Как образуется кислород, которым мы дышим: раскрыт механизм фотосинтеза
Исследователи выявили новые детали работы молекулярной "фабрики" в фотосистеме II (PSII), которая производит кислород из воды с помощью солнечного света.
Кислородный "цех" фотосинтеза
- PSII — это сложный белковый комплекс в растениях и водорослях. В нём находится металлокластерный катализатор, который, подобно конденсатору, накапливает заряд для извлечения четырёх электронов из двух молекул воды (2 H2O), высвобождая O2 и четыре протона (H+).
- Ключевой "переключатель" — аминокислота тирозин, расположенная рядом с металлокластером. Под действием света с тирозина удаляется электрон, превращая его в нестабильный радикал. Этот радикал быстро забирает новый электрон у металлокластера, запуская реакционный цикл.
Новое открытие: роль кальция
Учёные из Технологического института Джорджии (США) разработали метод наблюдения за реакцией радикала тирозина в присутствии металлокластера с помощью колебательной спектроскопии.
- Они выделили PSII из шпината, замедлили реакцию охлаждением в темноте, а затем активировали её световыми вспышками.
- Главное открытие: ион кальция в кластере взаимодействует с тирозином, заставляя его молекулу изгибаться определённым образом. Это указывает на то, что тирозин может быть очень гибким "переключателем".
- Замена кальция на другие металлы показала, что именно кальций оптимально выполняет эту роль.
Значение исследования
- Кислородный фотосинтез, зародившийся около 2 миллиардов лет назад, — основа сложной жизни на Земле.
- Понимание его механизмов может помочь в создании более продуктивных сельскохозяйственных культур.
- PSII служит исключительно эффективной природной моделью для разработки фотоэлектрических полупроводников в энергетических системах.
Исследование Бриджит Барри, Чжаньцзюнь Го и Цзяюань Хэ опубликовано 11 мая 2018 года в Proceedings of the National Academy of Sciences при поддержке Национального научного фонда (NSF).