Ведерные цепочки и протонные ворота: новое понимание роли воды в фотосинтезе
Фотосистема II — это белок у растений, водорослей и цианобактерий, который использует солнечный свет для расщепления воды на атомарные компоненты, высвобождая водород и кислород. Долгое время оставался открытым вопрос, как молекулы воды попадают в центр Фотосистемы II, где происходит их расщепление с образованием кислорода, которым мы дышим. Лучшее понимание этого процесса может помочь в создании нового поколения искусственных фотосинтетических систем, производящих чистую возобновляемую энергию из солнечного света и воды.
В статье, опубликованной на прошлой неделе в Nature Communications, международная коллаборация учёных из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (LBNL), Национальной ускорительной лаборатории SLAC и других институтов раскрывает, как белок поглощает воду и как удаляется водород для высвобождения молекул кислорода.
В рентгеновском лазере на свободных электронах LCLS лаборатории SLAC команда облучала образцы цианобактерий сверхкороткими импульсами рентгеновских лучей, чтобы одновременно собрать данные рентгеновской кристаллографии и спектроскопии. Это позволило им картировать структуру белка и поток электронов в нём. С помощью этой методики они смогли проверить конкурирующие теории о том, как Фотосистема II расщепляет воду на кислород. За последние несколько лет команда использовала этот метод, чтобы наблюдать различные стадии этого цикла расщепления воды при температуре, при которой он происходит в природе.
Центр белка действует как катализатор, обеспечивая высокоэффективное протекание определённых химических реакций. Это исследование направлено на то, чтобы понять, как природа оптимизировала этот каталитический процесс за миллионы лет эволюции. Кластер из четырёх атомов марганца и одного атома кальция соединён атомами кислорода и окружён водой и внешними слоями белка. На изученной учёными стадии вода поступает по пути в центр белка, где одна молекула воды в итоге образует мостик между атомом марганца и атомом кальция. Исследователи показали, что эта молекула воды, вероятно, поставляет один из атомов кислорода для молекулы O2, образующейся в конце цикла.
В прошлом году исследователи обнаружили, что Фотосистема II доставляет воду в центр по принципу «ведерной цепочки»: молекулы воды движутся множеством маленьких шагов от одного конца пути к другому. Они также показали, что атом кальция в центре может быть вовлечён в эту доставку. В новейшем исследовании учёные впервые точно определили путь, по которому разворачивается этот процесс.
«Это может предотвратить преждевременное взаимодействие воды с центром, приводящее к нежелательным промежуточным продуктам, таким как пероксид, который может повредить фермент», — сказал Ян Керн, штатный учёный LBNL и один из авторов-корреспондентов.
Исследователи также показали, что существует другой путь, предназначенный для удаления протонов водорода, образующихся в ходе реакции расщепления воды. В протонном пути они обнаружили существование «протонных ворот», которые блокируют возврат протона в центр.
«Эти результаты показывают, где и как молекулы воды попадают в каталитический центр и где высвобождаются протоны, углубляя наше понимание того, как две воды могут объединиться, чтобы образовать кислород, которым мы дышим, — сказала Дзюнко Яно, старший научный сотрудник LBNL и один из авторов-корреспондентов. — Это демонстрирует, что недостаточно просто определить структуру основного каталитического центра, но также важно понять, как весь белок осуществляет реакцию».
В коллаборацию, помимо SLAC и LBNL, вошли исследователи из Уппсальского университета (Швеция), Берлинского университета имени Гумбольдта и Университета Висконсин-Мэдисон.