Växter är mycket effektiva när det gäller att förvandla fotoner till elektroner. Men transporten av dessa elektroner är en kaotisk process, Forskare vid University of Groningen har upptäckt. De använde molekylär dynamik för att visualisera hur fotosystem II fungerar och publicerade sina resultat den 10 maj Naturkommunikation .

Växter och vissa bakterier använder fotosystem II (PSII) -komplexet för att omvandla fotoner till fria elektroner, som transporteras av molekylen plastokinon till nästa steg i kedjan. Efter flera steg, dessa elektroner används för att producera den universella energibäraren för celler, ATP. Men det som var okänt är hur plastokinon kommer in och lämnar PSII -komplexet för att utföra sin viktiga uppgift.

Massivt block

"PSII:s struktur var redan känd. Baserat på denna statiska struktur, det blev slutsatsen att det finns två kanaler genom vilka plastokinon kommer in och lämnar, "förklarar Siewert-Jan Marrink, professor i molekylär dynamik vid universitetet i Groningen. "Men det visar sig att det inte är så enkelt." Marrink, hans doktorsexamen studenten Floris van Eerden och deras kollegor använde molekylär dynamik för att studera interaktionen mellan PSII och plastokinon. Detta innebar att modellera det enorma PSII -komplexet, som består av flera proteiner och andra associerade molekyler i ett enormt datorkluster och beräknar interaktionerna mellan de olika delarna.

Floris van Eerden gjorde det mesta av modelleringen. "Det tog ungefär två år att få allt att fungera, "förklarar han. Han modellerade inte bara komplexet, men också lipidmembranet i vilket det är satt som en del av kloroplasterna. I början, resultaten såg inte lovande ut. "PSII är mycket stabil, så det bara sitter där som ett fast block, "säger Van Eerden. Men genom att titta mer i detalj, en mer dynamisk bild dök upp - särskilt plastokinonmolekylerna visade sig vara mycket rörliga. "I sitt oreducerade tillstånd, utan de extra elektronerna, plastokinon kom in i PSII -komplexet och stannade i 'utbyteshålan, 'där det band. Och efter att den hade tagit upp elektroner, det lämnade denna webbplats. "

Lantbruk

Överraskningen var det till synes okoordinerade sättet på vilket det sker. "Tanken på fältet var att det fanns två kanaler genom vilka plastokinon kunde passera - en skulle vara ingången, den andra utgången, "säger Marrink. Som det visade sig, det fanns tre kanaler, som alla kan användas för att komma in eller lämna komplexet. "Naturen visade sig vara mindre ordnad än vi hade antagit."

Alla plastokinonmolekyler i membranet skulle snabbt komma in i PSII -komplexet, men kan lämna det igen utan elektroner, eller sväva runt i komplexet en stund innan du slutligen binder in i utbyteshålan, där den kan acceptera elektroner. Marrink säger, "Allt domineras av entropi."

Fortfarande, hela processen med att omvandla en fångad foton till en elektron, som sedan flyttas genom rörledningen för att producera den universella cellulära energibäraren ATP är extremt effektiv. Mer än konstgjorda solcellsanläggningar. Kanske kan vi lära oss något av naturen. Och jordbruket kan på sikt dra nytta av de nya insikterna om hur PSII fungerar. "Många herbicider verkar på detta system, "säger Van Eerden. Men överlag det avslöjar lite av den otroliga komplexiteten i systemet som väcker forskarna. "Det är verkligen fantastiskt, "avslutar Marrink.