Molekylær dynamik-simuleringer afslører kaos i elektrontransport

Planter er meget effektive til at omdanne fotoner til elektroner. Men transporten af ​​disse elektroner er en kaotisk proces, Det har forskere fra University of Groningen opdaget. De brugte molekylær dynamik til at visualisere virkemåden af ​​fotosystem II og offentliggjorde deres resultater den 10. maj i Naturkommunikation .

Planter og nogle bakterier bruger fotosystem II (PSII) komplekset til at omdanne fotoner til frie elektroner, som transporteres af molekylet plastoquinon til næste trin i kæden. Efter flere trin, disse elektroner bruges til at producere den universelle energibærer af celler, ATP. Men hvad der var ukendt er, hvordan plastoquinon kommer ind og forlader PSII-komplekset for at udføre sin vitale opgave.

Solid blok

"Strukturen af ​​PSII var allerede kendt. Baseret på denne statiske struktur, det blev udledt, at der er to kanaler, hvorigennem plastoquinon kommer ind og forlader, " forklarer Siewert-Jan Marrink, professor i molekylær dynamik ved universitetet i Groningen. "Men det viser sig, at det ikke er så enkelt." Marrink, hans ph.d. studerende Floris van Eerden og deres kolleger brugte molekylær dynamik til at studere interaktionen mellem PSII og plastoquinon. Dette betød modellering af det enorme PSII-kompleks, som består af flere proteiner og andre associerede molekyler i en enorm computerklynge og beregner de forskellige deles interaktioner.

Floris van Eerden stod for det meste af modelleringen. "Det tog omkring to år at få alt op at køre, " forklarer han. Han modellerede ikke kun komplekset, men også lipidmembranen, hvori den er sat som en del af kloroplasterne. I første omgang, resultaterne så ikke lovende ud. "PSII er meget stabil, så den sidder bare der som en solid blok, " siger Van Eerden. Men ved at se mere detaljeret, et mere dynamisk billede dukkede op - især plastoquinonmolekylerne viste sig at være meget mobile. "I sin ikke-reducerede tilstand, uden de ekstra elektroner, plastoquinon kom ind i PSII-komplekset og forblev i udvekslingshulrummet, 'hvor det bandt. Og efter at den havde opfanget elektroner, det forlod dette websted."

Landbrug

Overraskelsen var den tilsyneladende ukoordinerede måde, det sker på. "Idéen i feltet var, at der var to kanaler, som plastoquinon kunne passere igennem - den ene ville være indgangen, den anden udgangen, " siger Marrink. Som det viste sig, der var tre kanaler, som alle kunne bruges til at komme ind eller ud af komplekset. "Naturen viste sig at være mindre velordnet, end vi havde antaget."

Ethvert plastoquinon-molekyle i membranen ville hurtigt komme ind i PSII-komplekset, men kan forlade det igen uden elektroner, eller svæv rundt inde i komplekset i et stykke tid, før de endelig binder sig i udvekslingshulrummet, hvor den kunne acceptere elektroner. Marrink siger, "Det hele er meget domineret af entropi."

Stadig, hele processen med at omdanne en fanget foton til en elektron, som derefter flyttes gennem rørledningen for at producere den universelle cellulære energibærer ATP er ekstremt effektiv. Mere end menneskeskabte solcelleanlæg. Måske kan vi lære noget af naturen. Og landbruget kan i det lange løb drage fordel af den nye indsigt i, hvordan PSII fungerer. "Mange herbicider virker på dette system, " siger Van Eerden. Men overordnet set, det er ved at optrevle lidt af systemets ærefrygtindgydende kompleksitet, der begejstrer forskerne. "Det er virkelig fantastisk, " slutter Marrink.