رفتن به محتوای اصلی
کوهستان
بررسی عمیق کوهستانفتوسنتزتشریح مکانیسم· 6 دقیقه مطالعه· در علم

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

گیاهان از طریق یک توالی دقیق از انتقال الکترون که به عنوان طرح Z شناخته می‌شود، انرژی فوتون‌ها را برای تجزیه مولکول‌های آب و ساخت بنیان‌های کربنی حیات مهار می‌کنند. این مکانیسم دوگانه، ضمن جلوگیری از نابودی سلول توسط واسطه‌های به شدت واکنش‌پذیر، انرژی کافی برای حفظ شبکه غذایی جهانی را به دام می‌اندازد.

به قلم فرشید جمشیدی

به‌طور خلاصه

  • طرح Z توضیح می‌دهد که چگونه گیاهان از دو فتوسیستم مجزا برای جذب انرژی نور، تجزیه آب و تثبیت کربن استفاده می‌کنند.
  • فتوسیستم ۲ از انرژی فوتون برای جدا کردن الکترون‌ها از آب استفاده می‌کند و ضمن آزادسازی اکسیژن، یک شیب پروتونی ایجاد می‌کند.
  • فتوسیستم ۱ فوتون دومی را جذب می‌کند تا دوباره به الکترون انرژی ببخشد و قدرت احیاکنندگی لازم برای ساخت قندها را فراهم کند.

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]

طرح Z سفر انرژی یک الکترون را در حالی که توسط دو فوتون جداگانه برانگیخته می‌شود، ترسیم می‌کند.

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]

کمپلکس تولیدکننده اکسیژن به عنوان یک خازن بیولوژیکی عمل می‌کند و قبل از تجزیه آب، چهار بار مثبت را در خود جمع می‌کند.

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]

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.

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.

هیچ فوتون منفردی از نور مرئی انرژی کافی برای تجزیه آب و احیای کربن را به طور همزمان ندارد، که این امر رویکرد دو سیستمی را ضروری می‌سازد.

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]

اصطلاحات کلیدی

فتوسیستم ۲ (PSII)
اولین کمپلکس پروتئینی در واکنش‌های وابسته به نور در فتوسنتز که مسئول جذب نور و تجزیه آب است.
فتوسیستم ۱ (PSI)
دومین کمپلکس پروتئینی در زنجیره انتقال الکترون فتوسنتزی که فوتون دوم را جذب می‌کند تا الکترون‌ها را به سطح انرژی مورد نیاز برای تشکیل NADPH برساند.
کمپلکس تولیدکننده اکسیژن (OEC)
خوشه فلزی خاصی در درون فتوسیستم ۲ که اکسایش آب به گاز اکسیژن و پروتون‌ها را کاتالیز می‌کند.
پتانسیل ردوکس
معیاری از تمایل یک مولکول برای به دست آوردن الکترون و در نتیجه احیا شدن؛ این معیار برای ردیابی جریان انرژی در طرح Z بسیار مهم است.
ATP سنتاز
آنزیمی که از جریان پروتون‌ها در عرض یک غشا برای چرخش فیزیکی و تولید ATP، که ارز انرژی اولیه سلول است، استفاده می‌کند.

پرسش‌های متداول

چرا به آن طرح Z می‌گویند؟

این نام‌گذاری به دلیل شکل «Z» است که وقتی حامل‌های الکترون در فتوسیستم‌های ۱ و ۲ بر اساس سطوح انرژی ترمودینامیکی (پتانسیل‌های ردوکس) روی یک نمودار ترسیم می‌شوند، ظاهر می‌گردد.

چرا گیاهان به جای یک فتوسیستم به دو فتوسیستم نیاز دارند؟

تجزیه آب به مقدار عظیمی انرژی نیاز دارد و احیای کربن نیازمند الکترون‌هایی با انرژی بالا است. یک فوتون منفرد از نور مرئی انرژی کافی برای انجام هر دو کار را ندارد، بنابراین گیاهان از دو فتوسیستم به صورت متوالی استفاده می‌کنند تا به الکترون دو جهش انرژی مجزا بدهند.

کمپلکس تولیدکننده اکسیژن چیست؟

این یک خوشه متشکل از چهار اتم منگنز و یک اتم کلسیم در درون فتوسیستم ۲ است که الکترون‌ها را از مولکول‌های آب جدا کرده و گاز اکسیژن و پروتون‌ها را به عنوان محصولات جانبی آزاد می‌کند.

این موضوع چه ارتباطی با انرژی‌های تجدیدپذیر دارد؟

دانشمندان در حال مطالعه ساختار اتمی کمپلکس تولیدکننده اکسیژن هستند تا کاتالیزورهای مصنوعی طراحی کنند که بتوانند با استفاده از نور خورشید، آب را به طور کارآمد به سوخت هیدروژنی تجزیه کنند.

بررسی عمیق دیدگاه‌ها

زیست‌شناسان ساختاری

تمرکز بر نقشه‌برداری از آرایش اتمی کمپلکس تولیدکننده اکسیژن و ردیابی آزادسازی پروتون با استفاده از کریستالوگرافی اشعه ایکس.

برای زیست‌شناسان ساختاری، طرح Z یک معمای هندسه اتمی است. کمپلکس تولیدکننده اکسیژن (OEC) در درون فتوسیستم ۲ تنها کاتالیزور بیولوژیکی شناخته شده‌ای است که قادر به اکسید کردن آب است. با استفاده از لیزرهای الکترون آزاد اشعه ایکس (XFEL)، پژوهشگران می‌توانند تصاویری در مقیاس فمتوثانیه از OEC در حین عبور از چهار حالت اکسایش خود (چرخه کوک) ثبت کنند. این تصاویر نه تنها موقعیت اتم‌های منگنز و کلسیم، بلکه مسیرهای دقیقی را که از طریق آن‌ها مولکول‌های آب وارد جایگاه فعال شده و پروتون‌ها به بیرون منتقل می‌شوند، آشکار می‌کنند. درک این رقص اتمی برای توضیح اینکه چگونه این آنزیم از نابودی داربست پروتئینی اطراف توسط واسطه‌های اکسیژنی به شدت واکنش‌پذیر جلوگیری می‌کند، ضروری است.

