חוקרים ישראלים פיענחו אחד משני המבנים החלבוניים שבהם מתבצעת הפוטוסינתזה בצמחים

כך בנויה המערכת שמאפשרת קיום חיים על פני כדור הארץ

24.12.2003
מאת: מרית סלוין

[
המבנה של “מערכת אור I”. החלבונים הם השרשראות הירוקות והסגולות, מולקולות הכ

לורופיל הן הכדורים מסודרים בעיגולים קטנים. הדמיה: פרופ' פליקס פרולוב

אחת המערכות החשובות ביותר לקיום חיים על פני כדור הארץ היא המערכת המבצעת את הפוטוסינתזה. בתהליך הפוטוסינתזה הצמחים הירוקים קולטים מהאוויר פחמן דו-חמצני ובאמצעות אנרגיית השמש מייצרים ממנו סוכר. אנרגיית השמש שנקלטת בצמחים הופכת לאנרגיה כימית הנאגרת בתוך מולקולות הסוכר, ובתהליכים מורכבים שמתרחשים בצמח נוצרים רוב רובם של החומרים המרכיבים את אבני הבניין של התא החי. תוך כדי התהליך משתחרר לאוויר חמצן, שהוא המקור העיקרי לנשימת היצורים החיים על פני כדור הארץ.

הצמחים הירוקים, האצות וחיידקים מסוימים הם היחידים בטבע המסוגלים לבצע פוטוסינתזה ולשחרר חמצן, ובהם תלוי למעשה קיום מרבית צורות החיים על פני כדור הארץ. שני מבנים חלבוניים ענקיים אחראים על ההוצאה לפועל של התהליך.
המבנה המולקולרי של אחד משני המבנים האלה פוענח עתה לראשונה על ידי צוות חוקרים מאוניברסיטת תל-אביב והתפרסם לפני שבוע בכתב העת “Nature”.

מי שאחראי על קליטת אנרגיית השמש והתחלת תהליך הפוטוסינתזה הן מולקולות הכלורופיל הנמצאות בעלים של הצמחים הירוקים, בתוך אברון קטנטן בשם כלורופלסט (גופיף ירוק). מדענים סבורים שהכלורופלסט התפתח מחיידק שחדר לפני כ-3 מיליארד שנים לתאים שצפו באוקיינוסים, בתקופה שבה האטמוספירה היתה ענייה בחמצן ולכן לא התאפשרה בה התפתחות של צורות חיים מפותחות.

בתאים המכילים את הכלורופלסט החל להתבצע תהליך הפוטוסינתזה, שבמהלכו נפלט חמצן לאטמוספירה. במהלך האבולוציה התפתחו מהתאים האלה אצות ומאוחר יותר צמחי יבשה. פליטת החמצן מהצמחים הביאה לעליית ריכוז החמצן באטמוספירה, ובסופו של דבר הגיע ריכוז זה ל-20% ואיפשר את התפתחות החיים על פני כדור הארץ.

שני המבנים החלבוניים שבהם מתרחשים תהליכי הפוטוסינתזה נקראים “מערכת אור I” ו”מערכת אור II”. מערכת אור I אחראית על יצירת הסוכרים, החלבונים ושאר אבות המזון ועל שימור האנרגיה שנקלטת מהשמש; מערכת אור II משתמשת באנרגיית האור לצורך ביקוע מולקולות המים שמשתתפות בתהליך ושחרור החמצן.

“מכל תהליכי החיים, תהליך הפוטוסינתזה הוא המושלם ביותר מבחינת יעילותו”, אומר פרופ' נתן נלסון מהפקולטה למדעי החייםבאוניברסיטת ת”א, שעמד בראש הצוות שפיענח את המבנה של מערכת אור I. “במערכת זו יש קרוב ל-200 מולקולות כלורופיל, שבולעות את הפוטונים של אור השמש ומאפשרות להמיר אנרגיית אור לאנרגיה כימית ביעילות של כמעט 100%. ליעילות הזאת אין אח ורע במערכות כימיות או ביולוגיות אחרות”.

לפני שנתיים הצליחו מדענים לפענח את המבנה של מערכת קליטת האור של חיידק פוטוסינתטי השוכן בים. מעבדות רבות בעולם ניסו לבודד את שני המבנים של מערכות האור בכלורופלסטים של צמחים ירוקים כדי לראות כיצד הן נבדלות מהמערכת הפוטוסינתטית בחיידקים, שהיא פרימיטיווית יותר. הדבר היה מאפשר לעמוד על התהליכים האבולוציונייים שאיפשרו את המעבר מהחיידקים הפוטוסינתטיים לצמחים המפותחים.

תלמידו של נלסון, אדם בן-שם, הצליח במסגרת עבודת הדוקטורט שלו למצות, לנקות ולגבש את מערכת אור I מעלי אפונה כתושים, ובעזרתו של חוקר הגבישים פרופ' פליקס פרולוב, גם הוא מהפקולטה למדעי החיים , פוענח המבנה הגבישי של המערכת. כדי לברר מבנה של חומר כלשהו, חלבון למשל, מבודדים ומנקים את החלבון ומגבשים אותו בתמיסה. מכשיר מיוחד משגר קרני X אל הגביש ועל פי תמונת הפיזור של הקרניים על ידי הגביש אפשר לחשב את צפיפות האלקטרונים בחלבון המגובש ולקבל את התמונה התלת-ממדית שלו.

“בגביש ניתן לזהות 16 חלבונים שונים וביניהם מפוזרות 167 מולקולות כלורופיל ומולקולות נוספות שתורמות לתהליך הפוטוסינתזה”, אומר נלסון. “זהו המבנה הטבעי המסובך ביותר שפוענח”.

“המבנה שחשפנו מראה בבירור כיצד לפני 1.2 מיליארד שנה התרחשו תהליכים גורליים שאיפשרו את כיבוש פני האוקיינוסים ופני האדמה על ידי יצורים חיים”, אומר נלסון. “עד אז התרכזו צורות החיים הקדומות במעמקי האוקיינוסים, שם עוצמת האור היתה יחסית נמוכה. המעבר לשכבת המים העליונה של האוקיינוסים וליבשה והתפתחות התהליך הפוטוסינתטי איפשרו התפתחות של צורות חיים מפותחות יותר. אבל המעבר מעומק המים לפני המים וליבשה היה כרוך במגע עם קרינת השמש, שלא הגיעה לעומק האוקיינוס. שום צורת חיים לא היתה יכולה להתפתח בתנאי קרינה כאלה. התברר לנו ששני חלבונים מתוך ה-16 שהתגלו במבנה של מערכת אור I מעניקים הגנה מפני עוצמות האור החזקות של השמש על פני כדור הארץ. שני החלבונים האלה איפשרו למעשה את התפתחות החיים”.