Hvorfor fotosyntetiske organismer utviklet seg til å ha dimeric reaksjon sentre

0
17

Eksitasjon energi overføring ekstrautstyr tenkt å kompensere for reduksjon i kostnad overføring effektivitet av å gå fra monomers å dimers

Gamle fotosyntetiske reaksjon sentre for konvertering av lysenergi til kjemisk energi var monomeric. Moderne fotosyntetiske reaksjon sentre, imidlertid, er alle dimeric. Nå har forskere i Australia har skissert seks mulige forklaringer på denne evolusjonære bytte og har konkludert med at den mest sannsynlige grunnen er at dimeric strukturer forbedret reaksjon sentrum er exciton – og charge-transfer evner.

Fotosyntetiske reaksjon sentre er protein–pigment komplekser som konverterer solenergi energien fra sollyset til kjemisk energi gjennom en prosess som kalles lade separasjon. De finnes som dimers, noe som betyr at de har to monomer underenhetene som fungerer sammen. To klorofyll molekyler kjent som den spesielle par, som fungerer som en exciton godkjenner og lade donor, bli med de to monomers.

Kilde: © Ivan Kassal/University of Sydney

Tidlig reaksjon sentre dimerised og helt fortrengt sine forfedre monomeric

Milliarder av år siden, den forfedre av disse komplekser eksistert som enkle enheter, men ingen har kommet opp med en avgjørende grunn for denne endringen. “Alle fotosyntetiske reaksjon sentre er dimeric i arkitekturen, både på protein nivå og på kofaktor nivå, hvor et tett sammen pigment dimer er i hjertet av komplekset, forklarer Robert Blankenship, som studerer hvordan fotosyntesen har utviklet seg ved Washington University i St. Louis, USA. ‘Evolusjonære og funksjonelle årsaker til dette dimeric arkitektur har lenge vært diskutert og har vist seg vanskelig å forstå.’

Nå, Natasha Taylor og Ivan Kassal, fra University of Queensland og University of Sydney, henholdsvis, har taklet den langvarige spørsmål: hvorfor er fotosyntetiske reaksjon sentre dimeric? ‘Strukturen av reaksjon sentre ble først løst i 1980-årene, en prestasjon anerkjent med en nobelprisen i 1988, og vi har lært mye om hvordan de fungerer siden da, forklarer Kassal. “Men, formålet med dimerism, og av den sterke koplingen innenfor spesielle par, har vært et viktig spørsmål siden begynnelsen.’

De foreslår seks evolusjonære forklaringer for reaksjon sentrum dimerisation:

Forklaring 1
Dimerisation oppstått tilfeldig. Denne forklaringen er usannsynlig, da disse slags endringer er svært lite sannsynlig å overleve i den store organismen bestander.

Forklaring 2
Dimerisation servert en strukturell formål bare. Men denne forklaringen ikke forklare den sterke spesiell par kopling som er viktig for reaksjon sentrum funksjonalitet.

Forklaring 3
Dimerisation ment at reaksjonen sentrum kunne ha to quinones, molekyler som hjelpemiddel i overføring av elektroner i reaksjonen sentrum. Imidlertid, overføre mellom quinones er en evolusjonær nytt fenomen og ikke forklare hvorfor de gamle reaksjon sentrum trengs for å bli en dimer.

Forklaring 4
Dimerisation tillatt organismen til å absorbere lengre bølgelengder av lys i spesielle par, noe som betyr at den kan overleve i omgivelser der andre organismer ble høsting kortere bølgelengder av lys for å overleve. Dette kan imidlertid ikke forklare hvorfor monomeric reaksjon sentre ble utryddet, så ikke mye av fotosyntetiske organismer krever lengre bølgelengder av lys for å overleve. Derfor ville det ikke være noe press for organismen å utvikle sin reaksjon sentrum å ha en dimer struktur, i dette tilfellet.

Forklaringen 5
Dimerisation ført til en økt redoks-potensialet i kombinert spesiell par, noe som forbedret electron overføring. Men de gamle reaksjon sentrum var ikke oxygenic, og ikke trenger en høy redox-potensiale. Det var derfor mindre grunn for reaksjonen sentrum til å bli en dimer, i dette tilfellet.

Forklaring 6
Dimerisation forbedret en av reaksjonen senterets viktigste funksjoner, enten som en exciton godkjenner eller som en kostnad separator. Denne forbedrede reaksjonen centre effektivitet. Dette ser ut til å være den mest sannsynlige forklaringen.

Selv om de første fem forklaringer kan ikke helt utelukkes, kan de ikke forklare hvorfor reaksjon sentrene utviklet seg til å bli dimeric og hvorfor de har overlevd for milliarder av år, mens monomeric versjoner døde ut. “Dette igjen forklaring 6, som var at dimerism forbedret en av de grunnleggende funksjonene i reaksjonen sentrum, enten akseptere exciton eller kjøre lade separasjon, forklarer Kassal.

Taylor og Kassal deretter analysert forklaring 6 videre. De tok en moderne reaksjon sentrum og utviklet en modell for den sannsynlige utviklingen hendelse som resulterte i dimer struktur. Dimerisation kunne ha økt reaksjon centre effektivitet med 50%, som vist fra modellen. Dette resultatet betyr forklaring 6 er en sannsynlig årsak til reaksjonen sentrene blir dimeric.

Den evolusjonære og funksjonelle årsaker til dette dimeric arkitektur har vist seg vanskelig å forstå

Dimitrios Pantazis, en ekspert på naturlig og kunstig fotosyntetiske systemer ved Max Planck-Instituttet for Kull Forskning, Tyskland, støtter forklaring 6. “Vi har praktisk talt ingen direkte informasjon om tidlig utvikling av fotosyntesen, og dette spørsmålet kan aldri få et endelig svar – eller en som tilfredsstiller alle – men Taylor og Kassal analyse uten tvil gir en veldig overbevisende forklaring. Analysen poeng fullt og fast til styrking av eksitasjon energioverføring som en evolusjonær forklaring, som mer enn kompenserer for en reduksjon i kostnad overføring effektivitet.’

Taylor og Kassal er nå å stille ytterligere spørsmål. “Kan våre forklaringer være eksperimentelt testet? Kan vi være mer presis om rekonstruksjon av den opprinnelige dimerisation event? Hvordan og hvorfor gjorde dimerisation og delocalisation utvikle seg etter den opprinnelige dimerisation hendelsen, og hva kan de si om funksjonen til dagens reaksjon sentre?’ De håper å få flere svar i lyset.

Referanser

Denne artikkelen er åpen tilgang

N Taylor og jeg Kassal, Kem. Sci., 2019, DOI: 10.1039/c9sc03712h

Alistair Shearer