Разгадана тайна избирательности ветвей в фотосинтезе
Исследователи из Индийского института науки (IISc) и Калифорнийского технологического института (Caltech) решили давнюю загадку, связанную с первыми шагами фотосинтеза — фундаментального процесса, при котором растения, водоросли и некоторые бактерии улавливают энергию солнечного света для производства кислорода и химической энергии.
Команда показала, почему начальные движения электронов, критически важные для переноса энергии, происходят только по одной из двух идентичных ветвей ключевого белково-пигментного комплекса. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
В большинстве организмов комплекс Photosystem II (PSII) запускает фотосинтез, улавливая энергию света и расщепляя воду. PSII содержит две симметричные белковые ветви, D1 и D2, вокруг которых расположены четыре молекулы хлорофилла и два феофитина. Эти ветви также связаны с молекулами-переносчиками электронов — пластохинонами. Электроны движутся от хлорофилла к феофитину, а затем от феофитина к пластохинону.
Однако десятилетиями было известно, что электроны текут только по ветви D1. "Несмотря на структурную симметрию между белковыми ветвями D1 и D2 в PSII, функционально активна только ветвь D1", — говорит Адитья Кумар Мандал, первый автор исследования.
В этой работе учёные использовали комбинацию:
- Молекулярно-динамического моделирования
- Квантово-механических расчётов
- Теории Маркуса (Нобелевская теория переноса электронов)
Они картировали энергетический ландшафт для движения электронов по обеим ветвям. Оказалось, что ветвь D2 имеет гораздо более высокий энергетический барьер, что делает перенос электронов энергетически невыгодным. В частности, перенос электронов от феофитина к пластохинону в D2 требует вдвое большей энергии активации, чем в D1.
Моделирование вольт-амперных характеристик показало, что сопротивление движению электронов в D2 на два порядка выше, чем в D1.
Асимметрия потока электронов также может объясняться тонкими различиями в белковом окружении PSII. Например, пигмент хлорофилл в D1 имеет возбуждённое состояние при более низкой энергии, чем его аналог в D2, что даёт ему больше шансов привлекать и передавать электроны.
Исследователи предполагают, что модификация некоторых компонентов может перенаправить поток электронов. Например, замена хлорофилла и феофитина в D2 могла бы преодолеть блокировку, так как хлорофиллу требуется меньшая энергия активации.
"Наше исследование представляет собой значительный шаг вперёд в понимании естественного фотосинтеза", — говорит Прабал К. Майти, профессор и один из авторов. Эти результаты могут помочь в создании эффективных искусственных фотосинтетических систем для преобразования солнечной энергии в химическое топливо.