng

chuyển giao là 50% hiệu suất R 0 được tính bởi Eq 5.8 ( đơn vị là Å6) ( Cantor and

Schimmel, 1980)

R 6 = 8.79 x 10 -5 JK 2 n -4 Å (5.8)

Trong Eq 5.8 J năng lượng chồng chéo lên nhau là một yếu tố được đưa ra bởi Eq 5.9, n

là chỉ số khúc xạ, và K 2 là một yếu tố định hướng, xác định bởi Eq 5.10 dưới đây:

J = ∫ ε(λ)F D (λ)λ 4 dλ (5.9)λ (5.9)

Trong Eq 5.9, ε (λ) là sự mất đi hệ số mol của nơi nhận năng lượng trên phạm vi bước sóng, và FD(λ) là sự phát xạ của quang phổ bình thường của nơi cho năng lượng Các tham số trùng nhau được minh họa dưới dạng biểu đồ trong hình 5.8 Cơ sở vật chất cơ bản là nơi cho và các phân tử nơi nhận phải có trạng thái năng lượng chung, bởi vì khi kích thích những bước nhảy từ nơi cho đến nơi nhận, năng lượng phải được bảo tồn sau khi chuyển Điều này có thể được như vậy chỉ khi 2 phân tử có 1 trạng thái năng lượng chung và do đó có sự chuyển tiếp quang phổ ở bước sóng đó

Yêu cầu cho sự chồng chéo lên nhau của quang phổ phát xạ huỳnh quang của nguồn cho và sự hấp thụ quang phổ của nơi nhận đôi khi dẫn đến sự nhầm lẫn sâu sắc rằng quá trình chuyển giao năng lượng Forster tiếp tục bằng cách phát thải 1 photon bởi nguồn cho được theo sau sự hấp thụ một photon bởi nơi nhận Đây không phải là trường hợp Việc chuyển giao Forster là một quá trình không phát xạ, có nghĩa là không có sự phát thải photon hoặc sự hấp thụ là có liên quan Quá trình chuyển giao năng lượng trở thành một trong những quá trình phân rã có thể có từ nhiều trạng thái bị kích thích (xem Phụ lục) Nếu, như thường là trường hợp, nó là quá trình phân rã chi phối, nơi cho năng lượng có thời gian tồn tại của trạng thái kích thích được rút ngắn đáng kể so với khi không có mặt chuyển giao năng lượng Quá trình phát thải-hút lại được mô tả ở trên sẽ không có hiệu lực đối với đời sống của trạng thái kích thích của nơi cho

Yếu tố định hướng K được xác định rõ bởi :

K 2 = (cosα – 3cosβα – 3cosβcosα – 3cosββ 1 cosα – 3cosββ 2 ) 2 (5.10)

Trong đó α là góc giữa hai lưỡng cực chuyển tiếp và β sα – 3cosβ là những góc độ giữa mỗi lưỡng

cực và đường thẳng mà chúng tham gia Các giá trị của K 2 có phạm vi từ 0-4 Để có một

định hướng ngẫu nhiên của quá trình chuyển tiếp lưỡng cực, giá trị trung bình của K 2 là 2/ 3

R0 phụ thuộc vào khả năng của cả nơi cho và nơi nhận năng lượng, do đó, cả hai phải dựa theo lí thuyết để có thể báo giá một giá trị Bảng 5.2 là danh sách các giá trị tiêu biểu của R 0 giữa cholorophyll và bacteriochlorophylls (giả sử K = 1) Kích thích chuyển

về bản chất là một quá trình có khoảng cách dài hơn là chuyển giao điện tử Điều này là

vì bản chất của khớp nối Coulomb lưỡng cực-lưỡng cực có hiệu lực, mà không cần trực tiếp chồng chéo về chức năng của sóng điện tử phân tử như trong chuyển giao điện tử.Trong thực tế, các cấu trúc của các phức ăng ten chắc chắn được điều chỉnh bởi sự tiếnhóa để giảm thiểu các quá trình chuyển giao điện tử ở trạng thái kích thích Điều này được thực hiện bằng cách tách các sắc tố một khoảng cách quá lớn để cho phép chuyển

giao điện tử nhanh chóng, trong khi đồng thời giữ cho chúng đóng đủ để chuyển giao năng lượng hiệu quả và cuối cùng mang nó đến trung tâm phản ứng.

