Так вот в кинетическом смысле это замедление электрона до времён респектабельных, почтённых, до миллисекунды, чтобы можно было нормально использовать этот электрон. И секрет фотосинтеза вот здесь находится. И в основном это есть белковая машина. Машина по переработке энергии электронного возбуждения. Из светособирающей матрицы доставлена энергия и далее идёт переработка её в энергию разделённых зарядов. Здесь две проблемы – отрыв электрона и как этот электрон переносится на большие расстояния. Ведь толщина мембраны, примерно, 50-100 эмгстрем. И он переносится за очень короткие времена. Вот на следующем рисунке мы сейчас заглянем внутрь этого электронного центра.
Вот, посмотрите, белок. Семь альфа-спиральных столбов. Внутри эти переносчики, черненьким обозначены. А вот как бежит электрон от одного переносчика к другому, идёт перенос электрона. Достаточно большие этапы. А бежит он очень быстро. Вопрос – как это происходит, за счёт чего он происходит быстро. Обычно в химии растворов как решается вопрос? Ударения молекул, преодоление барьера, перенос электронов, и очистительные, восстановительные реакции. Здесь все переносчики погружены в белок. Они не бегают, никакой энергии активации в обычном смысле слова нет. Поэтому начальные этапы происходят быстро, и нужно понять механизм за счёт чего это происходит.
И это был принципиальный этап в понимании механизма. Оказалось, что эти процессы очень быстрые. Причём, происходит не просто какая-то диссипация энергии, а идут направленные какие-то изменения, микроконформационные. И дальше было показано, что идёт так называемый туннельный перенос электрона при низких температурах. Экспериментально оказалось, что этот перенос электрона идёт здесь при температурах минус сто градусов Цельсия. При температурах жидкого азота, даже жидкого гелия. Что принципиально? Что идёт он, в общем, с эффективностями принципиально сравнимыми с таковыми, которые наблюдаются при комнатных температурах. И, причём, ещё раз говорю, это не какая-то экзотика, которая идёт только при азотных температурах. Этот барьерный туннельный перенос происходит при всех температурах. При комнатных температурах в организованных системах он идёт даже с большей эффективностью, чем надбарьерный перенос в конденсированных системах.
А.Г. Это же квантовый эффект?
А.Р. Да. Совершенно верно. Это туннельный эффект физики, физика очень хорошо знает туннельный эффект. И здесь он происходит. Причём, идея в чём. Вот происходит туннелирование электронов из начального состояния в другое, а дальше он же может назад вернуться. А эффективность фотосинтеза начальных этапов – сто процентов. Практически сто процентов, для того, чтобы он не вернулся. За время пребывания в конечном состоянии часть энергии теряется. И за время десять в минус двенадцатой секунды он поэтому не успевает вернуться назад. И бежит дальше, ему легче в этом смысле идти дальше, чем вернуться назад. Но принципиальным является следующее. Когда приходит электрон, он не только фиксируется. Это же большая глобула, я вам показывал большой белок. Она вся претерпевает изменения вслед за приходом электрона. Вот здесь показано это схематически. Вот донор, вот аксептер. Вот у них конформация. Вот произошло туннелирование электрона. И после этого конформация начинает меняться. У донора она опять возвращается в исходное положение, чтобы принять откуда-то электрон. А у аксептера, взявшего электрон, она опять меняется, чтобы передать его дальше. Это экспериментально можно проверить. Можно поймать. Но я пока скажу, как можно себе представить аналогию. Вот, представьте себе, в цирке два акробата прыгают с одной трапеции на другую. Трапеция – это белок информационного изменения, спонтанный. А акробаты, значит, электронные. И когда эти трапеции в результате, в данном случае, свободной воли его помощника, приближаются на короткое расстояние, так, чтобы барьер для туннирования был небольшой, происходит туннирование. Акробат прыгает, хватается. Он хватается, фиксируя себя, теряя часть энергии в трении. Это потеря части энергии электрона по колебательной.
