Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Сверхбыстрая спектроскопия помогла увидеть распределение энергии при фотосинтезе

Тример светособирающего комплекса II

Американские и итальянские ученые исследовали механизм перераспределения энергии светособирающим комплексом в искусственной мембране, аналогичный процессам, которые происходят в клетках зеленых растений. Оказалось, что процесс проходит по двум путям, один из которых ранее уже предполагали, но экспериментально подтвердили впервые. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications.

В зеленых растениях переход солнечной энергии в энергию образования химических связей происходит посредством сложной цепочки реакций. В нее входит сеть белков-антенн: светособирающих комплексов в мембране, которые поглощают свет и направляют его в реакционный центр, где образуется разность зарядов, которая запускает реакцию фотосинтеза. Сеть белков также умеет приспосабливаться к меняющимся условиям освещения, чтобы предотвратить образование вредных продуктов фотохимических реакций вроде радикалов. 

Когда света слишком много, система настраивается так, чтобы рассеивать избыток энергии, преобразуя его в тепло. Этот процесс называют нефотохимическим тушением. В каждом светособирающем комплексе происходит ряд фотофизических процессов, проходящих по путям передачи, перераспределения энергии и образования вредных молекул. С изменением конформации белков (взаимного расположения атомов молекулы в пространстве) меняются протяженность и эффективность этих трех процессов. С учетом того, что в фотосинтезе участвует целая сеть таких комплексов, определить баланс между передачей энергии и ее перераспределением, а также их механизмы — сложная задача.

Антенны соединяют сеть основных (хлорофиллов) и вспомогательных (каротиноидов) светопреобразующих пигментов в растении, электронное взаимодействие между которыми обеспечивает быструю и эффективную передачу энергии, которая идет на инициирование химических реакций и перераспределяется.

В зеленых растениях основной антенной является так называемый светособирающий комплекс II (CCКII), фотофизику которого изучали достаточно много. Предполагается, что с изменением конформации комплекс переходит в состояние перераспределения энергии. Изучать такие конформационные изменения очень сложно, так как на взаимное положение атомов влияет среда, в которой находится соединение. Определить фотофизические пути превращения энергии в отдельных антеннах невозможно, а попытки воздействовать на систему лазерным излучением приводили к возникновению мешающих артефактов.

Мин-Юнг Сон (Minjung Son) с коллегами из Массачусетского технологического института с помощью очень чувствительной сверхбыстрой шикрокополосной двумерной электронной спектроскопии изучили фотофизические процессы CCКII в мембранном диске (нанодиске). Нужный белок исследователи поместили в диск из двойного липидного слоя, имитирующий среду, в которой он находится в природе, но вне связи с белковой сетью.

Эксперименты позволили авторам охарактеризовать два пути распределения энергии. Один из них, субпикосекундный переход энергии от хлорофиллов в основном состоянии к каротиноидам в первом возбужденном состоянии, ученым удалось впервые подтвердить экспериментально. В зависимости от среды, в которой находился комплекс (мембране или детергенте), доминировали разные процессы.

По словам авторов, новые данные позволят лучше понять роль механизмов перераспределения энергии в фотопротекции. Распределение энергии усиливается в мембране скорее всего за счет увеличения заселения уровней погашенной конформации. Это в свою очередь свидетельствует об определяющем влиянии среды на конформацию и динамику процессов, а следовательно, и на функцию, которую выполняет аппарат фотосинтеза зеленых растений: преобразование или перераспределение энергии.

Три года назад итальянским ученым удалось искусственно воссоздать фотосинтетический аппарат пурпурных бактерий, помещенный в билипидный слой искусственной протоклетки. 

Превращение солнечной энергии в природе, оказывается, может происходить не только в растениях и бактериях. В прошлом году ученые обнаружили возникновение электрического тока в неорганических системах.

Алина Кротова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.