مركز التفاعل الضوئي

يُعد مركز التفاعل الضوئي البكتيري نموذجًا هامًا لفهم بنية وكيمياء العملية البيولوجية لالتقاط الطاقة الضوئية. في ستينيات القرن الماضي، كان رودريك كلايتون أول من قام بتنقية مُركّب مركز التفاعل من البكتيريا الأرجوانية. مع ذلك، تم تحديد أول بنية بلورية (الصورة العلوية على اليمين) في عام 1984 على يد هارتموت ميشيل ، ويوهان دايزن هوفر، وروبرت هوبر ^{[ 4 ]} ، وهو الاكتشاف الذي نالوا عنه جائزة نوبل في عام 1988. ^{[ 5 ]} وكان هذا الاكتشاف ذا أهمية بالغة لكونه أول بنية بلورية ثلاثية الأبعاد لأي مُركّب بروتيني غشائي.

وُجد أن أربع وحدات فرعية مختلفة مهمة لوظيفة مركز التفاعل الضوئي. تمتد الوحدتان الفرعيتان L وM ، الموضحتان باللونين الأزرق والبنفسجي في صورة التركيب، عبر الطبقة الدهنية المزدوجة للغشاء البلازمي. وهما متشابهتان بنيويًا، إذ تحتوي كل منهما على 5 حلزونات ألفا عابرة للغشاء . ^{[ 6 ]} ترتبط بالوحدتين الفرعيتين L وM أربع جزيئات من البكتيريوكلوروفيل ب (BChl-b)، وجزيئان من البكتيريوفيوفيتين ب (BPh)، وجزيئان من الكينون (QA _و QB ₎ ، وأيون حديدوز. تقع الوحدة الفرعية H، الموضحة باللون الذهبي، على الجانب السيتوبلازمي للغشاء البلازمي. تحتوي وحدة السيتوكروم الفرعية، غير الموضحة هنا، على أربعة هيمات من النوع c وتقع على السطح المحيط بالبلازما (الخارجي) للغشاء. لا تُعد هذه الوحدة الفرعية الأخيرة نمطًا بنيويًا عامًا في البكتيريا الضوئية. ترتبط الوحدات الفرعية L و M بالعوامل المساعدة الوظيفية والمتفاعلة مع الضوء، كما هو موضح هنا باللون الأخضر.

قد تحتوي مراكز التفاعل في أنواع بكتيرية مختلفة على كروموفورات بكتيريوكلوروفيل وبكتريوفايوفيتين معدلة قليلاً كعوامل مساعدة وظيفية. تُسبب هذه التعديلات تغيرات في لون الضوء الذي يمكن امتصاصه. يحتوي مركز التفاعل على صبغتين تعملان على جمع ونقل الطاقة الناتجة عن امتصاص الفوتونات: BChl وBph. يُشبه BChl جزيء الكلوروفيل الموجود في النباتات الخضراء تقريبًا، ولكن نظرًا لاختلافات هيكلية طفيفة، ينزاح طول موجة امتصاصه القصوى نحو الأشعة تحت الحمراء ، بأطوال موجية تصل إلى 1000  نانومتر. يمتلك Bph نفس بنية BChl، ولكن أيون المغنيسيوم المركزي فيه مُستبدل ببروتونين. يُسبب هذا التغيير انزياحًا في ذروة الامتصاص وانخفاضًا في جهد الأكسدة والاختزال.

تبدأ العملية عندما يمتص جزيئان من الكلوروفيل البكتيري (BChl) الضوء، ويقعان بالقرب من الجانب المحيط بالبلازما للغشاء. يمتص هذا الزوج من جزيئات الكلوروفيل، والذي يُطلق عليه غالبًا "الزوج الخاص"، الفوتونات عند 870  نانومتر أو 960  نانومتر، اعتمادًا على نوع البكتيريا، ولذلك يُسمى P870 (لبكتيريا Rhodobacter sphaeroides ) أو P960 (لبكتيريا Blastochloris viridis )، حيث يرمز P إلى "الصبغة". بمجرد أن يمتص P فوتونًا، فإنه يُطلق إلكترونًا ينتقل عبر جزيء آخر من Bchl إلى BPh في الوحدة الفرعية L. ينتج عن هذا الفصل الأولي للشحنة شحنة موجبة على P وشحنة سالبة على BPh. تستغرق هذه العملية 10 بيكو ثانية (10⁻¹¹ ^ثانية ). ^{[ 1 ]}

