Nya scener i ”filmen” om hur växter gör syre
En grupp internationella forskare har spårat hur molekyler och elektroner rör sig under fotosyntesen. Närmare bestämt när proteinkomplexet fotosystem II förbereder sig för att producera syre.
Fotosystem II är ett proteinkomplex som i växter, alger och cyanobakterier katalyserar det första steget i fotosyntesen: ljusdriven vattenspjälkning. I efterföljande steg använder organismerna elektroner och protoner som produceras i denna process för att bygga högenergimolekyler som är viktiga för deras tillväxt. Som sidoprodukt produceras genom vattenspjälkningen det syre vi andas in. Detaljerad kunskap om hur denna mekanism fungerar är också mycket viktig för utvecklingen av solkraftsdrivna lösningar för hållbar bränsleproduktion.
Fotosyntes är den process där levande organismer omvandlar koldioxid och vatten till syre och druvsocker, med hjälp av solljuset som energikälla. Fotosyntesen sker i särskilda strukturer, kloroplaster, som innehåller klorofyllmolekyler, i växtcellerna.
Energin från solen tas om hand och lagras i kemiska bindningar i en rad ljusreaktioner, som i stort går ut på att flytta omkring elektroner i klorofyllmolekylerna. Några led i reaktionerna sker i olika reaktionscentrum, fotosystem II och fotosystem I.
Källa: Wikipedia
Vattenspjälkning i fotosystem II sker vid ett metallcentrum som kallas det syreutvecklande komplexet. Detta komplex rör sig genom fyra stabila oxidationstillstånd kända som S0-, S1-, S2– och S3-tillstånd. Varje övergång drivs av ljus, som drar en elektron ur det syreutvecklande komplexet. Så småningom, i S3-tillståndet, är energin tillräckligt hög för att nästa ljusglimt får syreatomerna från två vattenmolekyler att gå ihop och producera molekylärt syre.
Avslöjar övergången till syrgas
– Om vi tänker oss systemet som en råttfälla representerar S3-tillståndet, den sista stabila mellanprodukten innan syre frisläpps, det laddade ögonblick där fällan är redo att slå igen när en mus kommer in. När det gäller fotosystem II väntar vi på att en foton ska ta ut en elektron så att syre-syrebindningen kan bildas. Vår artikel beskriver övergången från S2– till S3-tillståndet, det vill säga att vi ser hur råttfällan är riggad, säger Casper de Lichtenberg, doktorand vid Umeå universitet och gästdoktorand vid Uppsala universitet.
Den internationella forskargruppen har använt en kombination av röntgendiffraktion och röntgenstrålningsspektroskopi för att ta ögonblicksbilder och visualisera de strukturella och elektroniska förändringar som sker i det katalytiska centrumet medan ”råttfällan” laddas.
Ögonblick i en molekylär film
– Med dessa experiment tar vi vetenskapen från en statisk bild till en dynamisk serie rörelser, ungefär som i en molekylär film. Här ser vi hur systemet reagerar bara 50 mikrosekunder efter att fotonen har absorberats i S2-tillståndet och vi följer övergången hela vägen till S3-tillståndet vid kritiska tidpunkter, säger Johannes Messinger, professor vid Uppsala universitet och gästprofessor vid Umeå universitet.
Genom denna serie ögonblicksbilder kan man se hur en vattenmolekyl införlivas som en bro mellan en kalciumjon och en manganjon i det syreutvecklande komplexet. Det är möjligt att vattnet deltar i den efterföljande bildningen av syre-syrebindningar.
Men hur levereras vattnet till det syreutvecklande komplexet? Fotosystem II innehåller tre kanaler fyllda med vatten. Dessa leder till det syreutvecklande komplexet, men det är inte klart vilken som tillhandahåller vattnet för vattenspjälkningsreaktionen.
Hittat viktigaste vattenkanalen
– I våra experiment kunde vi avslöja rörelserna i vattnet i endast en av dessa kanaler, vilket tyder på att den tillhandahåller den viktigaste vägen för vatten att ta sig in, säger Johannes Messinger.
Nästa steg i forskningen är att kartlägga övergången mellan S3 och S0 med tillräckligt mycket detaljer för att forskarna ska kunna se hur molekylärt syre bildas från två vattenmolekyler.
– Helst skulle vi så småningom vilja ha tillräckligt med data för att visa en film över hela reaktionscykeln, där viktiga händelser kan ses när fotoner absorberas och så småningom när syre släpps. Sådan detaljerad information skulle lära oss mycket om den här livsuppehållande processen och förhoppningsvis tjäna som en plan för hur man kan bygga effektiva vattenspjälkande katalysatorer från element som finns gott om på jorden i framtiden, säger Johannes Messinger.
Fotnot:
Forskningssamarbetet inkluderar forskare från Humboldt-universitetet i Berlin och universitetet i Heidelberg i Tyskland; Lawrence Berkeley National Laboratory och SLAC National Accelerator Laboratory, University of California, Berkeley och San Francisco i USA; Diamond Light Source och Rutherford Appleton Laboratory i Storbritannien; och Japan Synchrotron Radiation Research Institute och RIKEN SPring-8 Center i Japan.
Vetenskaplig artikel:
Untangling the Sequence of Events During the S2 →S3 Transition in Photosystem II and Implications for the Water Oxidation Mechanism. (M. Ibrahim m.fl.) Proceedings of the National Academy of Sciences, maj 2020
Kontakt:
Johannes Messinger, professor vid Uppsala universitet och gästprofessor vid Umeå universitet, johannes.messinger@kemi.uu.se
Casper de Lichtenberg, doktorand vid Umeå universitet och gästdoktorand vid Uppsala universitet, casper.de.lichtenberg@umu.se
