Химики из Калифорнийского Технологического Института и Национальной Лаборатории Лоуренса Беркли уверены, что раскрыли одну из непознанных тайн фотосинтеза, биохимического процесса, с помощью которого растения превращают углекислый газ и воду в углеводы и кислород. Результаты исследования позволяют говорить о перспективе разработки нового типа катализатора, расщепляющего воду на водород и кислород в процессе искусственного фотосинтеза.

Руководитель группы исследователей, получивших новые результаты, Теодор Агапи (Theodor Agapie) отмечает, что если у кого-то есть желание создать системы искусственного фотосинтеза, важно понять, как функционирует природная фотосинтетическая система.

Рис. 1. На иллюстрации показан металлический кластер, полученный
в группе Агапи после детального исследования фотосистемы II, комплекса
белков, способствующего протеканию фотосинтеза в листьях зеленых
растений. (Рисунок из Nature Chemistry, 2013; 5 (4): 293 DOI: 10.1038/nchem.1578).

Одним из ключевых элементов бимолекулярной системы, благодаря которой протекает процесс фотосинтеза, является конгломерация белков и пигментов, известная как фотосистема II. Ядром фотосистемы II является кислород-выделяющий комплекс – низкомолекулярный кластер, на котором происходит расщепление воды и выделение кислорода.

Несмотря на то, что процесс выделения кислорода всегда был предметом интенсивного изучения, роль некоторых элементов кластера в этом процессе до настоящего времени оставалась неясной.

Кислород-выделяющий комплекс способствует окислительно-восстановительной реакции, протекающей с переносом электронов. Ядром этого комплекса является смешанный металлический кластер – в его состав входит два металла, один из которых проявляет оксилительно-восстановительные свойства (марганец), а другой, характеризуясь в соединениях постоянной степенью окисления, не может участвовать в окислительно-восстановительном процессе (кальций). Агапи отмечает, что

инертность кальция к окислительно-восстановительным процессам заставляла ученых думать о том, какую роль этот металл играет в фотосинтетической системе.

Найти ответ на эту загадку было непростым делом главным образом из-за того, что кислород-выделяющий комплекс представляет собой лишь элемент в более сложной молекулярной машине фотосистемы II – довольно сложно изучать маленький кусок более сложной системы, не поняв того, как она работает в целом.

Чтобы обойти эти сложности исследователи из группы Агапи получили серию соединений, близких по строению к кислород-выделяющим комплексам. В полученных металлоорганических комплексах содержалось три атома марганца и атом еще одного металла – получив модельные соединения, в которых в качестве четвертого, окислительно-восстановительно инертного металла были кальций, стронций, натрий, иттрий и цинк, исследователи изучали их химические свойства.

Оказалось, что металлы, не проявляющие окислительно-восстановительной активности, влияют на то, как в подобных системах переносятся потоки электронов. Для получения молекулярного кислорода атомы марганца должны активировать входящие в состав комплекса атомы кислорода, для чего на первом этапе этого процесса с центров марганца должно уйти несколько электронов, а металлы, не проявляющие окислительно-восстановительной активности, более прочно связанные с кислородом, чем марганец, осложняют протекание этого процесса для марганца.

Однако в отличие от всех металлов, кластеры с которыми были получены, кальций не оттягивает электроны в значительной степени и позволяет марганцу окислять кислород воды с образованием молекулы дикислорода.