Jak vzniká „dirigent“ fotosyntetického přenosu elektronů?

Při fotosyntéze se transformuje světelná energie na energii chemickou, ukládanou do sloučenin bohatých na energii (makroergických). Děj probíhá v tylakoidech, zelených membránových váčcích uvnitř chloroplastů (Vesmír 98, 518, 2019/9 a 99, 616, 2020/11). V chlorofylproteinovém komplexu zvaném fotosystém dva probíhá fotolýza vody a uvolňování kyslíku. Uvolněné elektrony jsou odtud transportovány do fotosystému jedna, protony se hromadí v lumen tylakoidu. V centru reakcí oxygenní fotosyntézy, závislých na světle, leží komplex cytochromů zvaný cytochrom b₆f (cytb₆f), který propojuje oba fotosystémy pomocí oxidace a redukce „dálkových“ přenašečů elektronů, plastochinonu a plastocyaninu. Cytochromy jsou proteiny vázané na membrány. Obsahují hemovou skupinu s iontem železa, který se při přenosu elektronu reverzibilně redukuje a oxiduje (viz obr.).

Cytb₆f je velmi složitý proteinový komplex v tylakoidní membráně. Reguluje zastoupení lineárního a cyklického přenosu elektronů při fotosyntéze podle toho, jak se mění kvantita a kvalita slunečního záření. Jako redoxní senzor fotosyntetického aparátu se účastní také regulace exprese genů důležitých pro fotosyntézu. Je proto možným cílem genového inženýrství, usilujícího o zvýšení rostlinné produkce. Stejně jako ostatní komplexy fotosyntetického přenosu elektronů je to „nanostrojek“ nepatrných rozměrů. Tloušťka lipidové membrány, do níž je zabudován, je asi sedm nanometrů, tedy sedm miliontin milimetru.

Výsledkem přenosu elektronů a protonů při fotosyntéze je gradient koncentrace protonů, který umožňuje vznik NADPH (redukovaného nikotinamidadenindinukleotidfosfátu) a ATP (adenosintrifosfátu), makroergických látek potřebných pro fixaci oxidu uhličitého. Statisticky je pro vznik jedné molekuly ATP potřeba přenést 4,7 protonu.Kresba Vesmír, podle Malone L. A. et al.: BBA – Bioenergetics, 2021, DOI: 10.1016/j.bbabio.2021.148380

Dosud bylo málo známo o tom, jak cytb₆f, tento „dirigent“ fotosyntetického přenosu elektronů, v chloroplastech vzniká. Nyní víme, že počátek jeho skládání zprostředkuje protein DEIP1, vázaný na tylakoidní membrány. Jeho název, DE-ETIOLATION-INDUCED PROTEIN 1, ukazuje na jeho úlohu při zelenání neboli deetiolaci děložních listů. Je nezbytný pro fotoautotrofní růst rostlin. DEIP1 interaguje s podjednotkami komplexu cytb₆f, cytochromem f a cytochromem b₆, což jsou proteiny kódované chloroplastovou DNA. Cytb₆f obsahuje řadu dalších podjednotek a výsledně je to dimer složený ze dvou identických monomerů. V poznání, jak se tento klíčový komplex tvoří, jsme ovšem na počátku.

Sandoval-Ibáňez O. et al.: Nature Communications, 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-31758-7