Структура и функция фотосинтетического комплекса I объяснены в деталях

Международная группа исследователей определила структуру и выяснила функцию фотосинтетического комплекса I. Этот мембранный белковый комплекс играет важную роль в динамической перестройке фотосинтеза. Команда из Института биохимии Макса Планка, Университета Осаки и Рурского университета в Бохуме совместно с партнерами сообщила о работе в журнале Science 20 декабря 2018 года.

"Результаты закрывают один из последних крупных пробелов в понимании путей фотосинтетического транспорта электронов", — говорит доцент д-р Марк Новачик, возглавляющий бохумскую проектную группу "Цианобактериальные мембранные белковые комплексы".

Биологические электрические цепи

Комплекс I присутствует у большинства живых организмов. В растительных клетках он используется в двух местах: в митохондриях (клеточных "электростанциях") и в хлоропластах, где происходит фотосинтез. В обоих случаях он является частью цепи переноса электронов, которую можно рассматривать как биологическую электрическую цепь. Они используются для работы молекулярных машин клетки, ответственных за производство и хранение энергии. Структура и функция митохондриального комплекса I в составе клеточного дыхания хорошо изучены, тогда как фотосинтетический комплекс I до сих пор был мало исследован.

Короткое замыкание в фотосинтезе

С помощью криоэлектронной микроскопии исследователи впервые смогли определить молекулярную структуру фотосинтетического комплекса I. Они показали, что он существенно отличается от своего дыхательного аналога. В частности, часть, ответственная за транспорт электронов, имеет другую структуру, поскольку оптимизирована для циклического транспорта электронов в фотосинтезе.

Циклический транспорт электронов представляет собой молекулярное короткое замыкание, при котором электроны возвращаются в цепь фотосинтетического транспорта электронов, а не запасаются. Марк Новачик поясняет: "Молекулярные детали этого процесса были неизвестны, а дополнительные факторы до сих пор не были однозначно идентифицированы". Исследовательская группа смоделировала процесс в пробирке и показала, что белок ферредоксин играет в нём важную роль. Используя спектроскопические методы, учёные также продемонстрировали, что транспорт электронов между ферредоксином и комплексом I является высокоэффективным.

Молекулярная удочка

На следующем этапе группа проанализировала на молекулярном уровне, какие структурные элементы отвечают за эффективное взаимодействие комплекса I и ферредоксина. Дальнейшие спектроскопические измерения показали, что комплекс I имеет особенно гибкую часть в своей структуре, которая захватывает белок ферредоксин, как удочка. Это позволяет ферредоксину достичь оптимального положения для связывания и переноса электрона.

"Это позволило нам связать структуру с функцией фотосинтетического комплекса I и получить детальное представление о молекулярной основе процессов переноса электронов", — подводит итог Марк Новачик. "В будущем мы планируем использовать эти знания для создания искусственных цепей переноса электронов, которые позволят реализовать новые применения в области синтетической биологии".