قد تخضع الشحنات على P ⁺ وBPh− لإعادة اتحاد الشحنات في هذه الحالة، مما يؤدي ^إلى تبديد الطاقة وتحويلها إلى حرارة . وتساهم عدة عوامل في بنية مركز التفاعل في منع ذلك. أولًا، يُعد انتقال الإلكترون من BPh− ^إلى P960 ⁺ بطيئًا نسبيًا مقارنةً بتفاعلي الأكسدة والاختزال الآخرين في مركز التفاعل. تتضمن التفاعلات الأسرع انتقال الإلكترون من BPh− ⁽ حيث يتأكسد BPh− ^إلى BPh) إلى الكينون مستقبل الإلكترون (QA ₎ ، وانتقال الإلكترون إلى P960 ⁺ (حيث يُختزل P960 ⁺ إلى P960) من الهيم في وحدة السيتوكروم الفرعية الموجودة فوق مركز التفاعل.

ينتقل الإلكترون عالي الطاقة الموجود على جزيء الكينون QA المرتبط بإحكام _{إلى جزيء كينون قابل للتبادل QB} . يرتبط هذا الجزيء بالبروتين ارتباطًا ضعيفًا، ويسهل فصله. يتطلب اختزال QB بالكامل إلى QH₂ إلكترونين _، مع _امتصاص بروتونين من السيتوبلازم في هذه العملية. ينتشر الكينون المختزل QH₂ _عبر الغشاء إلى مُركّب بروتيني آخر ( مُركّب السيتوكروم bc₁ ₎ حيث يتأكسد. خلال هذه العملية، تُستخدم قدرة QH₂ على الاختزال لضخ البروتونات عبر الغشاء إلى الحيز المحيط بالبلازما. ثم تُنقل الإلكترونات من مُركّب السيتوكروم bc₁ _{عبر وسيط} سيتوكروم c قابل للذوبان، يُسمى السيتوكروم c₂ _، في الحيز المحيط بالبلازما إلى وحدة السيتوكروم الفرعية.

في عام ١٧٧٢، أجرى الكيميائي جوزيف بريستلي سلسلة من التجارب المتعلقة بالغازات المشاركة في التنفس والاحتراق. في تجربته الأولى، أشعل شمعة ووضعها تحت مرطبان مقلوب. بعد فترة وجيزة، انطفأت الشمعة. أجرى تجربة مماثلة على فأر في حيز الشمعة المشتعلة. وجد أن الفأر مات بعد فترة وجيزة من انطفاء الشمعة. مع ذلك، تمكن من إنعاش الهواء الملوث بوضع نباتات خضراء في المكان وتعريضها للضوء. كانت ملاحظات بريستلي من أوائل التجارب التي أثبتت نشاط مركز التفاعل الضوئي.

في عام ١٧٧٩، أجرى يان إنجنهاوس أكثر من ٥٠٠ تجربة على مدى أربعة أشهر في محاولة لفهم ما يحدث بالفعل. دوّن اكتشافاته في كتاب بعنوان "تجارب على الخضراوات" . أخذ إنجنهاوس نباتات خضراء وغمرها في الماء داخل خزان شفاف. لاحظ تصاعد فقاعات عديدة من سطح الأوراق كلما تعرضت النباتات للضوء. جمع إنجنهاوس الغاز المنبعث من النباتات وأجرى عدة اختبارات مختلفة في محاولة لتحديد ماهيته. كان الاختبار الذي كشف في النهاية عن هوية الغاز هو وضع شمعة مشتعلة ببطء في عينة الغاز وإعادة إشعالها. أثبت هذا الاختبار أنه أكسجين، أو كما سماه جوزيف بريستلي "هواء منزوع الفلوجستون ".

