超高速分光法は、光合成におけるエネルギー分布を確認するのに役立ちます

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超高速分光法は、光合成におけるエネルギー分布を確認するのに役立ちます
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Anonim
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光収穫複合体II三量体

アメリカとイタリアの科学者は、緑の植物の細胞で発生するプロセスと同様に、人工膜内の光収穫複合体によるエネルギー再分配のメカニズムを調査しました。プロセスは2つのパスに沿って進行することが判明しました。そのうちの1つはすでに以前に提案されていましたが、実験的に初めて確認されました。研究成果はネイチャーコミュニケーションズに掲載されています。

緑の植物では、太陽エネルギーから化学結合の形成エネルギーへの移行は、複雑な連鎖反応によって起こります。これには、アンテナタンパク質のネットワークが含まれています。膜内の光収穫複合体は、光を吸収して反応中心に送り、そこで電荷差が形成され、光合成反応が引き起こされます。タンパク質ネットワークは、変化する照明条件に適応して、ラジカルなどの光化学反応の有害な生成物の形成を防ぐこともできます。

光が多すぎると、システムは余分なエネルギーを放散するように調整し、それを熱に変換します。このプロセスは、非光化学的消光と呼ばれます。各光収穫複合体では、透過、エネルギーの再分配、有害な分子の形成の経路に沿って、いくつかの光物理的プロセスが発生します。タンパク質のコンフォメーション(空間内の分子の原子の相互配置)の変化に伴い、これら3つのプロセスの範囲と効率が変化します。このような複合体のネットワーク全体が光合成に関与しているという事実を考慮すると、エネルギーの移動とその再分配のバランス、およびそれらのメカニズムを決定することは困難な作業です。

アンテナは、植物の主(クロロフィル)と補助(カロテノイド)の光変換色素のネットワークを接続します。これらの間の電子的相互作用は、化学反応を開始するために使用され、再分配されるエネルギーの高速で効率的な伝達を提供します。

緑の植物では、主なアンテナはいわゆる光収穫複合体II(CCKII)であり、その光物理学は多くの研究がなされてきました。コンフォメーションの変化に伴い、複合体はエネルギー再分配の状態に移行すると想定されます。原子の相互位置は化合物が存在する環境に影響されるため、このようなコンフォメーション変化を研究することは非常に困難です。個々のアンテナのエネルギー変換の光物理的経路を決定することは不可能であり、レーザー放射でシステムに影響を与えようとすると、干渉するアーティファクトが出現します。

マサチューセッツ工科大学のMinjungSonらは、非常に高感度の超高速ブロードバンド2次元電子分光法を使用して、膜ディスク(ナノディスク)内のCCKIIの光物理プロセスを研究しました。研究者らは、タンパク質ネットワークとは関係なく、自然界に見られる環境を模倣して、二重脂質層からディスクに目的のタンパク質を配置しました。

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研究された集光複合体における光物理的プロセスに対する環境の影響の概略図。曲線の矢印は、カロテノイド(赤)とクロロフィル(緑)のエネルギーレベル間のエネルギーの移動を示しています。波線は、カロテノイドの非放射遷移を示しています。矢印の太さは、それぞれのプロセスの相対的な効率を示しています。

実験により、著者はエネルギー分布の2つの方法を特徴づけることができました。そのうちの1つである、基底状態のクロロフィルから最初の励起状態のカロテノイドへのサブピコ秒のエネルギー遷移は、科学者によって初めて実験的に確認されました。複合体が配置された環境(膜または界面活性剤)に応じて、さまざまなプロセスが支配的でした。

著者によると、新しいデータは、光防護におけるエネルギー再分配メカニズムの役割のより良い理解を提供するでしょう。エネルギー分布は、おそらくクエンチされたコンフォメーションのレベルの人口の増加のために、膜内で強化されます。これは、次に、プロセスのコンフォメーションとダイナミクス、そしてその結果として、緑の植物の光合成の装置によって実行される機能、つまりエネルギーの変換または再分配に対する環境の決定的な影響を証明します。

3年前、イタリアの科学者たちは、人工原始細胞の胆汁層に配置された紅色細菌の光合成装置を人工的に再現することに成功しました。

自然界の太陽エネルギーの変換は、植物やバクテリアだけでなく発生する可能性があります。昨年、科学者たちは無機系に電流が発生することを発見しました。

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