پژوهشگران انرژی‌های تجدیدپذیر

نگاه به طرح Z به عنوان یک نقشه راه ترمودینامیکی برای طراحی کاتالیزورهای مصنوعی جهت تولید سوخت هیدروژنی پاک.

پژوهشگران حوزه انرژی به طرح Z نگاه می‌کنند و ماشین نهایی تجزیه آب با انرژی خورشیدی را می‌بینند. در حالی که الکترولایزرهای تجاری برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن نیازمند ورودی الکتریکی قابل توجهی هستند، گیاهان این کار را تنها با استفاده از نور محیطی خورشید و فلزات فراوان در زمین مانند منگنز و کلسیم انجام می‌دهند. شیمی‌دانان با مطالعه تنظیم ردوکس و سینتیک انتقال الکترون در فتوسیستم‌های ۱ و ۲، قصد دارند سیستم‌های فتوسنتز مصنوعی طراحی کنند. اگر کاتالیزورهای مصنوعی بتوانند کارایی و جریان یک‌طرفه الکترون در طرح Z طبیعی را شبیه‌سازی کنند، این امر می‌تواند روشی مقیاس‌پذیر در سطح جهانی برای تولید سوخت هیدروژنی پاک مستقیماً از انرژی خورشیدی را باز کند و نیاز به تولید واسطه‌ای برق را دور بزند.

بیوشیمی‌دانان تکاملی

مطالعه اینکه چگونه جفت شدن دو فتوسیستم مجزا به سیانوباکتری‌های اولیه اجازه داد تا از آب به عنوان یک اهداکننده فراوان الکترون استفاده کنند.

از منظر تکاملی، ظهور طرح Z دگرگون‌کننده‌ترین رویداد در تاریخ زمین بود. ارگانیسم‌های فتوسنتزکننده اولیه تنها به یک فتوسیستم متکی بودند و از مولکول‌هایی مانند سولفید هیدروژن به عنوان اهداکننده الکترون استفاده می‌کردند که این امر گستره اکولوژیکی آن‌ها را به شدت محدود می‌کرد. نوآوری تکاملی جفت کردن دو فتوسیستم به صورت متوالی، انرژی ترکیبی کافی برای جدا کردن الکترون‌ها از آب را فراهم کرد؛ منبعی که استفاده از آن بسیار دشوارتر اما در همه جا فراوان بود. این پیشرفت توسط سیانوباکتری‌های باستانی، جو را غرق در گاز سمی اکسیژن کرد، رویداد بزرگ اکسیژنی را رقم زد، گونه‌های بی‌هوازی بی‌شماری را از بین برد و در نهایت راه را برای تکامل حیات پیچیده و تنفس‌کننده اکسیژن هموار کرد.

زیست‌شناسان ساختاری 40%پژوهشگران انرژی‌های تجدیدپذیر 35%بیوشیمی‌دانان تکاملی 25%
زیست‌شناسان ساختاری
تمرکز بر نقشه‌برداری از آرایش اتمی کمپلکس تولیدکننده اکسیژن و ردیابی آزادسازی پروتون با استفاده از کریستالوگرافی اشعه ایکس.
پژوهشگران انرژی‌های تجدیدپذیر
نگاه به طرح Z به عنوان یک نقشه راه ترمودینامیکی برای طراحی کاتالیزورهای مصنوعی جهت تولید سوخت هیدروژنی پاک.
بیوشیمی‌دانان تکاملی
مطالعه اینکه چگونه جفت شدن دو فتوسیستم مجزا به سیانوباکتری‌های اولیه اجازه داد تا از آب به عنوان یک اهداکننده فراوان الکترون استفاده کنند.

دیدگاه‌هایی که این گزارش پوشش نداده

  • متخصصان ژنتیک کشاورزی که بر بهینه‌سازی عملکرد محصول تمرکز دارند

منابع

پوشش منابع

5 منبع

3 دیدگاه شناسایی‌شده

زیست‌شناسان ساختاری 40%پژوهشگران انرژی‌های تجدیدپذیر 35%بیوشیمی‌دانان تکاملی 25%
  1. [1]PNASزیست‌شناسان ساختاری

    Mechanism of proton release during water oxidation in Photosystem II

    مطالعه در PNAS →
  2. [2]Annual Review of Plant Biologyبیوشیمی‌دانان تکاملی

    The Structure of Photosystem II and the Mechanism of Water Oxidation in Photosynthesis

    مطالعه در Annual Review of Plant Biology →
  3. [3]University of Illinois at Urbana-Champaignبیوشیمی‌دانان تکاملی

    Photosynthesis and the "Z"-scheme

    مطالعه در University of Illinois at Urbana-Champaign →
  4. [4]Annual Review of Biochemistryزیست‌شناسان ساختاری

    Current Understanding of the Mechanism of Water Oxidation in Photosystem II and Its Relation to XFEL Data

    مطالعه در Annual Review of Biochemistry →
  5. [5]تیم سردبیری کوهستان

    تحلیل تیم سردبیری کوهستان

    مطالعه در تیم سردبیری کوهستان →

نظرات

همیشه در جریان باشید

هر زاویه. هر روز.

اخبار علم با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاه‌ها، هر روز و رایگان.