Фотосистема II
Первый белковый комплекс в светозависимых реакциях оксигенного фотосинтеза
Фотосистема II цианобактерий, димер, PDB 2AXT

Фотосистема II (или водно-пластохиноновая оксидоредуктаза ) — первый белковый комплекс в энергозависимых реакциях оксигенного фотосинтеза . Он расположен в тилакоидной мембране растений , водорослей и цианобактерий . В фотосистеме ферменты захватывают фотоны света, чтобы заряжать электроны , которые затем переносятся через различные коферменты и кофакторы для восстановления пластохинона до пластохинола. Заряженные электроны заменяются окисляющейся водой с образованием ионов водорода и молекулярного кислорода.

Восполняя потерянные электроны электронами от расщепления воды , фотосистема II обеспечивает электроны для всего фотосинтеза. Ионы водорода (протоны), образующиеся при окислении воды, помогают создать протонный градиент , который используется АТФ-синтазой для генерации АТФ . Заряженные электроны, переданные пластохинону, в конечном итоге используются для восстановления НАДФ+
в NADPH или используются в нециклическом электронном потоке . [1] DCMU — это химикат, часто используемый в лабораторных условиях для ингибирования фотосинтеза. Присутствие DCMU ингибирует электронный поток от фотосистемы II к пластохинону.

Структура комплекса

Цианобактериальная фотосистема II, мономер, PDB 2AXT.
Схема ФСII, иллюстрирующая перенос электронов.

Ядро ФСII состоит из псевдосимметричного гетеродимера двух гомологичных белков D1 и D2. [2] В отличие от реакционных центров всех других фотосистем , в которых положительный заряд, находящийся на димере хлорофилла, который подвергается первоначальному фотоиндуцированному разделению зарядов, поровну делится между двумя мономерами, в неповрежденной ФСII заряд в основном локализован на одном центре хлорофилла (70−80%). [3] Из-за этого P680 + является высокоокисляющим и может принимать участие в расщеплении воды. [2]

Фотосистема II ( цианобактерий и зеленых растений) состоит из около 20 субъединиц (в зависимости от организма), а также других вспомогательных, светособирающих белков. Каждая фотосистема II содержит не менее 99 кофакторов: 35 хлорофиллов a, 12 бета-каротинов , два феофитина , два пластохинона , два гема , один бикарбонат, 20 липидов, Mn
4СаО
5кластер (включая два хлорид-иона), один негемовый Fe2+
и два предполагаемых Ca2+
ионов на мономер. [4] Существует несколько кристаллических структур фотосистемы II. [5] Коды доступа PDB для этого белка: 3WU2, 3BZ1, 3BZ2 (3BZ1 и 3BZ2 являются мономерными структурами димера фотосистемы II), [4] 2AXT, 1S5L, 1W5C , 1ILX, 1FE1, 1IZL.

Субъединицы белков (только с известной функцией)
СубъединицаСемьяФункция
D1 (ПсбА)Семейство белков фотосинтетического реакционного центраБелок реакционного центра, связывает хлорофилл P680, феофитин, бета-каротин, хинон и марганцевый центр
D2 (ПсбД)Белок реакционного центра
CP43 (PsbC)Светосборный белок фотосистемы IIСвязывает марганцевый центр
CP47 (PsbB)
ОБелок, стабилизирующий марганец ( InterPro :  IPR002628 )Белок, стабилизирующий марганец
По соглашению, названия генов формируются с помощью Psb + буква субъединицы. Например, субъединица O — PsbO . Исключениями являются D1 ( PsbA ) и D2 ( PsbD ).
Коферменты/Кофакторы
КофакторФункция
ХлорофиллПоглощает световую энергию и преобразует ее в химическую энергию
Бета-каротинПогасить избыточную энергию фотовозбуждения
Гем B 559Связан с цитохромом b559 (PsbE–PsbF) в качестве вторичного/защитного переносчика электронов
ФеофитинПервичный акцептор электронов
ПластохинонМобильный внутритилакоидный мембранный переносчик электронов
Марганцевый центрТакже известен как центр выделения кислорода, или OEC.
Фотосистема II
Идентификаторы
Номер ЕС1.10.3.9
Базы данных
ИнтЭнзIntEnz вид
БРЕНДАзапись BRENDA
ExPASyNiceZyme вид
КЕГГзапись KEGG
МетаЦикметаболический путь
ПРИАМпрофиль
Структуры PDBRCSB PDB PDBe PDBsum
Поиск
ЧВКстатьи
PubMedстатьи
NCBIбелки

