طرح Z: فتوسیستم‌های ۱ و ۲ چگونه آب را تجزیه کرده و نیروی زیست‌کره را تامین می‌کنند

در سال ۱۹۶۰، بیوشیمی‌دانانی به نام‌های رابرت هیل و فی بندال مقاله‌ای در نشریه نیچر منتشر کردند که در آن سطوح انرژی حامل‌های الکترون در کلروپلاست‌ها روی یک نمودار ترسیم شده بود. آن‌ها متوجه شدند که این توالی یک شکل زیگزاگ و مشخص «Z» را تشکیل می‌دهد. با این مشاهده، آن‌ها پیشنهاد کردند که گیاهان از یک موتور واحد برای جمع‌آوری نور استفاده نمی‌کنند، بلکه دو فتوسیستم مجزا به صورت پشت‌سرهم کار می‌کنند تا الکترون‌ها را برخلاف شیب ترمودینامیکی‌شان به سمت بالا برانند.[3]

این مدل نظری که امروزه در همه جا با نام طرح Z شناخته می‌شود، یک مشکل بنیادین در ترمودینامیک زیستی را حل کرد. تجزیه یک مولکول آب به مقدار عظیمی انرژی نیاز دارد؛ به طور دقیق، یک پتانسیل اکسایش ۰.۸۲+ ولت در پی‌اچ ۷. در همین حال، احیای دی‌اکسید کربن به قندها نیازمند الکترون‌هایی با قدرت احیاکنندگی بالا است. هیچ فوتون منفردی از نور مرئی انرژی کافی برای انجام همزمان هر دو کار را ندارد.

راه‌حلی که طبیعت در طول ۲.۴ میلیارد سال تکامل به آن دست یافت، یک موتور مولکولی دوزمانه است. فتوسیستم ۲ (PSII) یک فوتون را جذب کرده و از انرژی آن برای جدا کردن الکترون‌ها از آب استفاده می‌کند که در نتیجه آن اکسیژن به عنوان محصول جانبی آزاد می‌شود. این الکترون‌ها سپس به یک زنجیره انتقال الکترون منتقل می‌شوند، مقداری انرژی از دست می‌دهند اما یک شیب پروتونی ایجاد می‌کنند و در نهایت به فتوسیستم ۱ (PSI) می‌رسند.[2]

در فتوسیستم ۱، فوتون دوم جذب می‌شود و الکترون را دوباره تا سطحی انرژی می‌بخشد که برای احیای NADP+ به NADPH کافی باشد. این مولکول، به همراه آدنوزین تری‌فسفات (ATP) که توسط شیب پروتونی تولید شده است، ارز شیمیایی لازم برای تثبیت دی‌اکسید کربن به قندهای جامد در طول چرخه کالوین را فراهم می‌کند.[3]

معماری فیزیکی فتوسیستم ۲ شاهکاری از مهندسی مولکولی است. در هسته آن، کمپلکس تولیدکننده اکسیژن (OEC) قرار دارد؛ یک خوشه پیچیده از چهار اتم منگنز و یک اتم کلسیم که توسط پل‌های اکسیژنی در کنار هم نگه داشته شده‌اند.[4]

هنگامی که یک فوتون به آنتن گیرنده نور در فتوسیستم ۲ برخورد می‌کند، انرژی به یک جفت کلروفیل تخصصی به نام P۶۸۰ هدایت می‌شود که نام آن از قله جذبش در ۶۸۰ نانومتر گرفته شده است. این برانگیختگی یک الکترون را به بیرون پرتاب می‌کند و P۶۸۰ را به +P۶۸۰ تبدیل می‌کند؛ قوی‌ترین عامل اکسیدکننده بیولوژیکی شناخته شده برای علم که دارای پتانسیل ردوکس حدود ۱.۲+ ولت است.[2]

+P۶۸۰ چنان تشنه الکترون است که می‌تواند الکترون‌ها را از مولکول‌های پایدار آب جدا کند. کمپلکس تولیدکننده اکسیژن مانند یک خازن بیولوژیکی عمل می‌کند و با دریافت چهار ضربه متوالی فوتون، چهار بار مثبت را در خود جمع می‌کند تا اینکه در نهایت دو مولکول آب را تجزیه کرده و چهار پروتون و دقیقاً یک مولکول گاز اکسیژن آزاد می‌کند.[1]

مکانیسم دقیق آزادسازی این پروتون‌ها با استفاده از لیزرهای الکترون آزاد اشعه ایکس (XFEL) نقشه‌برداری شده است که تصاویری در مقیاس فمتوثانیه از عملکرد این کمپلکس پروتئینی ثبت می‌کنند. این تصاویر با وضوح بالا نشان می‌دهند که چگونه مولکول‌های آب به سمت جایگاه کاتالیزوری هدایت می‌شوند و چگونه پروتون‌ها از طریق کانال‌های پروتئینی اختصاصی و پوشیده از آب به بیرون منتقل می‌شوند.[4]

الکترون پس از خروج از فتوسیستم ۲، مستقیماً به فتوسیستم ۱ نمی‌رود. بلکه به یک مولکول حامل متحرک و محلول در چربی به نام پلاستوکینون تحویل داده می‌شود که آن را از عرض غشای تیلاکوئید عبور داده و به کمپلکس سیتوکروم b۶f می‌رساند.

