Малый белок переносит электроны между двумя фотосистемами в фотосинтезе растений

Кислородный фотосинтез сделал возможной эволюцию сложных многоклеточных форм жизни на Земле. Используя солнечную энергию для превращения CO₂ в сахара и генерируя молекулярный кислород из воды, фотосинтез обеспечивает основу для жизни растений и животных. Эти два процесса осуществляются различными, но функционально связанными комплексами — фотосистемами I и II (PSI и PSII). У цианобактерий, водорослей и растений эти фотосистемы, использующие хлорофилловые пигменты для захвата световой энергии, встроены в специализированные липидные мембраны — тилакоиды. При этом тилакоиды, содержащие PSI и PSII, различаются по организации, что позволяет двум системам эффективно преобразовывать свет разной длины волны в химическую энергию.

Функциональную связь между двумя реакционными комплексами обеспечивают растворимые белки, служащие переносчиками электронов. Биологи под руководством профессора Дарио Лейстера (Кафедра молекулярной биологии растений) в Биоцентре LMU совместно с международными коллегами детально изучили роль одного из таких белков — пластоцианина, небольшого медьсодержащего белка. Результаты, опубликованные в журнале PNAS, показывают, что эффективность переноса электронов критически зависит от архитектуры мембранных систем. «Функция определяет архитектуру», — говорит Лейстер.

Это замечание относится к различиям в конфигурации тилакоидных мембран, где протекают «световые реакции» фотосинтеза. Фотосистема II находится в структурах из мембранных мешочков, уложенных стопками, напоминающих высотные здания. Эти стопки соединены не уложенными в стопки тилакоидами, которые можно сравнить с закрытыми переходами между башнями. Фотосистема I расположена только в этих «переходах». Для переноса электронов от PSII к PSI нужны курьеры — мобильные белки-переносчики электронов. У зелёных растений их два: пластохинон и пластоцианин. Новое исследование показывает, что пластоцианин — более важный из них. Кроме того, эксперименты демонстрируют, что транспортная система с участием пластоцианина наиболее эффективна, когда стопки тилакоидов («башни») не слишком высоки и не слишком широки. «Иначе скорость доставки курьера снижается», — отмечает Лейстер.

Таким образом, производительность курьера зависит от архитектуры тилакоидов. И «башни», и «переходы» между ними переполнены. Не только мембранные структуры, но и водная фаза вокруг них плотно упакована белками и малыми молекулами. «А это значительно снижает мобильность курьеров», — подчёркивает Лейстер.

Предыдущие работы его группы показали, что архитектура тилакоидов оказывает решающее влияние на эффективность фотосинтеза при колеблющейся интенсивности света. «При низком уровне света тилакоидные мембраны должны быть уложены в стопки, чтобы поддерживать эффективность фотосинтеза, и только наземные растения могут выполнять этот трюк. Более того, чтобы облегчить работу курьеров, ширина отдельных "башен" должна быть ограничена. Эти архитектурные спецификации соблюдаются практически у всех растений», — объясняет учёный.

Тем не менее, по мнению Лейстера, ещё есть возможности для оптимизации системы пластоцианина. Основная слабость — относительно короткий радиус действия курьера. «Существуют другие теоретические решения, которые эволюция ещё не исследовала, и они не обязательно должны быть менее эффективными, чем те, что нашёл естественный отбор. Мы планируем проверить эти возможности в рамках нашего подхода синтетической биологии к улучшению сельскохозяйственных растений», — заключает исследователь.