Группа ученых из Школы молекулярных наук Университета штата Аризона приступила к переосмыслению истории эволюции фотохимических реакционных центров (РЦ). Их анализ был недавно опубликован в Интернете в журнале «Исследования фотосинтеза» и описывает новый путь, по которому древние организмы могли развить большое разнообразие фотосинтетических RC, наблюдаемых сегодня у бактерий, водорослей и растений. Исследование будет опубликовано этим летом в специальном выпуске, посвященном фотохимическим реакционным центрам.
Фотосинтез - это процесс, при котором растения, водоросли и некоторые бактерии используют энергию солнца для обеспечения своего метаболизма. Растения и водоросли используют эту световую энергию для производства сахаров из воды и углекислого газа, высвобождая кислород, которым мы дышим. Но некоторые бактерии осуществляют более простую форму фотосинтеза, которая не производит кислород, и считается, что они эволюционировали первыми.
Молекулярные двигатели во всех фотосинтезирующих организмах, преобразующие световую энергию в химическую, называются фотохимическими реакционными центрами. РЦ представляют собой хлорофиллсодержащие белки, обнаруженные в клеточной мембране. Их первое появление и последующая диверсификация позволили фотосинтезу питать биосферу на протяжении более 3 миллиардов лет, поддерживая эволюцию более сложных форм жизни.
На сегодняшний день существует два типа РЦ: РЦ типа I поддерживают метаболизм, перемещая электроны к растворимым белкам, в то время как РЦ типа II перемещают электроны к ассоциированным с мембраной молекулам. Однако в лаборатории профессора Кевина Реддинга накапливались доказательства того, что RC гелиобактерий могут выполнять обе эти функции, что делает его функциональным гибридом двух типов RC.
Гелиобактериальные RC считаются одними из самых простых RC, которые все еще существуют сегодня. Он гомодимерный, что означает, что его ядро состоит из двух копий одного и того же белка. Это контрастирует с двумя RC от производящих кислород организмов, таких как растения, ядро которых является гетеродимерным, ядро которого состоит из двух сходных, но не идентичных белков.
Считается, что RC возник только один раз в истории Земли, и что все RC сегодня отдаленно связаны с этим первоначальным предком. Со временем эти RC изменились, чтобы выполнять разные химические процессы. Хотя аминокислотные последовательности сильно изменились, как ни удивительно, общая структура RC осталась неизменной. Команда считает, что центр реакции предков (ARC) был проще, чем версии, существующие сегодня. Этот ARC, вероятно, был гомодимерным и взаимодействовал с молекулами в мембране, как современные RC II типа (и гелиобактериальные RC), а не с растворимыми белками.
Очень сложно реконструировать эти этапы эволюции, на которые ушло более 3 миллиардов лет. Один из способов, которым это обычно делается, состоит в том, чтобы сравнить аминокислотные последовательности белков и отметить количество различий между ними, предполагая, что большее сходство означает, что они более тесно связаны. Однако в своем исследовании команда предостерегает от того, чтобы сильно полагаться на этот метод для RC. Различий в последовательностях слишком много, и прошло слишком много времени, чтобы получить достоверную информацию с помощью этого метода.
Вместо этого они сравнили положения белковых структурных элементов и хлорофиллов в RCs. По сути, они больше сосредоточились на структуре и функции RC, чтобы реконструировать эволюционную историю, начав с предсказаний о структуре и функции ARC.
Структурное наложение
Команда предполагает, что ARC в своей простейшей форме, вероятно, был довольно неэффективен в своем химическом составе. Его работа заключалась в том, чтобы использовать энергию солнечного света для обеспечения двумя электронами связанной с мембраной молекулы, называемой хиноном. Однако ARC, вероятно, может свободно связывать две молекулы хинона, по одной с каждой стороны ядра. Имея два одинаково выглядящих хинона, ARC не смог расставить приоритеты, какой хинон получит электроны, что сделало менее вероятным, что любой из них получит два необходимых ему электрона.
Эта проблема решалась двумя разными способами. В линии, которая привела к современным RC типа II, ядро изменилось с гомодимерного на гетеродимерное, что позволило RC расставить приоритеты, какому хинону он отдал электроны, ускоряя химию. В линии, которая привела к современным RC типа I, ядро оставалось гомодимерным, но был добавлен металлический кластер, чтобы первый электрон оказался там, облегчая его доставку к хинону, который получил следующий электрон..
После того, как ARC приобрел металлический кластер, став, таким образом, предком всех современных RC I типа, произошли дополнительные изменения, направленные на дальнейшее направление электронов к растворимому акцептору, что привело к извлечению большего количества энергии для клеточного метаболизма. К ним относятся изменения в положениях и идентичности кофакторов хлорофилла. Большая часть более поздних изменений в RC типа I была вызвана необходимостью иметь дело с присутствием кислорода, поскольку нестабильные промежуточные соединения в RC могут реагировать с кислородом с образованием очень вредных молекул. По мнению группы ASU, гелиобактериальный RC сохраняет явные следы изменений, приведших к раннему RC типа I, и понимание тонких деталей того, как работают современные RC, позволяет строить обоснованные гипотезы о том, как они развивались.
В команду входили Грег Орф, Кристофер Гизриэль и Кевин Э. Реддинг. Эта работа финансировалась Отделом химических наук, наук о Земле и биологических наук Управления фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США через Грант (DE-SC0010575).