Nếu các sắc tố rất khít với nhau, sau đó là hình ảnh đơn giản được mô tả ở trên xuống Điện tử thay đổi các thời kỳ để có thể đóng góp vào quá trình chuyển giao năng lượng Điều này được cho là trường hợp cho sự dập tắt trạng thái của bộ ba chlorophyll bởi carotenoids, nơi cấm chuyển tiếp có liên quan Trong trường hợp này, số hạng

Coulomb gần bằng không Tuy nhiên, khớp nối trao đổi không được xem là có liên quan đến chức năng của antenna

Sự kết nối kích thích tử:

Khi các sắc tố cùng loại mà chlorophylls thường ít hơn 10Ǻ , sự tương tác giữa chúngđược biểu hiện theo một cách khác, gọi là sự kết nối kích thích tử(van Armerongen et al,2000) Ở đây chúng ta xem xét chỉ là một dimer của sắc tố tương tác, nhưng việc nghiên cứu có thể được mở rộng đến một số lượng lớn các sắc tố tương tác Các quang phổ hấp thụ của các sắc tố được tách ra và thường là một quang phổ vòng tỏa hai sắc được quan sát Những mức năng lượng của một monomer và một dimer tách kích thích tử được thể hiện trong hình 5.9a Độ lớn của sự phân cách và cường độ củahai quá trình chuyển đổi phụ thuộc vào khoảng cách của các sắc tố, cũng như định hướng tương đối của quá trình chuyển đổi lưỡng cực trong một thời gian ngắn, được biểu hiện trong một số ví dụ ở hình 5.9b Sự hấp thụ chia ra từng phần thường rất nhỏđược tiến hành trong quang phổ hấp thụ, nhưng chúng ta có thể quan sát được nó trong hình ảnh vòng tỏa hai sắc (CD) quang phổ, nơi mà bước sóng bị kích thích có dấu hiệu đối nhau, nhưng độ lớn bằng nhau Điều này bắt nguồn từ hình dạng đặc trưng CD của quang phổ với các tính năng âm và dương có thể bằng và đối nhau được gọi là quang phổ bảo thủ

Hình 5.9 (a) Sơ đồ năng lượng của một monomer và một dimer tách kích thích tử (b) Kích thích tử quang phổ của hai sắc tố ở các hướng khác nhau.

Các dimer tách kích thích tử (hoặc oligomer bậc cao) hiệu quả nhất được xem như là một siêu phân tử với quá trình vận chuyển điện tử không giới hạn, chứ không phải là một tập hợp các phân tử cá thể với quá trình chuyển đổi hóa học Các công thức sóng phân tử của siêu phân tử này đã được đưa ra trong công thức 5.11:

sự chuyển đổi dễ dàng giữa hai điểm dường như trái ngược nhau của sắc tố - sự tươngtác sắc tố không? Một nghiên cứu phức tạp hơn cho thấy hai quan điểm thực sự đúng đắn và không tồn tại sự khác biệt cơ bản nào (Knox và Gulen,1993) Tuy nhiên, sự kết nối biểu hiện bằng những cách hơi khác nhau trong cả hai trường hợp Cả việc truyền năng lượng Forster và sự truyền năng lượng của kích thích tử đều rất cần thiết

để giúp ta hiểu về phức hợp Ăng ten trong quang hợp, được minh họa bằng ví dụ cụ thể bên dưới

3-Những mô hình bẫy – sự kết nối của phức hệ Ăng ten tới trung tâm phản ứng:

Một bước quan trọng trong quá trình lưu trữ năng lượng là sự kết nối của trung tâm phản ứng đến Ăng ten (Pearlstein,1996) Một vài mô hình rõ ràng có tính hợp lí Có

