Фотосистема II: структура и механизм кислородного фотосинтеза.

Введение

Первый белковый комплекс в светозависимых реакциях кислородного фотосинтеза

Фотосистема II (или водная пластохинононоксидоредуктаза) является первым белковым комплексом в светозависимых реакциях кислородного фотосинтеза. Она расположена в тилакоидной мембране растений, водорослей и цианобактерий. Внутри фотосистемы ферменты улавливают фотоны света для активации электронов, которые затем передаются через различные коферменты и кофакторы для восстановления пластохинона до пластохинола. Активированные электроны замещаются путем окисления воды с образованием ионов водорода и молекулярного кислорода. Восстанавливая потерянные электроны за счет электронов, полученных при расщеплении воды, фотосистема II обеспечивает электроны для осуществления всего процесса фотосинтеза. Ионы водорода (протоны), образующиеся при окислении воды, способствуют созданию протонного градиента, который используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ. Активированные электроны, переданные пластохинону, в конечном итоге используются для восстановления до НАДФН или участвуют в нециклическом переносе электронов. DCMU – химическое вещество, часто используемое в лабораторных условиях для ингибирования фотосинтеза. В присутствии DCMU ингибирует перенос электронов от фотосистемы II к пластохинону.

Окислительно-эволюционный комплекс (ОЭК)

Комплекс, выделяющий кислород, является местом окисления воды. Это металло-оксо кластер, состоящий из четырех ионов марганца (в степенях окисления от +3 до +4) и одного двухвалентного иона кальция. При окислении воды с образованием кислорода и протонов, он последовательно передает четыре электрона из воды к боковой цепи тирозина (D1 Y161), а затем к самому P680. Он состоит из трех белковых субъединиц, OEE1 (PsbO), OEE2 (PsbP) и OEE3 (PsbQ); четвертый пептид PsbR ассоциирован поблизости. Первая структурная модель комплекса выделения кислорода была определена с помощью рентгеновской кристаллографии из замороженных белковых кристаллов с разрешением 3,8 Å в 2001 году. В последующие годы разрешение модели постепенно увеличивалось до 2,9 Å. Хотя получение этих структур само по себе было значительным достижением, они не показали комплекс выделения кислорода во всей его детализации. В 2011 году ОЭК ФСII был определен с разрешением 1,9 Å, что выявило пять атомов кислорода, служащих оксо-мостами, связывающими пять атомов металла и четыре молекулы воды, связанные с кластером; более 1300 молекул воды было обнаружено в каждом мономерe фотосистемы II, некоторые из которых формируют обширные сети водородных связей, которые могут служить каналами для протонов, молекул воды или кислорода. На данном этапе предполагается, что структуры, полученные с помощью рентгеновской кристаллографии, могут быть искажены, поскольку есть данные о том, что атомы марганца восстанавливаются под воздействием интенсивного рентгеновского излучения, изменяя наблюдаемую структуру ОЭК. Это побудило исследователей направлять свои кристаллы в другие рентгеновские установки, называемые рентгеновскими лазерами на свободных электронах, такие как SLAC в США. В 2014 году структура, наблюдаемая в 2011 году, была подтверждена. Знание структуры фотосистемы II оказалось недостаточным для полного понимания принципов ее работы. Поэтому началась гонка за определением структуры фотосистемы II на различных стадиях механистического цикла (описанного ниже). В настоящее время структуры состояний S1 и S3 были опубликованы почти одновременно двумя разными группами, демонстрируя присоединение молекулы кислорода, обозначенной O6, между Mn1 и Mn4, что позволяет предположить, что это может быть место в комплексе выделения кислорода, где происходит образование кислорода.

The oxygen evolving complex is the site of water oxidation. It is a metallo oxo cluster comprising four manganese ions (in oxidation states ranging from +3 to +4) and one divalent calcium ion. When it oxidizes water, producing oxygen gas and protons, it sequentially delivers the four electrons from water to a tyrosine (D1 Y161) sidechain and then to P680 itself. It is composed of three protein subunits, OEE1 (PsbO), OEE2 (PsbP) and OEE3 (PsbQ); a fourth PsbR peptide is associated nearby. The first structural model of the oxygen evolving complex was solved using X ray crystallography from frozen protein crystals with a resolution of 3.8Å in 2001. Over the next years the resolution of the model was gradually increased to 2.9Å. While obtaining these structures was in itself a great feat, they did not show the oxygen evolving complex in full detail. In 2011 the OEC of PSII was resolved to a level of 1.9Å revealing five oxygen atoms serving as oxo bridges linking the five metal atoms and four water molecules bound to the cluster; more than 1,300 water molecules were found in each photosystem II monomer, some forming extensive hydrogen bonding networks that may serve as channels for protons, water or oxygen molecules. At this stage, it is suggested that the structures obtained by X ray crystallography are biased, since there is evidence that the manganese atoms are reduced by the high intensity X rays used, altering the observed OEC structure. This incentivized researchers to take their crystals to a different X ray facilities, called X ray Free Electron Lasers, such as SLAC in the USA. In 2014 the structure observed in 2011 was confirmed. Knowing the structure of Photosystem II did not suffice to reveal how it works exactly. So now the race has started to solve the structure of Photosystem II at different stages in the mechanistic cycle (discussed below). Currently structures of the S1 state and the S3 state's have been published almost simultaneously from two different groups, showing the addition of an oxygen molecule designated O6 between Mn1 and Mn4, suggesting that this may be the site on the oxygen evolving complex, where oxygen is produced.

Разделение воды

Фотосинтетическое расщепление воды (или выделение кислорода) – одна из важнейших реакций на планете, поскольку она является источником почти всего кислорода в атмосфере. Более того, искусственное фотосинтетическое расщепление воды может способствовать эффективному использованию солнечного света в качестве альтернативного источника энергии. Механизм окисления воды хорошо изучен. Окисление воды до молекулярного кислорода требует извлечения четырех электронов и четырех протонов из двух молекул воды. Экспериментальные доказательства того, что кислород высвобождается в результате циклической реакции кислородовыделяющего комплекса (OEC) внутри одной PSII, были получены Пьером Жолио и соавторами. Они показали, что если темноадаптированный фотосинтетический материал (высшие растения, водоросли и цианобактерии) подвергается воздействию серии одиночных импульсных вспышек, то выделение кислорода обнаруживается с типичным периодом в четыре затухающих колебания, с максимумами на третьей и седьмой вспышке и с минимумами на первой и пятой вспышке (см. обзор). На основе этого эксперимента Бессель Кок и его коллеги предложили цикл из пяти переходов, индуцированных вспышками, так называемых S-состояний, описывающих четыре окислительно-восстановительных состояния OEC: когда четыре окислительных эквивалента накоплены (в состоянии S4), OEC возвращается в свое исходное состояние S0. В отсутствие света OEC "релаксирует" до состояния S1; состояние S1 часто описывается как "темно-стабильное". Считается, что состояние S1 в основном состоит из ионов марганца со степенями окисления Mn3+, Mn3+, Mn4+, Mn4+. Наконец, промежуточные S-состояния были предложены Яблонски и Лазаром в качестве регуляторного механизма и связи между S-состояниями и тирозином Z. В 2012 году Ренгер выдвинул идею о внутренних изменениях молекул воды в типичные оксиды в различных S-состояниях во время расщепления воды.

Ингибиторы

Ингибиторы ФСII используются в качестве гербицидов. Существуют два основных химических семейства: триазины, производные от хлорида циануровой кислоты, среди которых наиболее часто используются атразин и симазин, и арилуреи, включающие хлортолурон и диурон (DCMU).