في عام ١٩٣٢، استخدم روبرت إيمرسون وطالبه ويليام أ. أرنولد تقنية الوميض المتكرر لقياس كميات ضئيلة من الأكسجين المنبعث من الكلوروفيل في طحالب الكلوريلا بدقة . أثبتت تجربتهما وجود وحدة التمثيل الضوئي. لاحقًا، فسّر غافرون ووهل التجربة وأدركا أن الضوء الذي تمتصه وحدة التمثيل الضوئي ينتقل. ^{[ ٧ ]} يحدث هذا التفاعل في مركز تفاعل النظام الضوئي الثاني، ويحدث في البكتيريا الزرقاء والطحالب والنباتات الخضراء. ^{[ ٨ ]}

النظام الضوئي الثاني هو النظام الضوئي المسؤول عن توليد الإلكترونين اللذين يقومان (بعد مرورهما عبر النظام الضوئي الأول) باختزال NADP ⁺ في إنزيم فيريدوكسين-NADP-ريدوكتاز. يتواجد النظام الضوئي الثاني على أغشية الثايلاكويد داخل البلاستيدات الخضراء، وهي موقع عملية التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء. ^{[ 9 ]} يتشابه تركيب النظام الضوئي الثاني بشكل ملحوظ مع مركز التفاعل البكتيري، ويُفترض أنهما يشتركان في سلف مشترك.

يتكون لبّ النظام الضوئي الثاني من وحدتين فرعيتين تُعرفان بـ D1 و D2 . تشبه هاتان الوحدتان الفرعيتان الوحدتين L و M الموجودتين في مركز التفاعل البكتيري. يختلف النظام الضوئي الثاني عن مركز التفاعل البكتيري في احتوائه على العديد من الوحدات الفرعية الإضافية التي ترتبط بجزيئات الكلوروفيل الإضافية لزيادة الكفاءة. التفاعل الكلي الذي يحفزه النظام الضوئي الثاني هو:

2Q + 2H ₂ O + hν → O ₂ + 2QH ₂

يمثل Q الشكل المؤكسد للبلاستوكينون، بينما يمثل QH₂ _شكله المختزل. تُشابه عملية اختزال الكينون هذه تلك التي تحدث في مركز التفاعل البكتيري. يحصل النظام الضوئي الثاني على الإلكترونات عن طريق أكسدة الماء في عملية تُسمى التحلل الضوئي . يُعد الأكسجين الجزيئي ناتجًا ثانويًا لهذه العملية، وهو التفاعل الذي يُزود الغلاف الجوي بالأكسجين. استنتج عالم الكيمياء الحيوية الأمريكي من أصل كندي، مارتن ديفيد كامين ، لأول مرة أن الأكسجين الموجود في النباتات الخضراء مصدره الماء. استخدم كامين نظيرًا مستقرًا للأكسجين، ^{وهو ¹⁸O} ، لتتبع مسار الأكسجين من الماء إلى الأكسجين الجزيئي الغازي. يُحفز هذا التفاعل بواسطة مركز تفاعلي في النظام الضوئي الثاني يحتوي على أربعة أيونات منغنيز .

يبدأ التفاعل بإثارة زوج من جزيئات الكلوروفيل، على غرار تلك الموجودة في مركز التفاعل البكتيري. وبسبب وجود الكلوروفيل أ ، بدلاً من البكتيريوكلوروفيل ، يمتص النظام الضوئي الثاني الضوء عند طول موجي أقصر. يُشار إلى زوج جزيئات الكلوروفيل في مركز التفاعل عادةً بالرمز P680 . ^{[ 1 ]} عند امتصاص الفوتون، ينتقل الإلكترون الناتج عالي الطاقة إلى جزيء فيوفيتين مجاور. يقع هذا الجزيء أعلى ويمين الزوج في الرسم التخطيطي، وهو مُلوّن باللون الرمادي. ينتقل الإلكترون من جزيء الفيوفيتين عبر جزيئين من البلاستوكينون، الأول مرتبط بإحكام، والثاني مرتبط بشكل ضعيف. يظهر الجزيء المرتبط بإحكام أعلى جزيء الفيوفيتين، وهو مُلوّن باللون الأحمر. أما الجزيء المرتبط بشكل ضعيف فيقع إلى يساره، وهو مُلوّن أيضًا باللون الأحمر. يُشابه تدفق الإلكترونات هذا تدفقها في مركز التفاعل البكتيري. يلزم إلكترونان لاختزال جزيء البلاستوكينون المرتبط بشكل ضعيف إلى QH ₂ بالإضافة إلى امتصاص بروتونين.

