Исследователи из Индийского института науки (IISc) и Калифорнийского технологического института (Caltech) раскрыли давнюю тайну, связанную с первыми этапами фотосинтеза. Это фундаментальный процесс, в ходе которого растения, водоросли и некоторые бактерии улавливают энергию солнечного света для производства кислорода и химической энергии.
Команда показала, почему начальные перемещения электронов, критически важные для передачи энергии, происходят только по одной ветви ключевого белково-пигментного комплекса.
Исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Фотосинтез: основные принципы
Фотосинтез включает в себя серию цепных реакций, в которых электроны передаются между множеством молекул пигмента. Несмотря на то что этот процесс хорошо изучен, он до конца не понят по нескольким причинам:
* задействовано слишком много и слишком сложных компонентов;
* передача энергии происходит на сверхбыстрых скоростях;
* разные организмы осуществляют его несколько иначе.
Понимание этих процессов может помочь в разработке эффективных искусственных листьев, топливных элементов и других систем, имитирующих фотосинтез.
Роль белково-пигментного комплекса Photosystem II (PSII)
В большинстве организмов фотосинтез запускается с помощью белково-пигментного комплекса, называемого Photosystem II (PSII). Он улавливает энергию солнечного света и расщепляет воду, обеспечивая молекулы кислорода и снабжая электронами, которые затем передаются последующим белкам и молекулам.
PSII содержит две идентичные ветви, называемые D1 и D2, вокруг которых симметрично расположены четыре молекулы хлорофилла и два феофитина — пигмента, родственного хлорофиллу. Эти ветви также связаны с молекулами-переносчиками электронов, называемыми пластохинонами.
Электроны сначала текут от хлорофилла к феофитину, затем от феофитина к пластохинону. Однако исследования показали, что электроны, по-видимому, движутся только по ветви D1 — это загадка, которая долгое время озадачивала исследователей.
«Несмотря на структурную симметрию между ветвями D1 и D2 в PSII, только ветвь D1 функционально активна», — говорит Адитья Кумар Мандал, первый автор и аспирант кафедры физики IISc.
В этом исследовании учёные использовали комбинацию моделирования молекулярной динамики, квантово-механических расчётов и теории Маркуса (Нобелевская премия за теорию переноса электронов) для составления карты энергетического ландшафта движения электронов в обеих ветвях.
«Мы оценили эффективность переноса электронов шаг за шагом через ветви D1 и D2», — говорит Шубхам Басера, аспирант кафедры физики и один из авторов.
Команда обнаружила, что в ветви D2 существует гораздо более высокий энергетический барьер, что делает транспорт электронов энергетически невыгодным. В частности, перенос электронов от феофитина к пластохинону в D2 требует в два раза больше энергии активации, чем в D1 — барьер, который электроны, по-видимому, не могут преодолеть, предотвращая передачу энергии вперёд.
Исследователи также смоделировали вольт-амперные характеристики обеих ветвей и обнаружили, что сопротивление движению электронов в D2 было на два порядка выше, чем в D1.
Асимметрия в потоке электронов может также быть обусловлена тонкими различиями в белковой среде вокруг PSII и тем, как в ней встраиваются пигменты, предполагают исследователи. Например, пигмент хлорофилла в D1 имеет возбуждённое состояние с более низкой энергией, чем его аналог в D2, что говорит о том, что у пигмента D1 больше шансов привлечь и передать электроны.
Исследователи также предполагают, что настройка некоторых из этих компонентов может усилить или изменить поток электронов через PSII. Например, замена хлорофилла и феофитина в D2 может преодолеть электронный блок, поскольку хлорофиллу требуется более низкая энергия активации, чем феофитину.
«Наше исследование представляет собой значительный шаг вперёд в понимании естественного фотосинтеза», — говорит Прабал К. Майти, профессор кафедры физики и один из соответствующих авторов исследования. «Эти результаты могут помочь в разработке эффективных искусственных фотосинтетических систем, способных преобразовывать солнечную энергию в химическое топливо, способствуя инновационным и устойчивым решениям в области возобновляемой энергетики».
Это прекрасная комбинация теории на различных уровнях для решения давней проблемы, кульминацией которой стал новый уровень понимания, но всё ещё остаются загадки, которые предстоит решить, — говорит Билл Годдард, профессор Калифорнийского технологического института и один из соответствующих авторов.