تمكن باحثون إسرائيليون من فك رموز أحد التركيبين البروتينيين اللذين تتم فيهما عملية التمثيل الضوئي في النباتات

هذه هي الطريقة التي يتم بها بناء النظام الذي يتيح الحياة على الأرض

24.12.2003
بواسطة: ماريت سيلفين

[
هيكل "نظام الضوء الأول". البروتينات عبارة عن سلاسل خضراء وأرجوانية، وجزيئاتها تقريبًا

Lurophyll هي الكرات مرتبة في دوائر صغيرة. التصوير: البروفيسور فيليكس فرولوف

أحد أهم الأنظمة لاستمرار الحياة على الأرض هو النظام الذي يقوم بعملية التمثيل الضوئي. وفي عملية التمثيل الضوئي، تمتص النباتات الخضراء ثاني أكسيد الكربون من الهواء وتستخدم طاقة الشمس لإنتاج السكر منه. وتتحول الطاقة الشمسية التي تمتصها النباتات إلى طاقة كيميائية تخزن داخل جزيئات السكر، وفي العمليات المعقدة التي تجري في النبات تتشكل معظم المواد التي تشكل اللبنات الأساسية للخلية الحية. وخلال هذه العملية، يتم إطلاق الأكسجين في الهواء، وهو المصدر الرئيسي للتنفس للكائنات الحية على الأرض.

إن النباتات الخضراء والطحالب وبعض البكتيريا هي الوحيدة في الطبيعة القادرة على القيام بعملية التمثيل الضوئي وإطلاق الأكسجين، وعليها يعتمد في الواقع وجود معظم أشكال الحياة على الكوكب. هيكلان بروتينيان ضخمان مسؤولان عن تنفيذ العملية.
وقد تم الآن فك رموز التركيب الجزيئي لأحد هذين التركيبين لأول مرة من قبل فريق من الباحثين من جامعة تل أبيب، وتم نشره قبل أسبوع في مجلة "الطبيعة".

المسؤولة عن امتصاص طاقة الشمس وبدء عملية التمثيل الضوئي هي جزيئات الكلوروفيل الموجودة في أوراق النباتات الخضراء، داخل عضية صغيرة تسمى البلاستيدات الخضراء (الجسم الأخضر). ويعتقد العلماء أن البلاستيدات الخضراء تطورت من بكتيريا توغلت قبل نحو 3 مليارات سنة في خلايا طفت في المحيطات، في وقت كان فيه الغلاف الجوي فقيرا بالأكسجين وبالتالي لم يكن من الممكن تطور أشكال الحياة المتطورة.

في الخلايا التي تحتوي على البلاستيدات الخضراء، بدأت عملية التمثيل الضوئي، والتي تم خلالها إطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي. أثناء التطور، تطورت الطحالب والنباتات البرية لاحقًا من هذه الخلايا. وأدى انبعاث الأكسجين من النباتات إلى زيادة تركيز الأكسجين في الغلاف الجوي، وفي النهاية وصل هذا التركيز إلى 20% ومكن من تطور الحياة على الأرض.

يُطلق على تركيبي البروتين اللذين تحدث فيهما عمليات التمثيل الضوئي اسم "النظام الضوئي الأول" و"النظام الضوئي الثاني". النظام الضوئي الأول هو المسؤول عن تكوين السكريات والبروتينات والمواد المغذية الأخرى والحفاظ على الطاقة الممتصة من الشمس؛ يستخدم نظام Or II الطاقة الضوئية لتقسيم جزيئات الماء التي تشارك في العملية وإطلاق الأكسجين.

يقول البروفيسور ناثان نيلسون من كلية علوم الحياة في جامعة تل أبيب، الذي ترأس الفريق الذي فك رموز بنية النظام الأول: "من بين جميع عمليات الحياة، تعتبر عملية التمثيل الضوئي هي الأكثر مثالية من حيث كفاءتها". "يوجد في هذا النظام ما يقرب من 200 جزيء من الكلوروفيل، الذي يمتص فوتونات ضوء الشمس ويجعل من الممكن تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية بكفاءة تصل إلى 100٪ تقريبًا. هذه الكفاءة ليس لها مثيل في الأنظمة الكيميائية أو البيولوجية الأخرى."

قبل عامين، نجح العلماء في فك رموز بنية نظام امتصاص الضوء لبكتيريا التمثيل الضوئي التي تعيش في البحر. وقد حاولت العديد من المختبرات في العالم عزل هيكلي الأنظمة الضوئية في البلاستيدات الخضراء للنباتات الخضراء لمعرفة مدى اختلافها عن نظام التمثيل الضوئي في البكتيريا، وهو أكثر بدائية. وهذا من شأنه أن يجعل من الممكن الوقوف على العمليات التطورية التي مكنت من الانتقال من البكتيريا الضوئية إلى النباتات المتطورة.

نجح طالب نيلسون آدم بن شيم، كجزء من رسالة الدكتوراه، في استخلاص وتنقية وبلورة النظام الأول من أوراق البازلاء المسحوقة، وبمساعدة الباحث البلوري البروفيسور فيليكس برولوف، من كلية الحياة أيضًا. العلوم، تم فك رموز البنية البلورية للنظام. لمعرفة بنية أي مادة، البروتين على سبيل المثال، يتم عزل البروتين وتنقيته وتبلوره في محلول. يقوم جهاز خاص بإرسال الأشعة السينية إلى البلورة وبناء على صورة تشتت الأشعة بواسطة البلورة يمكن حساب كثافة الإلكترون في البروتين المتبلور والحصول على صورته ثلاثية الأبعاد.

يقول نيلسون: "يمكن التعرف على 16 بروتينًا مختلفًا في البلورة، ومن بينها 167 جزيء كلوروفيل متناثرة وجزيئات أخرى تساهم في عملية التمثيل الضوئي". "هذا هو الهيكل الطبيعي الأكثر تعقيدًا الذي تم فك شفرته."

يقول نيلسون: "يُظهر الهيكل الذي اكتشفناه بوضوح كيف حدثت منذ 1.2 مليار سنة عمليات مصيرية سمحت باحتلال سطح المحيطات وسطح الأرض بواسطة الكائنات الحية". "وحتى ذلك الحين، كانت أشكال الحياة القديمة تتركز في أعماق المحيطات، حيث كانت شدة الضوء منخفضة نسبيا. إن الانتقال إلى الطبقة المائية العليا للمحيطات والأرض وتطور عملية التمثيل الضوئي مكّن من تطوير أشكال حياة أكثر تطوراً. لكن الانتقال من المياه العميقة إلى المياه السطحية واليابسة تطلب الاتصال بالإشعاع الشمسي الذي لم يصل إلى عمق المحيط. ولا يمكن لأي شكل من أشكال الحياة أن يتطور في ظل ظروف الإشعاع هذه. واتضح لنا أن بروتينين من أصل 16 بروتينًا تم اكتشافهما في بنية النظام الضوئي يوفران الحماية ضد شدة ضوء الشمس القوية على الأرض. وهذان البروتينان مكّنا في الواقع من تطور الحياة."