Новый взгляд на древнюю проблему: эволюция фотохимических реакционных центров

Новые данные свидетельствуют, что уникальные молекулярные «двигатели», обеспечивающие фотосинтез, возникли в истории Земли лишь однажды. Все разнообразные реакционные центры — комплексы белков и пигментов — у растений, водорослей и некоторых бактерий, по-видимому, эволюционировали из единой предковой структуры.

Исследователи сравнили самые современные доступные структуры и разработали гипотезы, объясняющие эволюцию реакционных центров с точки зрения движущих сил естественного отбора. Эти гипотезы описывают потенциальный путь эволюции к тому большому разнообразию фотосинтетических реакционных центров, которое мы наблюдаем сегодня.

Понимание этой эволюции может дать представление о том, как растения с необычайной эффективностью используют солнечную энергию для производства богатых энергией химических веществ. Изучение деталей этой критической части фотосинтеза может помочь раскрыть химические механизмы, которые, в свою очередь, могут подсказать новые стратегии промышленного использования солнечной энергии для производства топлива и других химических веществ.

Все имеющиеся данные подтверждают гипотезу о том, что реакционный центр — пигмент-белковый комплекс, использующий свет для производства необходимых фотосинтезирующим организмам химических веществ, — возник единожды в истории Земли более 3 миллиардов лет назад. Базовая архитектура того первого реакционного центра эволюционировала в огромное разнообразие центров.

Исследовательская группа сравнила детальную кристаллическую структуру и функцию примитивного реакционного центра (считающегося близким родственником предкового) со всеми известными типами реакционных центров, для которых доступны аналогичные структурные данные. Сравнения позволили им сформулировать гипотезы о структурных и функциональных аспектах общих предков всех реакционных центров.

В предложенном эволюционном сценарии предковый реакционный центр состоял из двух идентичных белков и слабо связывал два подвижных хинона, способных принимать электроны. Этот предковый центр был неэффективен в передаче электронов хинонам.

Известные сегодня два типа реакционных центров эволюционировали, чтобы решить эту проблему неэффективности:

• Центры I типа, которые сейчас поддерживают метаболизм, перенося электроны на растворимые белки, добавили железо-серный кластер.
• Центры II типа изменили структуру своего ядра, чтобы зафиксировать хинон таким образом, который позволил более эффективно переносить электроны.

Поздние изменения в центрах I типа были вызваны необходимостью адаптации к растущему уровню кислорода в атмосфере. В сопутствующем исследовании команда обнаружила, что реакционные центры гелиобактерий предпочтительно отдают электроны разным акцепторам в зависимости от количества доступного света. Эти исследования показывают, как могли изменяться реакционные центры, и дают представление о наблюдаемом сегодня их разнообразии.