Фотосинтез: последнее звено в цепи

Исследователи из Университета Людвига-Максимилиана (LMU) в Мюнхене идентифицировали фермент, регулирующий транспорт электронов при фотосинтезе, поиски которого велись почти 30 лет.

Фотосинтез обеспечивает жизнь на Земле, производя богатые энергией соединения и молекулярный кислород. Процесс запускается солнечным светом, который улавливают фотосистемы (PSI и PSII) — «биохимические солнечные элементы» в растениях, водорослях и некоторых бактериях. Энергия света поднимает электроны на более высокий энергетический уровень, и они передаются по цепи акцепторов. Высвобождаемая энергия используется для синтеза АТФ — универсальной «энергетической валюты» клетки.

Транспорт электронов может идти разными путями:

• Линейный транспорт требует участия PSI и PSII и приводит к образованию NADPH.
• Циклический транспорт (по двум возможным путям) задействует только PSI и используется исключительно для производства АТФ. Электроны по основному пути передаются через акцептор пластохинон на комплекс цитохрома b6f и возвращаются к PSI, замыкая цикл.

«Личность переносчика, который отдаёт электроны пластохинону и делает возможным циклический транспорт, долгое время была предметом споров», — говорит профессор биологии LMU Дарио Лейстер.

Перекрёсток, замыкающий цепь

Растения могут переключаться между линейным и циклическим транспортом, чтобы поддерживать баланс между АТФ и NADPH, необходимыми для синтеза сахаров из CO₂. Это подразумевает регуляцию распределения электронов между фотосистемами. Электронный переносчик ферредоксин, получающий электроны непосредственно от PSI, выступает в роли такого перекрёстка.

«Более 30 лет назад было высказано предположение, что должен существовать фермент ferredoxin-plastoquinone reductase (FQR), который обеспечивает возврат электронов в цепь транспорта и позволяет осуществлять циклический транспорт, — объясняет Лейстер. — Но, несмотря на интенсивные поиски, такой фермент не был найден».

В 2008 году команда Лейстера обнаружила белок PGRL1, способный взаимодействовать с PSI и другими факторами, участвующими в циклическом транспорте. В новом исследовании им удалось охарактеризовать точную биохимическую функцию PGRL1. Оказалось, что этот белок и есть давно разыскиваемый FQR, играющий центральную роль в регуляции циклического потока электронов.

«В долгосрочной перспективе это открытие может помочь нам улучшить эффективность фотосинтеза путём замены или модификации конкретных компонентов цепи транспорта электронов», — отмечает Лейстер.

Ключевые регуляторы, такие как PGRL1, потенциально можно целенаправленно настраивать для повышения эффективности фотосинтеза и, следовательно, урожайности сельскохозяйственных культур, выращиваемых в контролируемых условиях. Полное понимание структуры и регуляции фотосистем также является предпосылкой для разработки методов оптимизации фотосинтеза для различных приложений — например, повышения урожайности, создания новых типов солнечных элементов или получения молекулярного водорода в качестве экологически чистого источника энергии.