phải quang hóa học dập tắt trạng thái kích thích mỗi khi nó được chuyển vào trung tâm phản ứng, hoặc làm cho sự kích thích đi qua trung tâm phản ứng nhiều lần, di chuyển từ ngoài vào trong nhiều lần trước khi quang hóa học kết thúc trạng thái kích thích không? Đầu tiên hai cực này thường được gọi là cái bẫy sâu, lần thứ hai nó được biết đến như là một cái bẫy nông Khả năng thứ ba là cái bẫy đó cũng nông nên ngay cả sau khi quang hóa học dập tắt trạng thái kích thích, sự chuyển điện tử bị đảo ngược giữa nơi nhận và nơi tái tạo trạng thái kích thích của trung tâm phản ứng chlorophyll, và trạng thái kích thích có thể thoát ra trở về hệ thống Ăng ten Hạn chế của một trong ba trường hợp là chỉ áp dụng cho các hệ thống quang học đặc biệt Sự hiểu biết về trung tâm phản ứng và Ăng ten được kết nối với nhau như thế nào đã phải trải qua một thời kì phát triển lâu dài và đặt ra yêu cầu cho việc nghiên cứu cấu trúc, nghiên cứu quang phổ và lí thuyết về động lực Trong một số hệ thống, các quá trình tương đối rõ ràng, trong khi ở những quá trình khác, chúng ta vẫn đang ở một giai đoạn rất sớm trong việc giải mã cách chúng làm việc.

Thời gian tồn tại trạng thái kích thích của hầu hết các màng Ăng ten quang hợp kết nối với trung tâm phản ứng là vào thứ tự của một vài chục đến hàng trăm picoseconds Có thể được so sánh với thời gian tồn tại tới vài nanoseconds của phức

hệ Ăng ten Tuy nhiên, quá trình bẫy bị cô lập Trong những ngày đầu xem xét vấn đềnày, trước đây quang phổ động học và cấu trúc thông tin đã có sẵn, nó thường được giả định rằng các kích thích di chuyển về hướng trung tâm phản ứng bằng việc di chuyển từng bước từ sắc tố này đến sắc tố khác với mỗi bước cách nhau vài

picoseconds Thời gian tồn tại của trạng thái kích thích được xem như là một quá trình hạn chế sự khuếch tán ánh sáng, với sự kích thích di chuyển từng bước đến gần trung tâm phản ứng hơn cho đến những bước cuối cùng Hiện nay, quan điểm này không được dùng để áp dụng cho bất kì hệ thống nào liên quan đến trung tâm phản ứng và lõi, hay nối các Ăng ten, mặc dù nó không áp dụng cho một số Ăng ten ngoại

vi, cũng như phycobilisomes Hình ảnh hiện nay dựa trên sự kích thích di chuyển nhanh chóng từ sắc tố này đến sắc tố khác bên trong hệ thống Ăng ten, với những lần chuyển giao liên sắc tố thường trong khoảng thời gian subpicosecond

Nếu xác suất của sự kích thích năng lượng thoát ra từ cái bẫy này tương đối nhỏ, thì một kích thích cũng trở thành hạn chế trong lõi trung tâm phản ứng sắc tố, nóhầu như luôn duy trì sự ổn định của quang hóa học, hệ thống này được mô tả như mộtcái bẫy sâu Điều này xảy ra khi hằng số tỉ lệ của quang hóa học lớn hơn hằng số tỉ lệ của việc không có bẫy Sự kích thích phát huỳnh quang và đối tượng quan sát thời gian tồn tại trạng thái kích thích phụ thuộc vào sự kích thích bước sóng Nếu sự kích thích vào trong hệ thống Ăng ten, sau đó quá trình chuyển đổi cuối cùng vào lõi trungtâm phản ứng sẽ có ảnh hưởng lớn đến thời gian tồn tại trạng thái kích thích Nếu sự kích thích là vào lõi trung tâm phản ứng của các sắc tố, sau đó quang hóa học nhanh chóng dập tắt các kích thích, và thời gian tồn tại trạng thái kích thích phần lớn phản ánh quá trình này Vi khuẩn quang màu tím cũng được mô tả hợp lí bằng kiểu này, được gọi là động lực hạn chế sự chuyển giao đến bẫy Một ví dụ cụ thể về hành động này được thảo luận bên dưới

Nếu cái bẫy nông, xác suất dập tắt trạng thái kích thích bởi quang hóa học

là thấp hơn nhiều so với xác suất thoát của sự kích thích trở lại vào mạng Ăng ten Điều này xảy ra khi hằng số tỉ lệ thoát ra của sự kích thích trở lại Ăng ten lớn hơn nhiều hằng số tỉ lệ thực chất bên trong của quang hóa học Sự kích thích sau đó

thường làm cho sự vận chuyển đến trung tâm phản ứng trở nên phức tạp, di chuyển từtrong ra ngoài cho đến khi quá trình quang hóa học kết thúc Điều này được biết đến như những động lực giới hạn bẫy Trong trường hợp này, đối tượng quan sát thời giantồn tại trạng thái kích thích phản ánh cả kích thước và cách phân phối quang phổ của

