Shkencëtarët në IISc dhe Caltech kanë thyer një enigmë në zemër të fotosintezës: pse rrjedha jetike e elektroneve fillon vetëm përmes njërës anë të një kompleksi proteinash krejtësisht simetrik. Kredia: SciTechDaily.com
Nga> SciTechDaily> By Indian Institute of Science (IISc): Scientists Solve Decades-Old Photosynthesis Mystery1
Shkencëtarët kanë zbuluar pse një pjesë kritike e fotosintezës përdor vetëm një nga dy rrugët në dukje identike, duke zbuluar barrierat e fshehura të energjisë dhe nuancat strukturore që mund të ndihmojnë në inxhinierinë e sistemeve artificiale më efikase.
Shkencëtarët nga Instituti Indian i Shkencave (IISc) dhe Instituti i Teknologjisë në Kaliforni (Caltech) kanë zbuluar arsyen e një misteri të gjatë në fazat e hershme të fotosintezës. Ky proces natyror jetik u mundëson bimëve, algave dhe baktereve të caktuara të shfrytëzojnë rrezet e diellit, duke gjeneruar oksigjen dhe duke ruajtur energji në formë kimike.
Studiuesit zbuluan pse një hap vendimtar në transferimin e energjisë, veçanërisht lëvizja e elektroneve, ndodh vetëm përmes njërës anë të një kompleksi proteina-pigment që fillon fotosintezën. Gjetjet e tyre janë botuar në Proceedings of the National Academy of Sciences.
Megjithëse fotosinteza është studiuar gjerësisht, shumë aspekte të saj mbeten të paqarta. Procesi përfshin një zinxhir kompleks të transferimeve të elektroneve midis molekulave të pigmentit dhe shpejtësia dhe kompleksiteti i tij strukturor e bëjnë të vështirë të kuptohet plotësisht. Për më tepër, ndryshime të vogla në mënyrën se si organizma të ndryshëm kryejnë fotosintezën shtojnë sfidën. Fitimi i njohurive më të thella mbi këta mekanizma mund të mbështesë zhvillimin e teknologjive të avancuara si gjethet artificiale dhe qelizat e karburantit që përsërisin aftësinë e natyrës për të kthyer rrezet e diellit në energji të përdorshme.
Fotosistemi II: Platforma e nisjes së fotosintezës
Në shumicën e organizmave, një kompleks proteina-pigment i quajtur Photosystem II (PSII) fillon fotosintezën duke bllokuar energjinë nga rrezet e diellit dhe duke ndarë ujin, duke siguruar molekula oksigjeni dhe duke furnizuar elektrone që transportohen në proteinat dhe molekulat e mëvonshme.
PSII përmban dy krahë identikë, të quajtur D1 dhe D2, rreth të cilave janë rregulluar në mënyrë simetrike katër molekula klorofili dhe dy feofitina – pigmente të lidhura me klorofilin. Këto krahë janë gjithashtu të lidhura me molekulat bartëse të elektroneve të quajtura plastokinone. Elektronet rrjedhin fillimisht nga klorofili në feofitinë, pastaj nga feofitina në plastokinon.
Por studimet kanë treguar se elektronet duket se rrjedhin vetëm përgjatë D1 – një mister që ka hutuar studiuesit për një kohë të gjatë. “Pavarësisht simetrisë strukturore midis degëve të proteinave D1 dhe D2 në PSII, vetëm dega D1 është funksionalisht aktive,” thotë Aditya Kumar Mandal, autor i parë dhe student i doktoraturës në Departamentin e Fizikës, IISc.
Harta e peizazhit të energjisë
Në këtë studim, studiuesit përdorën një kombinim të simulimeve të dinamikës molekulare, llogaritjeve mekanike kuantike dhe teorisë Marcus (një kornizë fituese e çmimit Nobel për transferimin e elektroneve) për të hartuar peizazhin e energjisë për lëvizjen e elektroneve në të dyja degët. “Ne vlerësuam efikasitetin e transferimit të elektroneve hap pas hapi përmes degëve D1 dhe D2,” thotë Shubham Basera, student i doktoraturës në Departamentin e Fizikës dhe një nga autorët.
Ekipi zbuloi se dega D2 ka një pengesë shumë më të lartë energjie, gjë që e bën transportin e elektroneve energjikisht të pafavorshëm. Në mënyrë të veçantë, transferimi i elektroneve nga feofitina në plastokinon në D2 kërkon dy herë më shumë energji aktivizimi se D1 – një pengesë që elektronet duket se nuk mund ta kapërcejnë, duke parandaluar rrjedhjen e energjisë përpara.
Studiuesit simuluan gjithashtu karakteristikat e tensionit aktual të të dyja degëve dhe zbuluan se rezistenca kundër lëvizjes së elektroneve në D2 ishte dy renda madhësie më e lartë se ajo në D1.
Fotosinteza e ardhshme inxhinierike
Asimetria në rrjedhën e elektroneve mund të ndikohet gjithashtu nga dallimet delikate në mjedisin e proteinave rreth PSII dhe mënyra se si pigmentet janë të ngulitura në të, sugjerojnë studiuesit. Për shembull, pigmenti i klorofilit në D1 ka një gjendje ngacmimi me një energji më të ulët se homologu i tij D2, duke sugjeruar se pigmenti D1 ka një shans më të mirë për të tërhequr dhe transferuar elektrone.
Studiuesit sugjerojnë gjithashtu se ndryshimi i disa prej këtyre komponentëve mund të rrisë ose rilidhë rrjedhën e elektroneve nëpër PSII. Për shembull, shkëmbimi i klorofilit dhe feofitinës në D2 mund të kapërcejë bllokun e elektroneve, sepse klorofili ka nevojë për energji më të ulët aktivizimi sesa feofitina.
“Hulumtimi ynë paraqet një hap të rëndësishëm përpara në të kuptuarit e fotosintezës natyrore,” thotë Prabal K Maiti, profesor në Departamentin e Fizikës dhe një nga autorët përkatës të studimit. “Këto gjetje mund të ndihmojnë në hartimin e sistemeve efikase fotosintetike artificiale të afta për të shndërruar energjinë diellore në lëndë djegëse kimike, duke kontribuar në zgjidhje inovative dhe të qëndrueshme të energjisë së rinovueshme.”
Ky është një kombinim i bukur i teorisë në nivele të ndryshme për të adresuar një problem të gjatë që kulmon në një nivel të ri të të kuptuarit, por ende duke lënë misteret për t’u sfiduar, thotë Bill Goddard, profesor në Caltech dhe një nga autorët përkatës.
Referencë: “Zbulimi i bllokadës së transportit të ngarkesave në degën D2 të qendrës së reaksionit të fotosistemit II” nga Aditya Kumar Mandal, Shubham Basera, William A. Goddard dhe Prabal K. Maiti, 8 korrik 2025, Punimet e Akademisë Kombëtare të Shkencave.
DOI: 10.1073/pnas.2405023122 (2)
Financimi: Fondacioni Kombëtar i Kërkimeve Anusandhan (ANRF), Indi
Mos humbisni kurrë një përparim: Bashkohuni me buletinin SciTechDaily.
–
Reference
