Динамическая и аллостерическая регуляция фотозащиты в светособирающем комплексе II

Фотосинтетические системы зелёных растений выполняют двойную функцию: эффективный сбор света при низкой интенсивности и фотозащиту при ярком солнечном свете для предотвращения окислительного повреждения реакционных центров.

Хотя общепризнано, что эта двойная функция реализуется в основном через главный светособирающий комплекс фотосистемы II (LHCII) в ответ на вызванное светом изменение pH на люменальной стороне, остаётся загадкой, как этот фотосинтетический белок переключается между двумя противоположными функциями посредством быстрых структурных изменений в адаптации к условиям окружающей среды. Профессор Вэн из Лаборатории физики мягкой материи Института физики КАН отметил, что ответ на этот вопрос может помочь в создании растений с более высокой эффективностью фотосинтеза и продуктивностью.

Исследование изучает динамику белка и аллостерические структурные изменения LHCII, интегрируя спектроскопию с временным разрешением и атомистическое молекулярно-динамическое моделирование. Моделирование, проведённое доктором Инцзе Ван, показало, что тример LHCII сам может действовать как молекулярная машина в ответ на условия окружающей среды, включая повышение температуры, кислотности или их совместное действие. Результаты моделирования полностью согласуются с экспериментальными наблюдениями и помогают их интерпретировать.

Суммарный эффект механических ножничных движений — сближение хромофоров (молекул, поглощающих и передающих световую энергию), так что «яркое» состояние хлорофилла передаёт свою энергию возбуждения в «тёмное» состояние лютеина. Низшее возбуждённое состояние лютеина не излучает и не поглощает фотоны напрямую (отсюда «тёмное») и в конечном итоге рассеивает избыточную энергию в виде тепла через тепловые колебания.

Этот механизм связывает феноменологические и экологические факторы, такие как быстрые колебания солнечной радиации из-за движения облаков, которые вызывают изменения физиологических условий на мембране фотосинтетического аппарата, приводя к структурным изменениям белков светособирающей антенны на атомарном уровне. Исследование также показало, что агрегация LHCII способствует диссипации энергии как при высокой температуре, так и в условиях повышенной кислотности.

Повышение температуры или кислотности, или обоих факторов вместе, индуцирует образование локальных спиралей, что запускает глобальное изменение конформации трансмембранного белка, приводящее к сближению встроенных хромофоров. Этот процесс обратим при снижении температуры и кислотности, когда появляются облака, что восстанавливает высокоэффективный режим переноса энергии для сбора света.