Надлишок фотонів включає в клітинах рослин і зелених водоростей спеціальний фотозахисний білок, що захищає їх від «сонячних опіків».
Клітини папороті з зеленими хлоропластами. (Фото: Carolina Biological Supply Company / Flickr.com.)
Надлишок сонячного світла шкодить рослинам так само, як і всім живим організмам, і, щоб захиститися від опіків, у рослин і водоростей є свій сонцезахисний механізм.
Як ми знаємо, сонячну енергію ловить пігмент хлорофіл: світло вибиває електрон з молекули пігменту, і цей електрон починає подорож по складного ланцюга молекул-переносників.
Перекидання електрона з молекули на молекулу дає енергію, необхідну для перетворення вуглекислого газу в вуглеводи (кисень же є побічним продуктом реакції). Однак якщо на хлорофіл приходить занадто багато світла, він перевозбуждается і робиться небезпечний: такий хлорофіл генерує активні форми кисню, що ушкоджують біомолекули і органи клітини - іншими словами, починається окислювальний стрес.
Щоб такого не сталося, в клітинах рослин і зелених водоростей є складний білковий комплекс LHCSR1 (light-harvesting complex stress-related 1 - світлозбиральних стресовий комплекс 1). Його відкрили кілька років тому, і до останнього часу про нього відомо було тільки те, що він сидить в мембранах хлоропластів, взаємодіє з хлорофілом і каротиноїдами (які теж можуть поглинати світло), і що у LHCSR1 йде зовсім небагато часу, від декількох секунд до декількох хвилин, щоб увійти в сонцезахисний режим. Але як саме він це робить, вдалося дізнатися тільки зараз.
Дослідники з Массачусетського технологічного інституту разом з колегами з Веронского університету за допомогою спеціального методу мікроскопії зуміли поспостерігати за перетвореннями одного-єдиного LHCSR1 в умовах різної освітленості. Як і у будь-якого білка, у LHCSR1 є певна просторова форма, і поліпептидні ланцюги, що утворюють білковий комплекс, укладені так, щоб перемикатися між двома функціональними станами.
У статті в Nature Chemistry йдеться, що в тіні світлозахисні комплекс передає всі фотони, які до нього приходять, далі, на фотосинтетичний апарат. Коли ж сонце виходить з-за хмар, тривимірний «портрет» LHCSR1 змінюється майже миттєво. Але змінюється він не безпосередньо через надлишок фотонів.
В ході реакцій фотосинтезу молекули води Н2 Про розщеплюються з утворенням іонів водню Н +. Коли світла стає багато, система фотосинтезу працює активніше, і іонів водню стає багато. Середовище навколо комплексу LHCSR1 стає занадто кислою, що, в свою чергу, впливає на взаємодії амінокислот в його поліпептидних ланцюгах - і в підсумку різні частини комплексу зсуваються один щодо одного. І ось в такому новому стані LHCSR1 перетворює енергію світла в тепло - хоча подробиці того, як він це робить, ще не цілком ясні.
Фотозахисна стан забезпечує ще й фермент, який теж реагує на підвищення кислотності і змінює структуру каротиноїдів, взаємодіючих з LHCSR1. Тобто LHCSR1 і сам через кислотності переходить в потрібний стан, і ще каротиноїди його в цьому підтримують.
Головне, що тут вдалося показати - як у білка виходить так швидко перемикатися зі звичайного стану в фотозахисна; і тут, звичайно, не можна було обійтися без розгадування особливостей його молекулярної структури. Зворотний перехід, до речі, відбувається вже не так швидко: щоб LHCSR1 перестав розсіювати світло в тепло, має пройти кілька годин.
Для рослин, звичайно, важливіше відреагувати на надлишок сонячної енергії, щоб їм від нього не стало погано, і вони легко нехтують тим, що через повільне перемикання в зворотну сторону знижується ефективність фотосинтезу.
Однак якщо мова йде про сільськогосподарські культури, то тут перед нами з'являється можливість прискорити приріст біомаси, модифікувавши фотозахисних систему. Так, в минулому році ми писали про те, як покращили фотосинтез рослин тютюну, але в тій роботі цього вдалося домогтися, пересадивши тютюну додаткові гени, що регулюють фотозащіту.
Знаючи, як працює сам білок LHCSR1, можна вдосконалити його власну структуру, щоб він не тільки швидко включався, але і швидко вимикався, підвищуючи активність фотосинтезу.
Джерело: Наука и жизнь (nkj.ru)