Кіріспе
Фотосистема II (немесе су-пластохинон оксидоредуктазасы) – оттегілік фотосинтездің жарыққа тәуелді реакцияларындағы алғашқы белок кешені. Ол өсімдіктердің, балдырлардың және цианобактериялардың тилакоидтық мембранасында орналасқан. Фотосистема ішіндегі ферменттер жарық фотондарын ұстап, электрондарды энергиямен толықтайды, содан кейін олар түрлі коферменттер мен кофакторлар арқылы пластохинонды пластохинолға дейін тотықсыздандырады. Энергиямен толықталған электрондар суды тотықтыру арқылы сутек иондары мен молекулалық оттегін бөліп шығарады. Судың ыдырауынан алынған электрондармен жоғалған электрондарды толықтыру арқылы Фотосистема II фотосинтездің барлық процесіне қажетті электрондарды қамтамасыз етеді. Судың тотығуынан түзілген сутек иондары (протондар) АТФ синтетазасы арқылы АТФ өндіруге қолданылатын протондық градиентті құруға көмектеседі. Пластохинонға берілген энергиялы электрондар NADPH-қа дейін тотықсыздандырылады немесе циклдық емес электрон ағынында қолданылады. DCMU – фотосинтезді тежеу үшін зертхана жағдайында жиі қолданылатын химиялық зат. DCMU болғанда, Фотосистема II-ден пластохинонға электрон ағыны тежеледі.
Photosystem II (or water plastoquinone oxidoreductase) is the first protein complex in the light dependent reactions of oxygenic photosynthesis. It is located in the thylakoid membrane of plants, algae, and cyanobacteria. Within the photosystem, enzymes capture photons of light to energize electrons that are then transferred through a variety of coenzymes and cofactors to reduce plastoquinone to plastoquinol. The energized electrons are replaced by oxidizing water to form hydrogen ions and molecular oxygen. By replenishing lost electrons with electrons from the splitting of water, photosystem II provides the electrons for all of photosynthesis to occur. The hydrogen ions (protons) generated by the oxidation of water help to create a proton gradient that is used by ATP synthase to generate ATP. The energized electrons transferred to plastoquinone are ultimately used to reduce to NADPH or are used in non cyclic electron flow. DCMU is a chemical often used in laboratory settings to inhibit photosynthesis. When present, DCMU inhibits electron flow from photosystem II to plastoquinone.
Қысқылтектік-эволюциялық кешен (ОЭК)
Судың тотығуының орны – оттегімен дамып келе жатқан кешен. Ол төрт марганец ионынан (+3-тен +4-ке дейінгі окисдену күйлерінде) және бір дивалентті кальций ионынан тұратын металло-оксо кластер. Ол суды тотықтырғанда, оттегі газы мен протонды бөліп шығарады, судан алынған төрт электронды тирозин (D1 Y161) тізбегіне, содан кейін P680-ге жеткізеді. Ол үш ақуыздық суббірліктен: OEE1 (PsbO), OEE2 (PsbP) және OEE3 (PsbQ) құралған; төртінші PsbR пептиді жақын жерде байланысқан. 2001 жылы мұздатылған ақуыз кристалдарының рентген кристаллографиясы арқылы 3.8 Å ажыратымдылығымен оттегімен дамып келе жатқан кешеннің алғашқы құрылымдық моделі шешілді. Келесі жылдары модельдің ажыратымдылығы біртіндеп 2.9 Å-ға дейін арттырылды. Бұл құрылымдарды алудың өзі үлкен жетістік болғанымен, ол оттегімен дамып келе жатқан кешенді толыққанды көрсетпеді. 