Новый взгляд на раннюю эволюцию фотосинтеза
Учёные из Школы молекулярных наук Университета штата Аризона предложили новую гипотезу эволюционной истории фотохимических реакционных центров (РЦ). Их анализ, опубликованный в Photosynthesis Research, описывает возможный путь, по которому древние организмы развили разнообразие фотосинтетических РЦ, наблюдаемое сегодня у бактерий, водорослей и растений.
Фотосинтез — это процесс преобразования энергии света в химическую энергию. Молекулярными машинами, осуществляющими это преобразование во всех фотосинтезирующих организмах, являются фотохимические реакционные центры — белки, содержащие хлорофилл и расположенные в клеточной мембране.
Сегодня существуют два типа РЦ:
- Тип I — передаёт электроны растворимым белкам.
- Тип II — передаёт электроны мембраносвязанным молекулам (хинонам).
Данные лаборатории профессора Кевина Реддинга свидетельствуют, что РЦ гелиобактерий может выполнять обе эти функции, являясь функциональным гибридом двух типов. Этот РЦ считается одним из самых простых и является гомодимерным (его сердцевина состоит из двух одинаковых белков), в отличие от гетеродимерных РЦ растений.
Считается, что РЦ возникли на Земле лишь однажды, и все современные центры — дальние родственники этого общего предка. Команда полагает, что предковый реакционный центр (ПРЦ) был проще современных: гомодимерным и взаимодействовал с мембранными молекулами, как современные РЦ II типа.
Восстановить эволюционные шаги, занявшие более 3 миллиардов лет, сложно. Обычно для этого сравнивают аминокислотные последовательности белков. Однако в данном исследовании команда предостерегает от чрезмерного доверия этому методу для РЦ из-за огромного количества различий и временной дистанции.
Вместо этого учёные сравнили позиции структурных элементов белков и хлорофиллов внутри РЦ, сделав акцент на их структуре и функции.
Эволюционный сценарий
Исследователи предполагают, что ПРЦ был неэффективен: используя энергию света, он должен был передать два электрона хинону. ПРЦ мог слабо связывать два идентичных хинона по разные стороны сердцевины, но не мог выбрать приоритетный, что снижало вероятность передачи двух электронов одному из них.
Эта проблема была решена двумя путями:
- В линии, ведущей к РЦ II типа, сердцевина стала гетеродимерной, что позволило выбрать приоритетный хинон и ускорить химию.
- В линии, ведущей к РЦ I типа, сердцевина осталась гомодимерной, но был добавлен металлосодержащий кластер. Первый электрон попадал на него, облегчая передачу второго электрона нужному хинону.
После приобретения металлокластера (став предком всех РЦ I типа) произошли дальнейшие изменения для направления электронов к растворимому акцептору, что позволило извлекать больше энергии для метаболизма. Многие поздние изменения в РЦ I типа были вызваны необходимостью справляться с присутствием кислорода, так как нестабильные промежуточные продукты в РЦ могут реагировать с ним, образуя опасные молекулы.
По мнению команды, РЦ гелиобактерий сохраняет явные следы изменений, ведущих к раннему РЦ I типа. Понимание тонких деталей работы современных РЦ позволяет строить обоснованные гипотезы об их эволюции.