Кислородвыделяющий комплекс (КВК)

Предлагаемая структура Центра марганца

Комплекс, выделяющий кислород, является местом окисления воды. Это металло-оксо кластер, состоящий из четырех ионов марганца (в степени окисления от +3 до +4) [6] и одного двухвалентного иона кальция. Когда он окисляет воду, производя газообразный кислород и протоны, он последовательно доставляет четыре электрона из воды в боковую цепь тирозина (D1-Y161), а затем в сам P680. Он состоит из трех белковых субъединиц, OEE1 (PsbO), OEE2 (PsbP) и OEE3 (PsbQ); четвертый пептид PsbR связан поблизости.

Первая структурная модель комплекса, выделяющего кислород, была решена с использованием рентгеновской кристаллографии из замороженных кристаллов белка с разрешением 3,8 Å в 2001 году. [7] В течение следующих лет разрешение модели постепенно увеличивалось до 2,9 Å . [8] [9] [10] Хотя получение этих структур само по себе было большим достижением, они не показывали комплекс, выделяющий кислород, во всех деталях. В 2011 году OEC PSII была разрешена до уровня 1,9 Å, что позволило выявить пять атомов кислорода, служащих оксосвязями, связывающими пять атомов металла и четыре молекулы воды, связанные с Mn
4СаО
5кластер; в каждом мономере фотосистемы II было обнаружено более 1300 молекул воды, некоторые из которых образуют обширные сети водородных связей, которые могут служить каналами для протонов, молекул воды или кислорода. [11] На данном этапе предполагается, что структуры, полученные с помощью рентгеновской кристаллографии, являются предвзятыми, поскольку есть доказательства того, что атомы марганца восстанавливаются под действием высокоинтенсивных рентгеновских лучей , изменяя наблюдаемую структуру OEC. Это побудило исследователей перенести свои кристаллы на другие рентгеновские установки, называемые рентгеновскими лазерами на свободных электронах , такие как SLAC в США. В 2014 году была подтверждена структура, обнаруженная в 2011 году. [12] Знания структуры фотосистемы II было недостаточно, чтобы точно выяснить, как она работает. Поэтому теперь началась гонка за разгадкой структуры фотосистемы II на разных этапах механистического цикла (обсуждается ниже). В настоящее время структуры состояний S1 и S3 были опубликованы почти одновременно двумя разными группами, показывающими добавление молекулы кислорода, обозначенной O6, между Mn1 и Mn4, [13] [14], что позволяет предположить, что это может быть местом на комплексе, выделяющем кислород, где и производится кислород.

Расщепление воды

Процесс расщепления воды: электронный транспорт и регуляция. Первый уровень ( A ) показывает исходную модель Кока циклирования S-состояний, второй уровень ( B ) показывает связь между электронным транспортом (продвижением S-состояний) и процессом релаксации образования промежуточных S-состояний ([YzSn], n=0,1,2,3)