hệ thống Ăng ten và hằng số tỉ lệ thực chất bên trong của quang hóa học khi kích thích bị hạn chế tại trung tâm phản ứng Một hệ thống được mô tả bằng động lực giới hạn bẫy sẽ có một quang phổ kích thích cho quang hóa học hoặc huỳnh quang giống với quang phổ hấp thụ, và thời gian tồn tại trạng thái kích thích không phụ thuộc vào

sự kích thích bước sóng Điều này là do sự kích thích ở một sắc tố bất kì, ngay cả các sắc tố là một phần của chuỗi truyền lõi điện tử, sẽ dẫn đến một xác suất cao của sự không bẫy và sự phục hồi của hệ thống Ăng ten, do đó nó làm giảm sự khác biệt mà các sắc tố ở trạng thái ban đầu Hiện nay bằng chứng cho thấy rằng quang hệ một làmviệc theo cách này (van Grondelle et al.,1994)

Trường hợp cuối cùng của những động lực bẫy xảy ra khi bẫy cực kì nông Ngay sau khi những cái bẫy cuối cùng của quang hóa học kích thích, có một xác suất hợp lí lớn của quá trình này đang bị đảo ngược bởi sự vận chuyển trở lại của electron.Điện tử này trở lại trạng thái kích thích tái tạo các sắc tố cốt lõi của trung tâm phản ứng, và kích thích sau đó không bẫy trở lại vào hệ thống Ăng ten Điều này được gọi

là cặp tính trạng cân bằng về cơ bản Mô hình cặp tính trạng cân bằng về cơ bản là một trường hợp đặc biệt của những động lực giới hạn bẫy mà trong đó quang hóa học

dễ dàng đảo ngược hơn Quang hệ 2 diễn ra tiếp theo hoạt động này (Schatz et

al.,1988;van Grondelle et al.,1994)

4- Cấu trúc và chức năng của phức hợp Ăng ten được chọn:

Chúng ta sẽ thảo luận về một số khía cạnh cấu trúc và chức năng của hệ thống Ăng ten đã được tìm thấy trong một số các sinh vật khác nhau Các hệ thống được chọn tượng trưng cho các loại khác nhau của các phức Ăng ten tìm thấy trong các sinh vật khác, và cuộc thảo luận không được dự định như một sự nghiên cứu toàn diện

5- Vi khuẩn tía LH2 và LH1:

Vi khuẩn quang màu tía có một hệ thống Ăng ten đã được nghiên cứu rộng rãi Tronghầu hết các sinh vật, nó bao gồm hai loại sắc tố-protein gọi là phức hợp nhận ánh sáng 1 và 2,LH1 và LH2 (Cogdell et al.,1999) Khu phức hợp LH1 là một màng trọn vẹn lõi Ăng ten của phức hợp sắc tố - protein được tìm thấy trong phần cố định tới các trung tâm phản ứng và bao xung quanh nó về mặt vật lí Khu phức hợp LH2 là một màng trọn vẹn phức hợp Ăng ten đã được phân loại như là một Ăng ten phụ kiện,trong đó nó được tìm thấy trong một số,nhưng không phải là tất cả các sinh vật Số lượng của LH2 biến thiên, phụ thuộc vào điều kiện phát triển và nó không liên hệ trựctiếp với phức hợp trung tâm phản ứng

Có lẽ tốt nhất phức hợp Ăng ten được hiểu là phức hợp LH2 được tìm thấy trong vi khuẩn quang hợp tía Cấu trúc LH2 đã được xác định bằng X-quang nhiễu xạ(Hình 5.10) (McDermott et al,1995.;Cogdell et al.1999) Nó cũng đã được nghiên cứurộng rãi bằng cách sử dụng một loạt các loại đo quang phổ và nhằm giải thích các hiện tượng (Hu và Schulten,1997; Sundstrom et al.,1999) LH2 được tạo nên từ các đơn vị tối thiểu bao gồm một heterodimer của hai đơn phân protein, được gọi là α và

β peptide, cùng với ba phân tử của bacteriochlorophyll và một phân tử trong

carotenoid Những đơn phân này sau đó tổng hợp thành phức hợp lớn hơn, trong đó