Во время фотосинтеза каждый фотон, состоящий из так называемых «антенных» белков, генерирует энергию с невероятно высокой эффективностью. Исследователи сделали поразительное открытие, что явный беспорядок в расположении этих белков является секретом этой способности, известной как «почти квантовая эффективность".
Фотосинтез позволяет растениям и некоторым бактериям преобразовывать световую энергию в химическую с квантовой эффективностью, близкой к единице. Эта эффективность достигается за счет сети белковых антенн, которые собирают фотоны и передают полученную энергию фотосинтетическим реакционным центрам. Там эта энергия преобразуется в электроны для производства молекул глюкозы и кислорода.
Если перенос энергии на уровне отдельных антенных белков изучен достаточно полно, то на межбелковом уровне дело обстоит иначе. Перенос энергии на большие нанометровые расстояния зависит от обмена между этими белковыми комплексами. Однако изучение этих обменов особенно затруднено из-за количества вовлеченных белков, их гетерогенной организации и перекрывающихся спектральных свойств. Результатом этого является непонимание того, как фотосинтез достигает квантовой эффективности, близкой к единице — предполагается, что энергия фотонов уменьшается на больших расстояниях и в реакционных центрах на расстояниях от 25 до 200 нанометров (относительно антенн).
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) дают объяснение этому явлению в новом исследовании, опубликованном в журнале . Впервые измерив энергию, передаваемую между антенными белками, они обнаружили, что их случайное расположение значительно повышает эффективность этой передачи 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. Наш главный вывод заключается в том, что беспорядочная организация света -сбор белков повышает эффективность этой передачи энергии на большие расстояния".
Беспорядок повышает эффективность передачи энергии
В своем исследовании Шлау-Коэн и его команда сосредоточились на фотосинтезирующих пурпурных бактериях, которые часто используются в качестве моделей для изучения фотосинтеза. Живя в бедной кислородом водной среде, они осуществляют аноксигенный фотосинтез, используя один реакционный центр. Эти свойства делают их идеальными для лабораторных наблюдений, не говоря уже об их очень отличительных спектральных свойствах.
В этих бактериях фотоны проходят через сеть антенн, состоящую из белков и пигментов, таких как хлорофилл. Ранее исследователи использовали сверхбыструю спектроскопию, чтобы наблюдать, как энергия проходит через каждый белок антенны.
Обратите внимание: Достигнут рубеж в процессе искусственного фотосинтеза.
Благодаря сверхбыстрым лазерным импульсам эта методика позволяет наблюдать события, происходящие во временных интервалах от фемтосекунд до наносекунд. Однако наблюдать перенос энергии на межбелковом уровне сложнее, так как для этого требуется точное знание положения каждого комплекса.Чтобы облегчить наблюдение за передачей энергии между антенными белками, исследователи разработали синтетические мембраны нанометрового размера, которые по составу аналогичны бактериальным мембранам. Пурпурные бактерии имеют два типа белков-антенн, в зависимости от среды, в которой они живут. При нормальных условиях освещения они экспрессируют белок, называемый LH2 (который поглощает длины волн от 800 до 850 нанометров), в то время как вариант, называемый LH3, более экспрессируется при слабом освещении условия. 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 от 2,5 до 3 нанометров друг от друга, что примерно эквивалентно расстоянию между природными бактериальными мембранами.
Исследователи обнаружили, что для плотно упакованных белков энергия передается от одного белка к другому примерно за 6 пикосекунд. С другой стороны, время передачи увеличивается до 15 пикосекунд между белками, находящимися на большем расстоянии друг от друга. Было обнаружено, что при уменьшении времени прохождения энергии передача энергии более эффективна, поскольку теряется меньше энергии. «Когда фотон поглощается, остается очень мало времени, прежде чем энергия будет потеряна из-за нежелательных процессов, таких как безызлучательный распад. Таким образом, чем быстрее преобразование, тем эффективнее», — объясняет Шлау-Коэн.
Упорядочив белки в виде решетки, команда Массачусетского технологического института обнаружила, что передача энергии гораздо менее эффективна. В результате случайное расположение, наблюдаемое в бактериях и большинстве растительных клеток, достигло знаменитой квантовой эффективности, близкой к единице. Это открытие предполагает, что неоднородность, обычно характерная для живых организмов, может быть эволюционным преимуществом.
В качестве следующего шага команда планирует наблюдать за развертыванием этого механизма передачи энергии между белками антенны и белками фотосинтетического реакционного центра. Это явление будет изучаться и у других, более сложных фотосинтезирующих организмов, особенно у растений.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Во время фотосинтеза каждый фотон, собранный так называемыми "антенными" белками, генерирует энергию с невероятно высокой эффективностью.