Why photosynthetic organisms evolved to have dimeric reaction centres — ABC Chemicals

Улучшение передачи энергии возбуждения, которое, как считается, компенсирует снижение эффективности переноса заряда при переходе от мономеров к димерам

Древние реакционные центры фотосинтеза для преобразования энергии света в химическую энергию были мономерными. Современные центры реакции фотосинтеза, однако, все димерные. Теперь ученые в Австралии обрисовали в общих чертах шесть возможных объяснений этого эволюционного переключения и пришли к выводу, что наиболее вероятная причина заключается в том, что димерные структуры улучшили возможности экситона- и переноса заряда в реакционном центре.

Центры фотосинтетических реакций представляют собой белково-пигментные комплексы, которые преобразуют солнечную энергию солнечного света в химическую энергию посредством процесса, называемого разделением заряда. Они существуют как димеры, то есть они имеют две мономерные субъединицы, которые работают вместе. Две молекулы хлорофилла, известные как особая пара, которые действуют как акцептор экситона и донор заряда, объединяют два мономера.

Why photosynthetic organisms evolved to have dimeric reaction centres - ABC Chemicals

Миллиарды лет назад предки этих комплексов существовали как единое целое, но никто не придумал окончательной причины этого изменения. «Все центры фотосинтетических реакций являются димерными по архитектуре, как на уровне белка, так и на уровне кофактора, где тесно связанный димер пигмента лежит в основе комплекса», — объясняет Роберт Бланкеншип, который изучает, как развивался фотосинтез в Вашингтонском университете в Сент-Луис, США. «Эволюционные и функциональные причины этой димерной архитектуры давно обсуждались и оказались неуловимыми для понимания».

Теперь Наташа Тейлор и Иван Кассал из университета Квинсленда и университета Сиднея, соответственно, решили давний вопрос: почему центры фотосинтетических реакций димерны? «Структура центров реагирования была впервые решена в 1980-х годах — достижение, признанное Нобелевской премией в 1988 году, и с тех пор мы многое узнали о том, как они работают», — объясняет Кассал. «Но цель димеризма и сильной связи в особой паре была важным вопросом с самого начала».

Они предлагают шесть эволюционных объяснений димеризации реакционного центра:

Объяснение 1 Димеризация произошла случайно. Это объяснение маловероятно, поскольку такого рода изменения вряд ли выживут в больших популяциях организма.
Объяснение 2 Димеризация служила исключительно структурной цели. Однако это объяснение не объясняет сильную особую парную связь, которая важна для функциональности реакционного центра.
Объяснение 3 Димеризация означала, что реакционный центр мог иметь два хинона, молекулы, которые помогают в переносе электронов в реакционном центре. Однако перенос между хинонами является феноменом недавнего развития и не объясняет, почему родовой реакционный центр должен был стать димером.
Объяснение 4 Димеризация позволила организму поглощать более длинную волну света в специальной паре, что означало, что он мог выжить в средах, где другие организмы собирали более короткие волны для выживания. Это, однако, не объясняет, почему мономерные реакционные центры вымерли, так как не многим фотосинтезирующим организмам для выживания требуется более длинная длина волны света. Следовательно, в этом случае организм не будет нуждаться в развитии своего реакционного центра, чтобы иметь структуру димера.
Объяснение 5 Димеризация привела к увеличению окислительно-восстановительного потенциала в связанной специальной паре, что улучшило перенос электронов. Однако наследственный реакционный центр не был кислородным и не нуждался в высоком окислительно-восстановительном потенциале. Следовательно, в этом случае было меньше причин для того, чтобы реакционный центр становился димером.
Объяснение 6 Димеризация улучшила одну из основных функций реакционного центра, как акцептор экситонов или как разделитель заряда. Это повысило эффективность реакционного центра. Похоже, это наиболее вероятное объяснение.

Хотя первые пять объяснений нельзя полностью исключить, они не объясняют, почему реакционные центры превратились в димерные и почему они выжили в течение миллиардов лет, в то время как мономерные версии вымерли. «Это оставило объяснение 6, которое заключалось в том, что димеризм улучшил одну из основных функций реакционного центра, принимая либо экситон, либо разделение движущего заряда», — объясняет Кассал.

Тейлор и Кассал затем проанализировали объяснение 6 далее. Они взяли современный реакционный центр и разработали модель для вероятного эволюционного события, которое привело к структуре димера. Как видно из модели, димеризация могла повысить эффективность реакционного центра на 50%. Этот результат означает, что объяснение 6 является вероятной причиной того, что реакционные центры становятся димерными.

Эволюционные и функциональные причины этой димерной архитектуры оказались труднодостижимыми для понимания.

Димитриос Пантазис, эксперт по природным и искусственным фотосинтетическим системам в Институте угольных исследований им. Макса Планка, Германия, поддерживает объяснение 6. «У нас практически нет прямой информации о ранней эволюции фотосинтеза, и этот вопрос может никогда не получить однозначного ответа — или тот, который удовлетворяет всех — но анализ Тейлора и Кассала, возможно, дает очень убедительное объяснение. Анализ твердо указывает на усиление передачи энергии возбуждения в качестве эволюционного объяснения, которое более чем компенсирует снижение эффективности переноса заряда ».

Тейлор и Кассал теперь задают дополнительные вопросы. «Могут ли наши объяснения быть проверены экспериментально? Можем ли мы быть более точными в отношении реконструкции события первичной димеризации? Как и почему димеризация и делокализация развивались после первоначального события димеризации, и что они могут сказать о функции сегодняшних реакционных центров? Они надеются принести больше ответов на свет.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *