CC BY
209
Как «устроен» фотосинтез?
КУЛИК Леонид Викторович - доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории химии и физики свободных радикалов Института химической кинетики и горения СО РАН (Новосибирск). Автор и соавтор 45 научных публикаций
Ключевые слова: фотосинтез, фотосистема II, расщепление воды, рентгеноструктурный анализ, спектроскопия. Key words: photosynthesis, Photosystem II, water splitting, X-ray structure, spectroscopy
Одним из главных научных прорывов 2011 г. стало раскрытие секрета ключевого звена механизма фотосинтеза - процесса, лежащего в основе «солнечной энергетики» Земли. Японские ученые методом рентгеновского анализа установили детальную структуру каталитического центра фотосинтетической системы, в котором осуществляется процесс расщепления воды с выделением кислорода с использованием солнечной энергии
Практически все знают, что кислород, которым мы дышим, выделяют растения. На вопрос «какие вещества участвуют в этом процессе?» многие, базируясь на школьных знаниях, назовут хлорофилл. Однако в действительности все обстоит не совсем так. Молекулы хлорофилла, придающие листьям зеленый цвет, как и молекулы других пигментов (каротиноидов, фикобилинов), всего лишь поглощают энергию солнечного света, являясь своего рода антеннами. Сам процесс фотосинтеза происходит в так называемых фотосистемах - сложных комплексах, включающих, помимо пигментных светособирающих систем, белки-ферменты и молекулы небелковой природы (кофакторы). В этих фотосистемах, встроенных в мембраны многочисленных хлоропластов - клеточных органелл, и происходит процесс расщепления воды с выделением О2 под действием солнечного света.
У растений и фотосинтезирующих бактерий обнаружено две фотосин-тезирующие системы - фотосистема I и фотосистема II, отличающие по спектральным свойствам входящих в них пигментов. Основной итог работы фотосистем - превращение энергии света в электростатическую энергию разделенных зарядов протонов и электронов, которые образуются при расщеплении воды. Поразительно, но практически весь молекулярный кислород в атмосфере Земли представляет, по сути, побочный продукт этой реакции! В дальнейшем эта энергия в ходе сложной цепи темновых реакций превращается в энергию химических связей органических веществ, образующихся в растениях. (Именно эту энергию, накопленную растениями за миллионы лет фотосинтезирующей деятельности, человечество стремительно потребляет, сжигая торф, уголь, нефть и природный газ.)
Ученые на протяжении десятилетий пытались изучить детальное устройство фотосистемы II, чтобы выяснить, как происходит фотосинтетическое расщепление воды. Уже давно было обнаружено, что эта реакция происходит в каталитическом центре системы - кислород-выделяющим комплексе (КВК), который содержит четыре иона марганца. Именно эти ионы позволяют сконцентрировать энергию, необходимую для разрыва прочных химических связей в молекулах воды.
Однако и строение КВК, и механизм его работы до последнего времени оставались неизвестными. Дело в том, что рентгеноструктурный анализ -традиционный метод определения структуры ферментов - требует, чтобы их молекулы были упакованы в правильную кристаллическую решетку. А чрезвычайно сложно устроенная фотосистема II «упаковывается» очень неохотно.
43
Д НОВОСТИ НАУКИ
Основное достижение японских ученых как раз и состоит в том, что в 2011 г. они сумели приготовить достаточно совершенные кристаллы из фотосистемы II, что позволило уточнить детали ее структуры и «увидеть» устройство КВК. Впрочем, слово «увидеть» тут не совсем уместно. Рентгеноструктурный анализ - сложный метод, в котором для получения результатов требуется основательная математическая обработка регистрируемых сигналов. Поэтому изображение структуры, получаемое таким способом - вовсе не фотография, а, скорее, красиво оформленное предположение о строении исследуемого объекта.
При этом исследователи в буквальном смысле оказываются в положении людей из знаменитой «платоновской пещеры», которые наблюдают за тенями вещей, проносимых перед ее входом. И чтобы установление структуры кислород-выделяющего комплекса фотосистемы II этим способом было признано надежным, его было необходимо подтвердить с помощью других 44 методов, в частности ядерного магнитного резонанса.
«Сад камней», созданный в 2010 г. около Института бионеорганической химии общества им. Макса Планка изображает модель кислород-выделяющего комплекса «фотосистемы Неразработанную в институте по результам ЯМР. Фото Б. Декерс
Строение кислород-выделяющего комплекса «фотосистемы II» удалось установить по данным рентгеноструктурного анализа кристалла.
Символом W обозначены присоединенные атомы кислорода молекул воды. По: (Umena е а1, 2011)
Qb
2 H2O
*
O2 + 4H+
Фотосистема II
e
На этом схематическом изображении молекулярной структуры фотосистемы II
цветом выделены кофакторы, участвующие в фотосинтетическом переносе
электрона и расщеплении молекулы воды.
ОЕС - кислород-выделяющий комплекс фермента;
Р680 - димер молекул хлорофилла, первичный донор электрона
при фотосинтетическом разделении зарядов;
РИво - феофитин; 0Л и Ов - молекулы пластохинона;
У - аминокислота тирозин. По: (КиНк et а1., 2007)
В последнее внесли свой вклад и российские ученые, работающие в составе многонационального коллектива в германском Институте бионеорганической химии (г. Мюльхайм-на-Руре, Германия). На основе результатов исследования структуры кислород-выделяющего комлекса методом импульсного двойного электрон-ядерного резонанса на ядрах марганца была предложена структура КВК, которая оказалась весьма близка к той, что была получена рентгеновскими методами японскими специалистами.
Несмотря на то, что механизм действия КВК еще не вполне установлен, он является вдохновляющим примером для поиска искусственных катализаторов, расщепляющих воду на кислород и водород под действием света. Осуществление такого «искусственного фотосинтеза» открыло бы широкие перспективы для экологически чистой водородной энергетики. Однако, это дело будущего, а пока продолжается поиск катализаторов расщепления воды, обладающих достаточной эффективностью, и уточнение устройства и механизма работы фотосистемы II.
Литература
Umena Y., Kawakami K., Shen J.-R., Kamiya N. Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9 angstrom//Nature, 2011. 473. P. 55—60.
Yano J., Kern J., Sauer K., et al. Where water is oxidized to dioxygen: Structure of the photosynthetic Mn4Ca cluster// Science, 2006. Vol. 314. P. 821-825.
Zein S., Kulik L. V., Yano J., et al. Focussing the view on Nature's water-splitting catalyst // Phil. Trans. Royal Soc. B, 2008. Vol. 363. P. 1167— 1177.
45
