Когда растительные клетки поглощают солнечный свет во время фотосинтеза, пакеты энергии, называемые фотонами, прыгают между серией светособирающих белков, пока не достигнут реакционного центра фотосинтеза. Там клетки преобразуют энергию в электроны, которые в конечном итоге подпитывают производство молекул сахара.
Эта передача энергии через светособирающий комплекс происходит с чрезвычайно высокой эффективностью: почти каждый поглощенный фотон света генерирует электрон в явлении, известном как квазиединичная квантовая эффективность.
Новое исследование под руководством химиков из Массачусетского технологического института (MIT), опубликованное в научном журнале Труды Национальной академии наукдает возможное объяснение того, как белки светособирающего комплекса, также называемого антенной, достигают такой высокой эффективности.
Впервые ученым удалось измерить передачу энергии между светособирающими белками, что привело к открытию, что неорганизованное расположение этих белков увеличивает эффективность передачи энергии.
«Чтобы эта антенна работала, вам нужна передача энергии на большие расстояния. Наш главный вывод заключается в том, что беспорядочная организация светособирающих белков повышает эффективность этой передачи энергии на большие расстояния», — говорит Габриэла Шлау-Коэн, доцент кафедры химии Массачусетского технологического института и старший автор статьи.
Для этого исследования команда под руководством Габриэлы сосредоточилась на пурпурных бактериях, которые часто встречаются в бедной кислородом водной среде и обычно используются в качестве модели для изучения фотосинтетического сбора света.
Внутри этих клеток захваченные фотоны проходят через светособирающие комплексы, состоящие из белков и пигментов, поглощающих свет, таких как хлорофилл. Используя сверхбыструю спектроскопию, ученые смогли исследовать, как энергия перемещается внутри одного белка.
Однако, как отмечается на сайте Физ.изучение того, как энергия перемещается между этими белками, оказалось гораздо более сложной задачей, поскольку для этого требуется позиционировать некоторые из них контролируемым образом.
Читать далее:
Сверхбыстрая спектроскопия помогает оценить эффективность фотосинтеза при захвате света
Чтобы создать экспериментальную установку, в которой они могли бы измерить, как энергия перемещается между двумя белками, команда Массачусетского технологического института разработала наноразмерные синтетические мембраны с составом, аналогичным составу природных клеточных мембран.
Контролируя размер этих мембран, известных как нанодиски, они смогли контролировать расстояние между двумя белками, встроенными в диски.
Они включили в свои нанодиски две версии основного светособирающего белка, обнаруженного в пурпурных бактериях, называемых LH2 и LH3. В то время как LH2 — это белок, который присутствует в нормальных условиях освещения, LH3 — это вариант, который обычно экспрессируется только в условиях низкой освещенности.
Используя криоэлектронный микроскоп, исследователи визуализировали свои белки, встроенные в мембрану, и увидели, что они расположены на таких же расстояниях, что и на нативной мембране. Им также удалось измерить расстояния между светопоглощающими белками, которые находились в диапазоне от 2,5 до 3 нанометров.
Поскольку LH2 и LH3 поглощают свет с немного разными длинами волн, можно использовать сверхбыструю спектроскопию для наблюдения за передачей энергии между ними.
Для близко расположенных белков исследователи обнаружили, что фотону энергии требуется около 6 пикосекунд, чтобы пройти между ними. Для более удаленных белков передача занимает до 15 пикосекунд. Более быстрая поездка приводит к более эффективной передаче энергии, потому что чем дольше длится поездка, тем больше энергии теряется во время передачи.
Исследователи также обнаружили, что белки, расположенные в виде решетки, демонстрируют менее эффективную передачу энергии, чем белки, расположенные в случайно расположенных структурах, как это обычно бывает в живых клетках.
Теперь, когда они научились измерять передачу энергии между белками, авторы исследования планируют изучить передачу энергии между другими белками, например, в антенне и в реакционном центре. Они также намереваются изучить передачу энергии между белками антенн, обнаруженными в организмах, отличных от пурпурных бактерий, таких как зеленые растения.
Вы смотрели новые видео на YouTube цифрового взгляда? Подписывайтесь на канал!