Кислород из воды: как растения собирают его по кирпичику экспресс
В каждом листе, на свету, работает фабрика, которая разбирает воду на кислород и водород. Кислород уходит в воздух, которым мы дышим, а водород растение использует для еды. Сердце этой фабрики — белковый комплекс с четырьмя атомами марганца и одним атомом кальция. Именно там вода теряет электроны и превращается в кислород.
Долго не могли понять, как два атома кислорода, которые раньше были в разных молекулах воды, оказываются рядом и соединяются. Новая работа предлагает такой сценарий. Один атом кислорода (назовём его О3) приходит из молекулы воды и садится рядом с марганцем. Второй атом (О6) белок уже держит наготове. Когда приходит свет, электроны перескакивают, и атомы сближаются. Связь между ними образуется, как застёжка-молния: две половинки сходятся, и зубчики цепляются друг за друга.
Такой путь соединения оказывается энергетически выгоднее, чем тот, что считали основным раньше. Вместо того чтобы ждать, пока два атома кислорода сами найдут друг друга в тесной комнате, белок подводит один из них к нужному месту и держит, пока не придёт второй. Это похоже на сборку мебели: сначала кладёшь деталь в паз, потом прикручиваешь вторую.
Понимание этого механизма важно для создания искусственных систем, которые будут делать кислород или чистое топливо из воды и солнечного света. Если мы научимся повторять этот трюк, то сможем строить фабрики, похожие на лист, но ещё эффективнее.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2601.14273
Light driven oxygen formation in Photosystem II protein is a fundamental process that sustains our biosphere and serves as a blue print to future clean energy solutions due to its high energy conversion efficiency. Last decade of intense research by advanced physical techniques delivered new insights on the structure and function of the Mn4CaO5 cluster a center of the oxygen evolving complex (OEC). However, discrepancies in experimental observations and computational models persist impeding the understanding of the O-O bond formation and the role of the protein environment in the process. Here we show that i) assignment of the OEC unique oxygen O3 ligated by histidine (His337) via dynamic H-bond as a slow exchanging substrate and ii) its coupling with O6 oxygen generated at Mn1 in the S2 to S3 transition give the O-O bond formation mechanism most consistent with all currently available experimental data. Proposal shows how protein environment can steer the O-O bond formation by charge control via H-bond and open coordination of Mn1. Obtained O3-O6 peroxide is at lower energy than peroxides in the most studied O5-O6 bond formation pathway. His337 appears to be similar to distal His in globins used for management of the O2 and H2O2 intermediates. The new mechanism breaks the prior impasse and will undoubtedly invigorate future detailed studies uncovering its further details.
Каждый год растения производят около 300 миллиардов тонн кислорода. Это примерно вес всех людей на Земле, умноженный на 40.