يكمن الفرق بين النظام الضوئي الثاني ومركز التفاعل البكتيري في مصدر الإلكترون الذي يُعادل زوج جزيئات الكلوروفيل أ . ففي مركز التفاعل البكتيري، يُستمد الإلكترون من مجموعة الهيم المختزلة في وحدة فرعية من السيتوكروم، أو من بروتين السيتوكروم ج القابل للذوبان في الماء.

في كل مرة يمتص فيها جزيء P680 فوتونًا، يُطلق إلكترونًا إلى الفيوفيتين، مكتسبًا شحنة موجبة. بعد هذا الفصل الضوئي للشحنات ، يصبح P680 ⁺ مؤكسدًا قويًا جدًا ذو طاقة عالية. ينقل طاقته إلى جزيئات الماء المرتبطة بمركز المنجنيز أسفل الزوج مباشرةً، ويستخلص منها إلكترونًا. يحتوي هذا المركز، أسفل الزوج وإلى يساره في الرسم التوضيحي، على أربعة أيونات منجنيز، وأيون كالسيوم ، وأيون كلوريد ، وبقايا تيروسين . يتميز المنجنيز بقدرته على التفاعل بكفاءة عالية نظرًا لقدرته على التواجد في أربع حالات أكسدة: Mn²⁺ ^، Mn³⁺ ^، Mn⁴⁺ ^، وMn⁵⁺ ^. كما يُكوّن المنجنيز روابط قوية مع الجزيئات المحتوية على الأكسجين، مثل الماء. تتطلب عملية أكسدة جزيئين من الماء لتكوين جزيء أكسجين أربعة إلكترونات. تُعد جزيئات الماء التي تتأكسد في مركز المنغنيز مصدر الإلكترونات التي تختزل جزيئي Q إلى QH₂ _. وحتى الآن، لم يتمكن أي محفز صناعي من إعادة إنتاج هذا المركز التحفيزي لتحليل الماء .

بعد مغادرة الإلكترون للنظام الضوئي الثاني، ينتقل إلى معقد السيتوكروم b6f ، ثم إلى البلاستوسيانين ، وهو بروتين نحاسي أزرق اللون وناقل للإلكترونات. يحمل معقد البلاستوسيانين الإلكترون الذي سيعادل الزوج في مركز التفاعل التالي، النظام الضوئي الأول .

كما هو الحال في النظام الضوئي الثاني ومركز التفاعل البكتيري، يبدأ زوج من جزيئات الكلوروفيل أ عملية فصل الشحنات الضوئية. يُشار إلى هذا الزوج بـ P700 ، حيث يشير الرقم 700 إلى الطول الموجي الذي تمتص عنده جزيئات الكلوروفيل الضوء بأقصى قدر. يقع P700 في مركز البروتين. بمجرد بدء فصل الشحنات الضوئي، ينتقل الإلكترون عبر مسار يمر بجزيء كلوروفيل ألفا يقع مباشرة فوق P700، ثم عبر جزيء كينون يقع مباشرة فوقه، ثم عبر ثلاث مجموعات من 4Fe-4S، وأخيرًا إلى مُركّب فيريدوكسين قابل للتبادل. ^{[ 10 ]} الفيريدوكسين هو بروتين قابل للذوبان يحتوي على مجموعة من 2Fe-2S مُرتبطة بأربعة بقايا سيستين. يتم معادلة الشحنة الموجبة على جزيء P700 ⁺ عالي الطاقة عن طريق نقل إلكترون من البلاستوسيانين ، الذي يتلقى الطاقة التي تُستخدم في النهاية لتحويل QH2 _مرة أخرى إلى Q. وبالتالي فإن التفاعل الكلي الذي يحفزه النظام الضوئي الأول هو:

Pc(Cu ⁺ ) + Fd [ox] + hν → Pc(Cu ²⁺ ) + Fd [أحمر]

يُؤدي التعاون بين النظامين الضوئيين الأول والثاني إلى تدفق الإلكترونات والبروتونات من الماء (H₂O ₎ إلى NADP⁺ ^، مما يُنتج NADPH اللازم لتخليق الجلوكوز. يُطلق على هذا المسار اسم " مخطط Z " لأن مخطط الأكسدة والاختزال من الماء _إلى NADP⁺ ^عبر P680 وP700 يُشبه الحرف Z. ^{[ 11 ]}