2011 жылы PSII OEC 1.9 Å деңгейіне дейін шешілді, бұл бес металл атомын және кластерге байланысқан төрт су молекуласын байланыстыратын оксо-көпірлер ретінде қызмет ететін бес оттегі атомын көрсетті; әрбір Фотожүйе II мономерынде 1300-ден астам су молекуласы табылды, олардың кейбіреулері протон, су немесе оттегі молекулалары үшін арналар қызметін атқаратын кең сутекті байланыс желілерін құрады. Осы кезеңде рентген кристаллографиясы арқылы алынған құрылымдардың бұрмаланған болуы мүмкін деген болжам бар, себебі манган атомдары қолданылатын жоғары интенсивті рентген сәулелерімен тотығып, байқалған OEC құрылымын өзгертеді деген дәлелдер бар. Бұл зерттеушілерді кристаллдарын басқа рентгендік жабдықтарға, мысалы АҚШ-тағы SLAC сияқты рентгендік еркін электронды лазерлерге әкелуге итермеледі. 2014 жылы 2011 жылы байқалған құрылым расталды. Фотожүйе II-нің құрылымын білу оның қалай жұмыс істейтінін толық анықтау үшін жеткіліксіз болды. Сондықтан қазір Фотожүйе II-нің механикалық циклдың әртүрлі кезеңдеріндегі (төменде талқыланған) құрылымын шешуге жарыс басталды. Қазіргі уақытта S1 және S3 күйлерінің құрылымдары екі түрлі топтан дерлік бір уақытта жарияланды, бұл Mn1 және Mn4 арасында O6 деп белгіленген оттегі молекуласының қосылуын көрсетті, бұл оттегінің өндірілетін орны оттегімен дамып келе жатқан кешенде болуы мүмкін.
Суды бөлу
Фотосинтез арқылы судың бөлінуі (немесе оттегінің пайда болуы) планетадағы ең маңызды реакциялардың бірі болып табылады, себебі ол атмосферадағы барлық оттегінің дерлік көзі болып табылады. Сонымен қатар, судың жасанды фотосинтез арқылы бөлінуі күн сәулесін энергияның балама көзі ретінде тиімді пайдалануға мүмкіндік беруі мүмкін. Судың тотығу механизмі толыққанды түсіндірілген. Суды молекулалық оттегіге тотықтыру үшін судың екі молекуласынан төрт электрон мен төрт протонды алу қажет. Пьер Жолио және оның әріптестері бір PSII ішіндегі оттегіні дамытатын кешеннің (OEC) циклдық реакциясы арқылы оттегінің шығарылатынын эксперименталдық түрде дәлелдеді. Олар қараңғыға бейімделген фотосинтездік материалды (жоғары өсімдіктер, балдырлар және цианобактериялар) бір реттік айналымды шағылыстыратын бірнеше импульстік жарқырауларға ұшыратқанда, оттегінің пайда болуы үшінші және жетінші жарқырауда максимумға және бірінші және бесінші жарқырауда минимумға ие, төрт кезеңдік демпферленген осцилляциялармен анықталды (көру үшін қараңыз). Осы эксперимент негізінде Бессел Кок және оның әріптестері OEC-тің төрт тотығу-тотығу күйін сипаттайтын, бес жарқыраумен шақырылатын S күйлерінің циклын енгізді: төрт тотықтырғыш эквивалент сақталған кезде (S4 күйінде), OEC өзінің бастапқы S0 күйіне оралады. Жарық болмаған жағдайда, OEC S1 күйіне «тоқталады»; S1 күйі көбінесе «қараңғыда тұрақты» деп сипатталады. S1 күйінің негізінен Mn3+, Mn3+, Mn4+, Mn4+ тотығу күйлеріндегі марганец иондарынан тұратыны саналады. Ақырында, аралық S күйлері Яблонски мен Лазар тарапынан реттеу механизмі және S күйлері мен тирозин Z арасындағы байланыс ретінде ұсынылды. 2012 жылы Ренгер судың бөліну кезінде әртүрлі S күйлеріндегі су молекулаларының типтік оксидтерге ішкі өзгерістері туралы идеясын білдірді.
Ингибиторлар
PSII ингибиторлары гербицидтер ретінде қолданылады. Екі негізгі химиялық топқа бөлінеді: цианур хлоридінен туындаған триазиндер, олардың ішінде атразин және симазин ең көп қолданылатындары, сондай-ақ хлортолурон мен диуронды (DCMU) қамтитын арил мочевиналар.