Warum photosynthetischen Organismen entwickelt haben, Dimere Reaktions-Zentren

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Anregungsenergie-transfer-Erweiterungen gedacht, um Ausgleich für die Senkung der charge-transfer-Effizienz von Monomeren zu Dimeren

Alte photosynthetischen reaktionszentren für die Umwandlung von Lichtenergie in Chemische Energie wurden Monomere. Moderne photosynthetischen reaktionszentren, jedoch sind alle Dimere. Nun, Wissenschaftler in Australien haben skizzierte sechs mögliche Erklärungen für dieses evolutionäre wechseln und haben festgestellt, dass der plausibelste Grund ist, dass die Dimere Strukturen verbessert die Reaktion Zentrums Exzitonen – und ladungstransfer-Fähigkeiten.

Photosynthetische reaktionszentren sind protein–pigment-komplexe, die Sonnenenergie aus dem Sonnenlicht in Chemische Energie durch einen Prozess namens Ladungstrennung. Sie existieren als Dimere, das heißt, Sie haben zwei monomer-Untereinheiten, die zusammen funktionieren. Zwei chlorophyll-Moleküle, bekannt als die Besondere paar, das als Exziton Akzeptor und die Bezahlung der Spender, die Verknüpfung der beiden Monomere.

Quelle: © Ivan Kassal/University of Sydney

Frühzeitige Reaktion Zentren dimerised und völlig verdrängt Ihre Monomere Vorfahren

Vor Milliarden von Jahren, die Vorfahren dieser komplexe Bestand als einzelne Einheiten, aber niemand hat kommen mit einer endgültigen Grund für diese änderung. “Alle photosynthetischen Reaktion Zentren sind die Dimere in der Architektur, sowohl auf der Ebene der Proteine und der an der Cofaktor-Ebene, wo ein eng gekoppelt pigment-dimer ist das Herzstück der Anlage”, erklärt Robert Blankenship, die untersucht, wie sich die Photosynthese entwickelt hat, an der Washington University in St. Louis, USA. “Die evolutionäre und funktionelle Gründe für diese Dimer-Architektur haben lange diskutiert und haben sich als schwer zu verstehen.’

Nun, Natasha Taylor und Ivan Kassal, von der University of Queensland und der University of Sydney, bzw. angepackt haben, die lang andauernde Frage: warum sind die photosynthetischen reaktionszentren Dimer? “Die Struktur der reaktionszentren wurde zunächst gelöst, die in den 1980er Jahren, eine Leistung anerkannt, die mit einem Nobelpreis im Jahr 1988, und wir haben viel gelernt darüber, wie Sie funktionieren, da dann”, erklärt Kassal. ‘Aber der Zweck der dimerism, und die starke Kopplung innerhalb des special pair, wurde eine wichtige Frage, denn der Anfang’.

Sie schlagen sechs evolutionäre Erklärungen für die Reaktion Zentrum dimerisierung:

Erklärung 1
Dimerisierung trat zufällig. Diese Erklärung ist unwahrscheinlich, da diese Art von änderungen sehr unwahrscheinlich sind, um zu überleben in den großen Organismus, der Populationen.

Erklärung 2
Dimerisierung serviert einen strukturellen Zweck. Aber diese Erklärung erklärt nicht die starken special pair Kupplung ist wichtig für die Reaktion-Center-Funktionalität.

Erklärung 3
Dimerisierung gemeint, dass die Reaktion Zentrum haben könnte, zwei Chinone, Moleküle, die Hilfe in der übertragung von Elektronen in der Reaktion entfernt. Jedoch, transfer zwischen chinonen ist ein evolutionär neues Phänomen, und nicht erklären, warum die Vorfahren Reaktion-Zentrum notwendig, um ein dimer.

Erklärung 4
Dimerisierung erlaubt, den Organismus zu absorbieren, die längeren Wellenlängen des Lichts innerhalb des special pair, was bedeutet, es könnte überleben in Umgebungen, in denen andere Organismen waren Ernte kürzere Wellenlängen des Lichts, um zu überleben. Dies jedoch erklärt nicht, warum die Monomeren reaktionszentren ausgestorben, wie nicht viele von photosynthetischen Organismen erfordern mehr Wellenlängen des Lichts, um zu überleben. Daher gäbe es keine Belastung für den Organismus zu entwickeln, seine Reaktion-Zentrum, das eine dimer-Struktur, in diesem Fall.

Erklärung 5
Dimerisierung führte zu einer erhöhten redox-potential in den gekoppelten speziellen pair-Mädchen werden, die eine verbesserte Elektron-transfer. Allerdings, die angestammten reaktionszentrums wurde nicht sauerstoffhaltiges, und nicht brauchen ein hohes redox-potential. Also, es war weniger ein Grund für die Reaktion Zentrum zu einem dimer, in diesem Fall.

Erklärung 6
Dimerisierung verbesserte Version des reaktionszentrums die wichtigsten Funktionen, die entweder als ein Exziton Akzeptor oder als charge separator. Dies verbessert die Reaktion Zentrums Effizienz. Dies scheint die wahrscheinlichste Erklärung.

Obwohl die ersten fünf Erklärungen nicht vollständig ausgeschlossen werden, Sie nicht erklären, warum die Reaktion Zentren entwickelt zu werden, Dimere und warum haben Sie überlebt seit Millionen Jahren, während die Monomer-Versionen gestorben. ‘Diese Links Erklärung 6, die war, dass die dimerism verbessert eine der grundlegenden Funktionen des reaktionszentrums, entweder die Annahme der Exziton oder fahren die Ladungstrennung”, erklärt Kassal.

Taylor und Kassal dann analysiert Erläuterung 6 weiter. Sie nahm eine moderne reaktionszentrums, und entwickelt ein Modell für die evolution plausibel Ereignis, das führte in der dimer-Struktur. Dimerisierung könnte eine erhöhte Reaktion Zentrum Wirkungsgrad von 50%, wie gezeigt, aus dem Modell. Dieses Ergebnis bedeutet, Erläuterung 6 ist der wahrscheinlichste Grund für reaktionszentren immer dimeres.

Die evolutionäre und funktionelle Gründe für diese Dimer-Architektur haben sich als schwer zu verstehen

Dimitrios Pantazis, ein Experte für Natürliche und künstliche photosynthetische Systeme am Max-Planck-Institut für Kohlen-Forschung, Deutschland, unterstützt die Erklärung 6. “Wir haben praktisch keine direkten Informationen über die frühe evolution der Photosynthese, und diese Frage kann nie eine definitive Antwort – oder man erfüllt, dass jeder – aber Taylor und Kassal die Analyse, die wohl eine sehr überzeugende Erklärung. Die Analyse der Punkte fest, um die Verbesserung von Anregungsenergie-transfer als eine evolutionäre Erklärung, die mehr als kompensiert, ein Rückgang der charge-transfer-Effizienz.’

Taylor und Kassal sind jetzt gefragt, weitere Fragen. “Kann unsere Erklärungen experimentell geprüft werden? Können wir Sie genauer über die Rekonstruktion des ur-dimerisierung Veranstaltung? Wie und warum hast dimerisierung und entortung zu entwickeln, die nach dem original-dimerisierung Fall, und was können Sie sagen über die Funktion der heutigen reaktionszentren?’ Sie hoffen, um mehr Antworten zu Licht.

Referenzen

Dieser Artikel ist open access

N Taylor und ich Kassal, Chem. Sci., 2019, DOI: 10.1039/c9sc03712h

Alistair Shearer