А у акробатов – трение. Проверка жестокая, намажьте лапти подсолнечным маслом, вы увидите, что получится. Но после того как он себя зафиксировал, что дальше? Характер движения трапеции меняется. Он начинает себя раскачивать. А здесь что получается? Здесь его свободная воля, так сказать, он хочет. Ему ещё тут помогают. А в туннелировании ему так устроена конформация, что новое равновесное состояние получается в осмысленной конфигурации, что достигается для облегчения дальнейшего переноса электрона. И экспериментально это можно поймать. Вот, следующий рисунок показывает, как это можно сделать. Вы запускаете систему и можете её замораживать. Можно сделать так. Вначале заморозить в темноте, а потом запустить электрон и посмотреть, как он будет там в ней гулять туда-сюда. А можно сделать по-другому. Можно начать освещать систему, она будет оживлена уже, и по дороге её замораживать. И тогда вы в зависимости от скорости замораживания, понижения температуры, от интенсивности света, то есть от числа ударов, можете поймать разные состояния. И получите, что при одной и той же конечной температуре она у вас будет в разном состоянии и в разной конформации. И это экспериментально наблюдается действительно.
Кинетически можно показать, какая будет разная кинетика. Вот здесь экспериментальные данные. Я не хочу подробно аргументировать всё это дело. Тут разная кинетика будет, но были сделаны опыты, которые показали, что действительно, структура взаимного расположения переносчиков… Опять не вдаюсь в подробности, если будет интересно, могу сказать. Мне кажется, важен смысл. На следующем рисунке я могу показать это схематически. Человечки имитируют перенос электрона. Вы их заморозили в темноте в таком положении, и они кидают электроны туда-сюда с такого положения. А теперь вы начинаете освещать и одновременно замораживать. И в зависимости от скорости освещения они взяли электрон и бегут с ним, а вы их ловите в разных местах. И вот тут-то они начинают уже играть по-другому, поскольку они попали в разные места, застыли в разных местах на пути своего естественного движения. Как биофизики у нас говорят, это принцип электронно-конформационных взаимодействий. И он не является чем-то специфическим для фотосинтеза. Вот на следующем рисунке, гемоглобин. Известно, он переносит кислород в крови. Как он работает?
У него есть четыре большие субъединицы и один атом железа, скажем, который получается так. Вы присоединяете кислород к атому железа. Атом железа вдвигается в ароматическую периферийную плоскость. Но что получается дальше? Это даёт начало каскаду конформационных изменений, в результате которых каждая последующая субъединица аксигинируется с энергией активации, меньшей чем предыдущая. Корпоративное такое изменение. Что это такое, в чём принцип, почему это движущая сила?
Когда вы присоединили кислород, железо даже не поменяло эквивалентность. Но это новое электронное состояние, которое требует новой конформации. И это просто сила физического принципа поиска минимума энергии, система спонтанна, никто её не толкает. Она спонтанно ищет новый минимум энергии и находит его на пути последовательной аксигинации субъединиц. Вот, кстати, один из принципов машинного поведения. Это использование физического принципа. Здесь нет новых физических принципов. Система их использует. Иногда видоизменяет до полной неузнаваемости. То есть, они остаются. Нарушения законов физики нет, это понятно. Но они используются. Секрет состоит не в принципах, а в том, как они используются.
Кто их придумал – понятно. Либо Бог, либо природа, что в данном случае одно и то же. И наша задача – понять, что там внутри происходит. Но гемоглобин – это классический пример такого машинного поведения, который давным-давно известен. И то, что я рассказал, является одним из хороших примеров, который иллюстрирует принцип электронно-конформационных взаимодействий, как основы функционирования макромолекулы. И сейчас дальнейшая задача – расшифровать всё это дело. Я могу упомянуть многие другие, казалось бы, далёкие от фотосинтеза, молекулярные машины. Например, бактерию радопсина, это фермент зрительный. Атефаза. Это всё вещи, казалось бы, разные. Каналы, которые в мембранах пропускают йоны. Это всё одни и те же идеи. Идеи, которые связаны с тем, что идёт изменение электронного состояния. Толчок, меняется равновесие конформационное. Оно дальше начинает изменяться спонтанно, в поисках своего минимума. Это физический принцип. А это всё имеет осмысленный характер, но на молекулярном уровне. Я бы даже не стал кавычки перед словом «осмысленный» здесь ставить.