Фотосинтетическое расщепление воды (или выделение кислорода ) является одной из важнейших реакций на планете, поскольку 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 изучен достаточно подробно. [15] [16] [17] Окисление воды до молекулярного кислорода требует извлечения четырех электронов и четырех протонов из двух молекул воды. Экспериментальное доказательство того, что кислород выделяется посредством циклической реакции комплекса выделения кислорода (OEC) в пределах одной ФСII, было предоставлено Пьером Жолио и др. [18] Они показали, что если адаптированный к темноте фотосинтетический материал (высшие растения, водоросли и цианобактерии) подвергается воздействию серии одиночных оборотных вспышек, выделение кислорода обнаруживается с типичным затухающим колебанием периода четыре с максимумами на третьей и седьмой вспышке и с минимумами на первой и пятой вспышке (для обзора см. [19] ). На основе этого эксперимента Бессель Кок и его коллеги [20] представили цикл из пяти вызванных вспышкой переходов так называемых S-состояний , описывающих четыре окислительно-восстановительных состояния OEC: Когда четыре окислительных эквивалента были сохранены (в состоянии S 4 ), OEC возвращается в свое основное состояние S 0 . При отсутствии света OEC «расслабится» до состояния S 1 ; состояние S 1 часто описывается как «стабильное в темноте». Состояние S 1 в значительной степени считается состоящим из ионов марганца со степенями окисления Mn 3+ , Mn 3+ , Mn 4+ , ​​Mn 4+ . [21] Наконец, промежуточные S-состояния [22] были предложены Яблонским и Лазаром в качестве регуляторного механизма и связи между S-состояниями и тирозином Z.

В 2012 году Ренгер высказал идею о внутренних изменениях молекул воды в типичные оксиды в различных S-состояниях при расщеплении воды. [23]

