Новости химической науки > Механизм фотосинтеза изучен подробнее

Результаты работы международной группы исследователей могут рассматриваться как существенный шаг вперед в изучении особенностей фотосинтеза и, возможно, создания более чистого топлива.

Кевин Реддинг в своей лаборатории в Университете Аризоны. (Фото: Mary Zhu)

Растения, водоросли и цианобактерии используют фотосинтез для получения кислорода и пополнения энергетических запасов – окисляемых соединений, как, например, углеводы и водород. Существует два хромопротеидных комплекса, управляющих первичными реакциями фотосинтеза, протекающего с выделением кислорода – фотосистема I [photosystem I (PSI)] и фотосистема II [photosystem II (PSII)]. Выяснение особенностей работы этих фотосистем является одной из главных целей биохимии.

Исследователи из Университета Аризоны совместно с представителями Института Макса Планка в Мюльхейме под руководством Кевина Реддинга изучили активный центр реакционной системы PSI.

В лаборатории Кевина Реддинга были получены мутированные штаммы одноклеточных зеленых водорослей Chlamydomonas reinhardtii. Используя эти мутированные штаммы как модель, Реддинг с соавторами продемонстрировал, что первичный активируемый светом перенос электронов в реакционном центре PSI может быть инициирован независимо на любой из параллельных ветвей этой системы. Одновременно было показано, что PSI характеризуется двумя молекулярными устройствами разделения заряда, которые работают параллельно, увеличивая общую эффективность переноса электрона.

Предложенная исследователями кинетическая схема PSI. (Рисунок из Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010; DOI:10.1073/pnas.0905407107)

Реддинг отмечает, что хотя исследователям уже было известно о том, что обе изученные ветви применяются живыми организмами в PSI, и то, что мутация, которой они подвергали водоросли, могла оказать влияние на относительное использование каждого из отдельно взятых путей, исследователи не были точно уверены в том, какой конкретно эффект окажут эти мутации на организмы водорослей. Изучение влияния мутации на водоросли и привело к пониманию механизма разделения заряда – механизма того, как энергия электромагнитная конвертируется в энергию химическую.

Соавторы Реддинга из Германии – Альфред Хольцварт (Alfred Holzwarth), Марк Мюллер (Marc Müller) и Чавдар Славов (Chavdar Slavov) использовали короткоимпульсную лазерную технику для изучения особенностей переноса электронов на двух ветвях системы PSI. Им удалось зафиксировать исключительно ранние стадии механизма фотосинтеза, протекающие за время в несколько пикосекунд (за такое время среднестатистический атом кристаллической решетки проделывает не более десятка колебаний относительно центрального положения).

Чрезвычайно сложный эксперимент, интерпретация полученных результатов, получение высокочистых образцов мутированных организмов – все это заняло не менее двух лет научного поиска. Для интерпретации данных исследователям пришлось разработать особый подход для кинетического моделирования, который позволил им оценить скорости индивидуального переноса электронов на каждой из стадий в рамках двух изученных веток. Сравнение фотосинтетического поведения различных водорослей-мутантов позволило определить скорости фотосинтетических процессов на каждой ветке немутированного организма Chlamydomonas reinhardtii.

Проведенное исследователями из Аризоны и Германии исследование важно по двум внешне независимым причинам. В первую очередь, понимание особенностей протекания сложного процесса фотосинтеза в Природе весьма важно для дальнейших исследований фотосинтетических центров, при этом есть вероятность, что результаты, полученные для одноклеточных водорослей, могут оказаться справедливыми и для многоклеточных организмов. Во-вторых, два молекулярных устройства для разделения заряда, работающие совместно для увеличения эффективности, могут помочь в будущей разработке систем искусственного фотосинтеза.

Источник: Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010; DOI:10.1073/pnas.0905407107

метки статьи: #биохимия, #кинетика и катализ, #молекулярная биология