Надлишок фотонів включає в клітинах рослин і зелених водоростей спеціальний фотозахисний білок, що захищає їх від «сонячних опіків».
Надлишок сонячного світла шкодить рослинам так само, як і всім живим організмам, і, щоб захиститися від опіків, у рослин і водоростей є свій сонцезахисний механізм.
Як ми знаємо, сонячну енергію ловить пігмент хлорофіл: світло вибиває електрон з молекули пігменту, і цей електрон починає подорож складним ланцюгом молекул-переносників.
Перекидання електрона з молекули на молекулу дає енергію, необхідну для перетворення вуглекислого газу на вуглеводи (кисень же є побічним продуктом реакції). Однак якщо на хлорофіл приходить занадто багато світла, він перевізляється і робиться небезпечний: такий хлорофіл генерує активні форми кисню, що пошкоджують біомолекули та органи клітини - іншими словами, починається окислювальний стрес.
Щоб такого не сталося, в клітинах рослин і зелених водоростей є складний білковий комплекс LHCSR1 (light-harvesting complex stress-related 1 - світлособираючий стресовий комплекс 1). Його відкрили кілька років тому, і до останнього часу про нього відомо було тільки те, що він сидить у мембранах хлоропластів, взаємодіє з хлорофіллом і каротиноїдами (які теж можуть поглинати світло), і що у LHCSR1 йде зовсім небагато часу, від декількох секунд до декількох хвилин, щоб увійти в сонцезахисний режим. Але як саме він це робить, вдалося дізнатися тільки зараз.
Дослідники з Массачусетського технологічного інституту разом з колегами з Веронського університету за допомогою спеціального методу мікроскопії зуміли поспостерігати за перетвореннями одного-єдиного LHCSR1 в умовах різної освітленості. Як і у всякого білка, у LHCSR1 є певна просторова форма, і поліпептидні ланцюги, що утворюють білковий комплекс, покладені так, щоб перемикатися між двома функціональними станами.
У статті в Nature Chemistry йдеться, що в тіні світлозахисний комплекс передає всі фотони, які до нього приходять, далі, на фотосинтетичний апарат. Коли ж сонце виходить через туч, тривимірний «портрет» LHCSR1 змінюється майже миттєво. Але змінюється він не безпосередньо через надлишок фотонів.
Під час реакцій фотосинтезу молекули води Н2О розщеплюються з утворенням іонів водню Н +. Коли світла стає багато, система фотосинтезу працює активніше, і іонів водню стає багато. Середовище навколо комплексу LHCSR1 стає занадто кислим, що, в свою чергу, впливає на взаємодії амінокислот в його поліпептидних ланцюгах - і в підсумку різні частини комплексу зсуваються один відносно одного. І ось у такому новому стані LHCSR1 перетворює енергію світла на тепло - хоча подробиці того, як він це робить, ще не цілком зрозумілі
. Фотозахисний стан забезпечує ще й фермент, який теж реагує на підвищення кислотності і змінює структуру каротиноїдів, що взаємодіють з LHCSR1. Тобто LHCSR1 і сам через кислотність переходить у потрібний стан, і ще каротиноїди його в цьому підтримують
. Головне, що тут вдалося показати - як у білка виходить так швидко перемикатися зі звичайного стану у фотозахисне; і тут, звичайно, не можна було обійтися без розгадування особливостей його молекулярної структури. Зворотний перехід, до речі, відбувається вже не так швидко: щоб LHCSR1 перестав розсіювати світло в тепло, має пройти кілька годин
. Для рослин, звичайно, важливіше відреагувати на надлишок сонячної енергії, щоб їм від нього не стало погано, і вони легко нехтують тим, що через повільне перемикання у зворотний бік знижується ефективність фотосинтезу
. Однак якщо мова йде про сільськогосподарські культури, то тут перед нами з'являється можливість прискорити приріст біомаси, модифікувавши фотозахисну систему. Так, минулого року ми писали про те, як поліпшили фотосинтез рослинам тютюну, але в тій роботі цього вдалося домогтися, пересадивши тютюну додаткові гени, що регулюють фотозахист
. Знаючи, як працює сам білок LHCSR1, можна вдосконалити його власну структуру, щоб він не тільки швидко включався, але і швидко вимикався, підвищуючи активність фотосинтезу.