Разгадана тайна асимметрии в фотосинтезе

Несмотря на симметричность ветвей D1 и D2, перенос заряда происходит только по D1. Исследование показало, что энергетический барьер для третьего этапа в D2 почти вдвое выше, чем в D1. Автор: Шубхам Басера

Учёные из Индийского научного института (IISc) и Калифорнийского технологического института (Caltech) раскрыли давнюю загадку первых этапов фотосинтеза — фундаментального процесса, при котором растения, водоросли и некоторые бактерии преобразуют солнечную энергию в кислород и химические соединения.

Команда объяснила, почему критически важные для переноса энергии движения электронов происходят только по одной «ветви» ключевого белково-пигментного комплекса. Исследование опубликовано в журнале PNAS.

«Несмотря на структурную симметрию ветвей D1 и D2 в фотосистеме II, функционально активна только ветвь D1», — поясняет Адитья Кумар Мандал, ведущий автор исследования.

Фотосинтез включает цепочку реакций с переносом электронов между пигментными молекулами. Несмотря на многолетние исследования, процесс до конца не изучен из-за сложности компонентов, сверхбыстрых скоростей энергопереноса и вариаций у разных организмов. Понимание этих механизмов поможет создать эффективные искусственные аналоги — от «искусственных листьев» до топливных элементов.

В большинстве организмов старт фотосинтезу даёт комплекс фотосистема II (PSII), который поглощает свет, расщепляет воду и передаёт электроны другим белкам. PSII содержит две симметричные ветви (D1 и D2) с идентичным набором хлорофиллов и феофитинов, связанных с молекулами-переносчиками (пластохинонами). Однако электроны движутся исключительно по D1.

Используя молекулярное моделирование, квантовые расчёты и теорию Маркуса (Нобелевская премия за описание переноса электронов), учёные сравнили энергетические ландшафты обеих ветвей. Оказалось, что в D2 энергетический барьер для перехода электронов от феофитина к пластохинону вдвое выше, чем в D1, а сопротивление — на два порядка больше. Это делает перенос электронов по D2 энергетически невыгодным.

Асимметрию также объясняют различия в белковом окружении PSII. Например, хлорофилл в D1 имеет более низкий энергетический уровень возбуждения, что облегчает захват электронов. Эксперименты показали, что замена хлорофилла и феофитина в D2 может снять «блокировку» электронов.

«Наше исследование — значительный шаг в понимании природного фотосинтеза. Эти знания помогут создать эффективные искусственные системы для преобразования солнечной энергии в топливо», — отмечает профессор Прабал К. Майти.

Как добавляет соавтор Билл Годдард из Caltech, работа сочетает теории разного уровня, предлагая новое понимание, но оставляя место для будущих открытий.

Дополнительно: Aditya Kumar Mandal et al., Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2405023122