Во время фотосинтеза каждый фотон, собранный так называемыми «антенными» белками, генерирует энергию с невероятно высокой эффективностью. Исследователи сделали поразительное открытие, что кажущийся беспорядок в расположении этих белков является секретом этой способности, известной как «квантовая эффективность, близкая к единице».
Фотосинтез позволяет растениям и некоторым бактериям преобразовывать световую энергию в химическую с квантовой эффективностью, близкой к единице. Эта эффективность достигается с помощью сети белковых антенн, которые собирают фотоны и передают полученную энергию в реакционные центры фотосинтеза. Там эта энергия преобразуется в электроны для производства молекул глюкозы и кислорода.
В то время как передача энергии на уровне отдельных белков-антенн изучена достаточно полно, на межбелковом уровне дело обстоит иначе. Передача энергии на большие нанометровые расстояния зависит от обмена между этими белковыми комплексами. Однако изучение этих обменов особенно сложно из-за количества участвующих белков, их гетерогенной организации и перекрывающихся спектральных характеристик. Результатом этого является отсутствие понимания того, как фотосинтез достигает квантовой эффективности, близкой к единице — считается, что энергия фотона уменьшается на больших расстояниях и в реакционных центрах на расстоянии от 25 до 200 нанометров (относительно антенн).
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) предлагают объяснение этому явлению в новом исследовании, опубликованном в журнале PNAS. Впервые измерив энергию, передаваемую между белками антенн, они обнаружили, что их случайное расположение значительно повышает эффективность передачи этой энергии.
Габриэла Шлау-Коэн, доцент кафедры химии Массачусетского технологического института и ведущий автор нового исследования, объясняет: «Для работы этой антенны необходима передача энергии на большие расстояния. Наше главное открытие заключается в том, что неупорядоченная организация светособирающих белков повышает эффективность этой передачи энергии на большие расстояния».
Беспорядок повышает эффективность передачи энергии
В своем исследовании Шлау-Коэн и его команда сосредоточили внимание на фотосинтезирующих пурпурных бактериях, которые обычно используются в качестве моделей для изучения фотосинтеза. Живя в бедной кислородом водной среде, они осуществляют аноксигенный фотосинтез с помощью одного реакционного центра. Эти характеристики делают их идеальными для лабораторных наблюдений, не говоря уже об их очень своеобразных спектральных свойствах.
У этих бактерий фотоны проходят через сеть антенн, состоящих из белков и пигментов, таких как хлорофилл. Ранее ученые уже использовали сверхбыструю спектроскопию для наблюдения за тем, как энергия проходит через каждый белок антенны. Благодаря сверхбыстрым лазерным импульсам эта техника позволяет наблюдать события, происходящие на временных интервалах от фемтосекунд до наносекунд. Однако наблюдать за переносом энергии на межбелковом уровне сложнее, поскольку для этого необходимо точно знать положение каждого комплекса.
Чтобы облегчить наблюдение за передачей энергии между белками антенн, исследователи разработали синтетические мембраны нанометрического масштаба, по составу похожие на мембраны бактерий. Пурпурные бактерии имеют два типа антенных белков, в зависимости от среды, в которой они живут. В условиях нормальной освещенности они экспрессируют белок под названием LH2 (который поглощает волны длиной от 800 до 850 нанометров), в то время как вариант под названием LH3 больше экспрессируется в условиях низкой освещенности. В своем исследовании исследовательская группа интегрировала эти две версии белка в свои нанодиски.
Контролируя размер мембранных нанодисков, можно было точно оценить расстояние между белками. Используя наблюдения с помощью криоэлектронного микроскопа, команда обнаружила, что светособирающие белки находятся на расстоянии 2,5-3 нанометров друг от друга — расстояние, примерно соответствующее расстоянию между естественными бактериальными мембранами.
Для близко расположенных белков исследователи обнаружили, что энергия передается от одного к другому примерно за 6 пикосекунд. С другой стороны, время передачи увеличивается до 15 пикосекунд между белками, расположенными на более широком расстоянии друг от друга. Было установлено, что при уменьшении времени прохождения энергии передача энергии происходит более эффективно, так как при этом теряется меньше энергии. «Когда фотон поглощается, остается совсем немного времени до того, как энергия будет потеряна в результате нежелательных процессов, таких как нерадиационный распад. Поэтому чем быстрее происходит преобразование, тем эффективнее», — объясняет Шлау-Коэн.
Расположив белки в виде решетки, команда Массачусетского технологического института обнаружила, что передача энергии происходит гораздо менее эффективно. В результате, случайное расположение, наблюдаемое в бактериях и большинстве растительных клеток, позволило бы достичь знаменитой квантовой эффективности, близкой к единице. Это открытие позволяет предположить, что неоднородность, которая обычно характерна для живых организмов, может быть эволюционным преимуществом.
В качестве следующего шага команда планирует наблюдать за разворачиванием этого механизма передачи энергии между белками антенны и белками фотосинтетического реакционного центра. Это явление также будет изучено в других более сложных фотосинтезирующих организмах, в частности, в растениях.
Источник: New-Science.ru https://new-science.ru/fotosintez-otkrytie-sekreta-neveroyatnoj-effektivnosti-preobrazovaniya-sveta-v-energiju/