Ученые полагали, что в фотосинтезе энергия полученная хлорофиллом прямо передаётся в два реакционных центра, где происходит расщепление воды. Оказалось сотни молекул хлорофилла накапливают энергию, а в реакционные центры она попадает не целенаправленно, а случайно..
a Расположение пигментов C₂S₂M₂-типа PSII-SC, адаптированное на основе структуры, представленной Su et al. (PDB: 5XNL). b Обозначение белковых субъединиц. Цвета субъединиц соответствуют цветам на рисунке (a), где субъединицы DI (CP43, CP26 и S-LHCII) показаны зеленым цветом, субъединицы D2 (CP47, CP29, CP24 и M-LHCII) — синим и фиолетовым, а RCs — красным. Черная пунктирная линия обозначает разделение между двумя мономерами PSII, при этом верхний и нижний мономеры обозначены как Мономер 1 и 2 соответственно. Желтые звезды обозначают места начальных возбуждений, обсуждаемых в основном тексте. RC: реакционный центр. S-A: S-LHCII (A), S-B: S-LHCII (B), S-C: S-LHCII (C), M-A: M-LHCII (A), M-B: M-LHCII (B), M-C: M-LHCII (C). Цитирование: Shiun-Jr Yang et al, Design principles for energy transfer in the photosystem II supercomplex from kinetic transition networks, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53138-zАвтор: Shiun-Jr Yang et al Источник: www.nature.com
Гениальная стратегия: пусть энергия «поблуждает»
Прямая передача была бы эффективней, но разрушительной. Если света слишком много, вся его избыточная мощь обрушится на реакционный центр, повредив хрупкий молекулярный механизм.
Процесс происходит в две фазы:
Времена сжатия популяции для каждого начального возбуждения в суперкомплексе PSII C₂S₂-типа, когда (A) оба RCs открыты и (B) RC мономера 2 (нижнего) закрыт, в проекции на базис узлов. Состояние с переносом заряда расположено между Chl_D1 и Pheo_D1 в RC. Цитирование: Johanna L. Hall et al, Entropy is an important design principle in the photosystem II supercomplex, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2426331122Автор: Johanna L. Hall et al Источник: www.pnas.org
Как ученым удалось подсмотреть за природой?
Чтобы разглядеть столь тонкие процессы, потребовались не менее изощренные инструменты. Проблема заключалась в том, как отследить движение энергии в «море» из сотен практически одинаковых молекул хлорофилла. Это все равно что пытаться проследить за одним конкретным человеком в плотной толпе, где все одеты одинаково.
Решением стала передовая технология — двумерная электронно-колебательная спектроскопия. Этот метод позволил ученым с невероятным разрешением увидеть, какая именно молекула в какой момент времени «загорается», передавая энергетическую эстафету. Совместив эти данные с компьютерным моделированием, исследователи смогли построить детальную карту энергетических потоков и подтвердить свою гипотезу о двухфазном процессе. Они даже измерили, что энергия способна путешествовать по всему гигантскому комплексу и даже перескакивать между двумя реакционными центрами, что обеспечивает системе еще большую адаптивность.
Суперкомплекс PSII-LHCII C₂S₂-типа и экситон-экситонная аннигиляция (EEA). (a) Схематическая иллюстрация EEA. (b) Схематическая иллюстрация нелинейного отклика высшего порядка. Желтые стрелки представляют оптические переходы, а красные стрелки указывают на EEA. Двухэкситонная аннигиляция описывается константой скорости k_A. Трехэкситонная аннигиляция описывается константой скорости k_A^(3->2). Трехэкситонной аннигиляцией в нашем исследовании можно пренебречь. Серые полосы, обозначенные как PP^(n), указывают на нелинейные сигналы, необходимые для достижения одно- и многоэкситонных состояний. (c) Расположение пигментов суперкомплекса C₂S₂ (PDB: 3JCU).²⁷ (d) Линейный спектр поглощения суперкомплекса C₂S₂ при 77 К. Цитирование: Kunyan Zhang et al, Probing exciton diffusion dynamics in photosynthetic supercomplexes via exciton-exciton annihilation, The Journal of Chemical Physics (2025). DOI: 10.1063/5.0251771Автор: Kunyan Zhang et al Источник: pubs.aip.org
