Возможно, фотосинтез является величайшим топливом жизни на нашей планете, но понять его запутанный химический процесс, питаемый солнечным светом, непросто. Исследователи недавно обнаружили некоторые новые этапы работы молекулярной фабрики, производящей кислород, которым мы дышим.
Хотя хлорофилл является наиболее известным компонентом, поскольку он окрашивает природу в ярко-зеленый цвет, многие соединения работают вместе в процессе фотосинтеза. И химики Технологического института Джорджии разработали хитрые эксперименты для проверки игроков, тесно связанных с выделением O2 из воды в так называемой фотосистеме II (PSII).
PSII представляет собой сложную белковую структуру, обнаруженную в растениях и водорослях. У него есть аналог, называемый фотосистемой I, столь же сложным источником кислорода и биоматериалов, работающим на свету.
Некоторые вопросы и ответы, приведенные ниже, помогут прояснить выводы исследователей о небольшом металлическом катализаторе и аминокислоте внутри ФСII, которые работают рука об руку для производства O2.
«Фотосинтез в растениях и водорослях можно сравнить с искусственным солнечным элементом», - сказала главный исследователь Бриджит Барри, профессор Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии. «Но в фотосинтезе световая энергия питает производство пищи (углеводов), а не заряжает батарею. O2 выделяется из воды как побочный продукт».
Барри, первый автор Zhanjun Guo и исследователь Jiayuan He опубликовали свое исследование 11 мая 2018 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Их работа финансировалась Национальным научным фондом.
Как фотосинтез II выделяет кислород из воды?
Многие детали до сих пор неизвестны, но вот некоторые основные принципы работы.
PS II представляет собой биохимический комплекс, состоящий в основном из больших штопорных цилиндров аминокислот и нескольких таких цилиндров меньшего размера, соединенных аминокислотными нитями. Цикл реакции, который извлекает O2 из H2O, происходит в крошечном месте, на котором и сосредоточилось исследование.
Для масштаба, если бы PSII была довольно высоким и очень широким зданием, пятно могло бы быть размером с большую дверь примерно в центре нижней части здания, и металлический кластер был бы расположен там. Белки будут переплетены между собой разветвленными молекулами, включающими бета-каротин и хлорофилл, великолепный природный фотоэлектрический полупроводник.
«Фотоны солнечного света бомбардируют фотосистему II и вытесняют электроны в хлорофилле», - сказал Барри. «Это создает движущиеся отрицательные заряды».
Что такое металлический катализатор?
Металлический катализатор действует как конденсатор, накапливая заряд, который он использует для ускорения четырех химических реакций, которые высвобождают O2, удаляя четыре электрона, один за другим, из двух молекул воды. При этом вода также высвобождает четыре иона H+, то есть протоны, из двух молекул H2O.
Дополнительное высокореакционное соединение действует как «переключатель», управляющий движением электронов на каждом этапе реакционного цикла.
Что такое «переключатель» и что он делает?
Именно здесь на помощь приходят выводы нового исследования.
Рядом с металлическим кластером находится обычная аминокислота под названием тирозин, маленький строительный блок в этом гигантском белковом здании. Легкие реакции удаляют один электрон из тирозина, превращая его в нестабильный радикал, а радикальная версия тирозина сильно притягивает новый электрон.
Он очень быстро получает новый электрон из металлического кластера. Поскольку ФС II поглощает фотоны, отнятие электрона у тирозина и захват его радикалом нового электрона из кластера быстро повторяется, превращая тирозин в нечто вроде мерцающего переключателя.
«Радикал тирозина управляет циклом, и то, что они (Го и Хе) сделали в лаборатории, заключалось в том, чтобы разработать способ наблюдения за радикальной реакцией в присутствии металлического кластера», - сказал Барри.
Гуо и Хэ также обнаружили, что атом кальция в кластере имеет ключевые взаимодействия с тирозином.
Как они обнаружили этот единственный химический компонент в живой системе?
Выяснение того, как сделать реакции наблюдаемыми, было кропотливым делом. Исследователи выделили некоторое количество ФС II из шпината и значительно замедлили его, охладив в темноте.
Затем они дали ему вспышку красного света, чтобы подготовить один шаг в реакционном цикле, затем зеленую вспышку, чтобы отобрать электрон у тирозина. Затем электроны медленно возвращались к тирозину.
Исследователи наблюдали за процессами с помощью колебательной спектроскопии, которая выявила свойства химических связей тирозина. Исследователи также исследовали кальций и обнаружили особое взаимодействие между ним и тирозином.
«Новой вещью, которую мы увидели, было то, что ион кальция заставлял тирозин скручиваться определенным образом», - сказал Барри. «Оказывается, тирозин может быть очень гибким переключателем».
Исследователи также заменили кальций другими металлами и обнаружили, что кальций выполняет эту роль вполне оптимально.
Итак, почему важно понимать фотосинтез?
"Кислородный фотосинтез действительно является отличным топливом для жизни на нашей планете", - сказал Барри.
Около двух миллиардов лет назад произошел взрыв фотосинтеза, который генерирует O2, и по мере того, как доступный для дыхания кислород заполнил океаны и атмосферу Земли, жизнь начала развиваться в сложное разнообразие, которое мы имеем сегодня. Есть и прагматические причины для изучения фотосинтеза.
"Вы могли бы работать с ним, чтобы сделать урожай более продуктивным", сказал Барри. «Возможно, когда-нибудь нам придется восстановить и адаптировать процесс фотосинтеза».
Стрессы окружающей среды могут ослабить фотосинтез в будущем, что потребует биохимических изменений. Кроме того, естественный фотосинтез является исключительно хорошей моделью для фотоэлектрических полупроводников, подобных тем, которые используются в новых энергетических системах.