Международная группа исследователей раскрыла структуру и выяснила функцию фотосинтетического комплекса I. Этот мембранный белковый комплекс играет важную роль в динамической перестройке фотосинтеза. Команда из Института биохимии Макса Планка, Университета Осаки и Рурского университета в Бохуме вместе со своими партнерами по сотрудничеству сообщают о работе в журнале Science, опубликованном в Интернете 20 декабря 2018 года.«Результаты закрывают один из последних крупных пробелов в нашем понимании путей фотосинтетического переноса электронов», - говорит доцент доктор Марк Новачик, возглавляющий бохумскую проектную группу «Цианобактериальные мембранные белковые комплексы».
Электрические схемы биологии
Комплекс I содержится в большинстве живых организмов. В растительных клетках он используется в двух местах: в митохондриях, энергетических установках клетки, и в хлоропластах, где происходит фотосинтез. В обоих случаях он является частью цепи переноса электронов, которую можно рассматривать как электрическую цепь биологии. Они используются для управления молекулярными машинами клеток, ответственными за производство и хранение энергии. Структура и функция митохондриального комплекса I как элемента клеточного дыхания хорошо изучены, тогда как фотосинтетический комплекс I пока мало изучен.
Короткое замыкание фотосинтеза
Используя криоэлектронную микроскопию, исследователи впервые смогли решить молекулярную структуру фотосинтетического комплекса I. Они показали, что он значительно отличается от своего респираторного родственника. В частности, часть, отвечающая за транспорт электронов, имеет другую структуру, поскольку она оптимизирована для циклического транспорта электронов при фотосинтезе.
Циклический транспорт электронов представляет собой короткое молекулярное замыкание, при котором электроны повторно вводятся в фотосинтетическую транспортную цепь электронов, а не сохраняются. Марк Новачик поясняет: «Молекулярные детали этого процесса неизвестны, а дополнительные факторы еще однозначно не идентифицированы». Исследовательская группа смоделировала процесс в пробирке и показала, что основную роль играет белок ферредоксин. Используя спектроскопические методы, ученые также продемонстрировали высокую эффективность транспорта электронов между ферредоксином и комплексом I..
Молекулярная удочка
На следующем этапе группа проанализировала на молекулярном уровне, какие структурные элементы отвечают за эффективное взаимодействие комплекса I и ферредоксина. Дальнейшие спектроскопические измерения показали, что комплекс I имеет в своей структуре особенно гибкую часть, которая, как удочка, захватывает белок ферредоксин. Это позволяет ферредоксину достичь оптимального положения связывания для переноса электронов.
«Это позволило нам объединить структуру с функцией фотосинтетического комплекса I и получить детальное представление о молекулярных основах процессов переноса электронов», - резюмирует Марк Новачик. «В будущем мы планируем использовать эти знания для создания искусственных электрон-транспортных цепей, которые позволят использовать новые приложения в области синтетической биологии».