همانطور که الکترون از کمپلکس سیتوکروم b۶f عبور می‌کند، بخشی از انرژی آن برای پمپ کردن پروتون‌های بیشتر از عرض غشا به داخل لومن تیلاکوئید استفاده می‌شود. این فرآیند یک شیب الکتروشیمیایی تند ایجاد می‌کند؛ مخزنی از انرژی پتانسیل که شبیه به آب جمع‌شده در پشت یک سد برق‌آبی است.[3]

پروتون‌ها از طریق آنزیمی به نام ATP سنتاز به سمت دیگر غشا برمی‌گردند و به طور فیزیکی یک توربین مولکولی را با سرعت ۱۳۰ دور در ثانیه می‌چرخانند تا ADP را به ATP تبدیل کنند. این فرآیند که به عنوان فتوفسفوریلاسیون شناخته می‌شود، انرژی جنبشی خام مورد نیاز برای واکنش‌های تاریکی تثبیت کربن را تامین می‌کند.

در همین حال، الکترون که اکنون انرژی اولیه خود را از دست داده است، از طریق یک حامل متحرک دیگر که پروتئینی مس‌دار به نام پلاستوسیانین است، به فتوسیستم ۱ می‌رسد. در اینجا، الکترون در یک جفت کلروفیل دیگر به نام P۷۰۰ منتظر برخورد فوتون دوم می‌ماند.[3]

جذب نور توسط فتوسیستم ۱، الکترون را دوباره برانگیخته می‌کند و آن را به حالت انرژی حتی بالاتری نسبت به قبل می‌رساند و به پتانسیل ردوکس حدود ۱.۲- ولت دست می‌یابد. این جهش دوم بسیار حیاتی است؛ بدون آن، الکترون فاقد پتانسیل احیاکنندگی لازم برای پیشبرد تشکیل NADPH خواهد بود.

الکترون انرژی‌گرفته از طریق مجموعه‌ای از خوشه‌های آهن-گوگرد به فردوکسین و در نهایت به آنزیم فردوکسین-NADP+ ردوکتاز منتقل می‌شود. این آنزیم مرحله نهایی واکنش‌های نوری را کاتالیز کرده و NADPH مورد نیاز برای چرخه کالوین را تولید می‌کند.[3]

طرح Z صرفاً یک شگفتی بیولوژیکی نیست؛ بلکه گلوگاه ترمودینامیکی کل زیست‌کره است. هر اتم کربن در هر موجود زنده و هر مولکول اکسیژن در جو، از این مسیر فتوسیستم دوگانه عبور کرده است.

پژوهشگران در موسسه تبدیل انرژی شیمیایی ماکس پلانک در حال مطالعه طرح Z برای طراحی سیستم‌های فتوسنتز مصنوعی هستند. آن‌ها امیدوارند با تقلید از کمپلکس تولیدکننده اکسیژن، کاتالیزورهای کارآمدی برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن با استفاده از نور خورشید توسعه دهند.

پژوهشگران ماکس پلانک خاطرنشان می‌کنند: «تجزیه آب در فتوسنتز به عنوان الهام‌بخش نهایی برای حامل‌های انرژی تجدیدپذیر عمل می‌کند.» آن‌ها تاکید دارند که درک اصول بنیادین تجزیه بیولوژیکی آب برای توسعه تولید سوخت مصنوعی و خورشیدی ضروری است.

سیستم طبیعی با بازده کوانتومی نزدیک به ۱۰۰ درصد عمل می‌کند، به این معنی که تقریباً هر فوتون جذب‌شده منجر به انتقال یک الکترون می‌شود. با این حال، بازده کلی تبدیل انرژی از نور خورشید به زیست‌توده بسیار کمتر است که دلیل عمده آن تلفات ترمودینامیکی تعبیه‌شده در طرح Z برای تضمین جریان یک‌طرفه الکترون است.[2][5]

اگر سیستم‌های مصنوعی بتوانند آرایش فضایی دقیق و تنظیم ردوکس فتوسیستم‌های ۱ و ۲ را شبیه‌سازی کنند، می‌توانند نقشه‌ای برای تولید سوخت هیدروژنی پاک و تجدیدپذیر در مقیاس جهانی ارائه دهند و از ناکارآمدی‌های رشد بیولوژیکی عبور کنند.

با این وجود، مکانیسم طبیعی به مراتب پیچیده‌تر از هر آنالوگ مصنوعی است. داربست‌های پروتئینی فتوسیستم‌های ۱ و ۲ به طور مداوم توسط همان انرژی نوری که جمع‌آوری می‌کنند آسیب می‌بینند و برای حفظ عملکرد خود نیازمند یک چرخه مداوم تخریب و ترمیم هستند؛ به ویژه پروتئین D۱ در فتوسیستم ۲ که در نور شدید خورشید تقریباً هر ۳۰ دقیقه یک‌بار جایگزین می‌شود.[2]

درک توالی دقیق انتقال پروتون و الکترون در طرح Z، پنجره‌ای به سوی جهش تکاملی باز می‌کند که زمین را از یک صخره بی‌هوازی به سیاره‌ای پر جنب‌وجوش و غنی از اکسیژن تبدیل کرد. این واکنش همچنان پیامددارترین واکنش شیمیایی در تاریخ حیات است.[4]