Ингибиторы

Ингибиторы PSII используются в качестве гербицидов. Существует два основных химических семейства: триазины , полученные из цианурхлорида [24], из которых наиболее часто используются атразин и симазин , и арилмочевины , которые включают хлортолурон и диурон (DCMU). [25] [26]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Loll B, Kern J, Saenger W, Zouni A, Biesiadka J (декабрь 2005 г.). «К полной компоновке кофакторов в структуре разрешения 3,0 A фотосистемы II». Nature . 438 (7070): 1040– 4. Bibcode :2005Natur.438.1040L. doi :10.1038/nature04224. PMID  16355230. S2CID  4394735.
  2. ^ ab Rutherford AW , Faller P (январь 2003 г.). «Фотосистема II: эволюционные перспективы». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences . 358 (1429): 245–53 . doi :10.1098/rstb.2002.1186. PMC 1693113. PMID  12594932 . 
  3. ^ Okubo T, Tomo T, Sugiura M, Noguchi T (апрель 2007 г.). «Возмущение структуры P680 и распределение заряда на его радикальном катионе в изолированных комплексах реакционного центра фотосистемы II, выявленное с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье». Биохимия . 46 (14): 4390–7 . doi :10.1021/bi700157n. PMID  17371054.
  4. ^ ab Guskov A, Kern J, Gabdulkhakov A, Broser M, Zouni A, Saenger W (март 2009 г.). "Цианобактериальная фотосистема II при разрешении 2,9 А и роль хинонов, липидов, каналов и хлорида". Nature Structural & Molecular Biology . 16 (3): 334– 42. doi :10.1038/nsmb.1559. PMID  19219048. S2CID  23034289.
  5. ^ Junko Y, Kern J, Yachandra VK, Nilsson H, Koroidov S, Messinger J (2015). "Глава 2, Раздел 3 Рентгеновская дифракция и спектроскопия фотосистемы II при комнатной температуре с использованием фемтосекундных рентгеновских импульсов ". В Kroneck PM, Sosa Torres ME (ред.). Поддержание жизни на планете Земля: металлоферменты, усваивающие диоксид кислорода и другие жевательные газы . Ионы металлов в науках о жизни. Том 15. Springer. С.  13– 43. doi :10.1007/978-3-319-12415-5_2. ISBN 978-3-319-12414-8. PMC  4688042 . PMID  25707465.
  6. ^ Кокс, Николас; Пантазис, Димитриос А.; Любиц, Вольфганг (2020). «Современное понимание механизма окисления воды в фотосистеме II и его связь с данными XFEL». Annual Review of Biochemistry . 89 : 795–820 . doi : 10.1146/annurev-biochem-011520-104801 . PMID  32208765. S2CID  214645936.
  7. ^ Zouni A, Witt HT, Kern J, Fromme P, Krauss N, Saenger W, Orth P (февраль 2001 г.). «Кристаллическая структура фотосистемы II Synechococcus elongatus при разрешении 3,8 A». Nature . 409 (6821): 739– 43. Bibcode :2001Natur.409..739Z. doi :10.1038/35055589. PMID  11217865. S2CID  4344756.
  8. ^ Камия Н, Шен Дж. Р. (январь 2003 г.). «Кристаллическая структура кислород-выделяющей фотосистемы II из Thermosynechococcus vulcanus при разрешении 3,7 А». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (1): 98– 103. Bibcode : 2003PNAS..100...98K. doi : 10.1073 /pnas.0135651100 . PMC 140893. PMID  12518057. 
  9. ^ Ferreira KN, Iverson TM, Maghlaoui K, Barber J, Iwata S (март 2004 г.). «Архитектура фотосинтетического центра выделения кислорода». Science . 303 (5665): 1831– 8. Bibcode :2004Sci...303.1831F. doi : 10.1126/science.1093087 . PMID  14764885. S2CID  31521054.
  10. ^ Гуськов А, Керн Дж, Габдулхаков А, Брозер М, Зоуни А, Саенгер В (март 2009). «Цианобактериальная фотосистема II при разрешении 2,9 А и роль хинонов, липидов, каналов и хлорида». Nature Structural & Molecular Biology . 16 (3): 334– 42. doi :10.1038/nsmb.1559. PMID  19219048. S2CID  23034289.
  11. ^ Umena Y, Kawakami K, Shen JR, Kamiya N (май 2011). «Кристаллическая структура фотосистемы II, выделяющей кислород, с разрешением 1,9 Å» (PDF) . Nature . 473 (7345): 55– 60. Bibcode : 2011Natur.473...55U. doi : 10.1038/nature09913. PMID  21499260. S2CID  205224374.
  12. ^ Suga M, Akita F, Hirata K, Ueno G, Murakami H, Nakajima Y, Shimizu T, Yamashita K, Yamamoto M, Ago H, Shen JR (январь 2015 г.). «Нативная структура фотосистемы II при разрешении 1,95 Å, наблюдаемая с помощью фемтосекундных рентгеновских импульсов». Nature . 517 (7532): 99– 103. Bibcode :2015Natur.517...99S. doi :10.1038/nature13991. PMID  25470056. S2CID  205241611.
  13. ^ Young ID, Ibrahim M, Chatterjee R, Gul S, Fuller F, Koroidov S, et al. (Декабрь 2016). «Структура фотосистемы II и связывание субстрата при комнатной температуре». Nature . 540 (7633): 453– 457. Bibcode :2016Natur.540..453Y. doi :10.1038/nature20161. PMC 5201176 . PMID  27871088. 
  14. ^ Suga M, Akita F, Sugahara M, Kubo M, Nakajima Y, Nakane T и др. (март 2017 г.). «Структурные изменения, вызванные светом, и место образования связи O=O в PSII, обнаруженное XFEL». Nature . 543 (7643): 131– 135. Bibcode :2017Natur.543..131S. doi :10.1038/nature21400. PMID  28219079. S2CID  205254025.
  15. ^ Vinyard DJ, Brudvig GW (май 2017 г.). «Прогресс в направлении молекулярного механизма окисления воды в фотосистеме II». Annual Review of Physical Chemistry . 68 (1): 101– 116. Bibcode : 2017ARPC...68..101V. doi : 10.1146/annurev-physchem-052516-044820. PMID  28226223.
  16. ^ Cox N, Pantazis DA, Lubitz W (июнь 2020 г.). «Современное понимание механизма окисления воды в фотосистеме II и его связь с данными XFEL». Annual Review of Biochemistry . 89 (1): 795–820 . doi : 10.1146/annurev-biochem-011520-104801 . PMID  32208765.
  17. ^ Ибрагим М., Франссон Т., Чаттерджи Р., Чиа М.Х., Хуссейн Р., Лассаль Л. и др. (июнь 2020 г.). «Распутывание последовательности событий во время перехода S2 → S3 в фотосистеме II и последствия для механизма окисления воды». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 117 (23): 12624– 12635. Bibcode : 2020PNAS..11712624I . doi : 10.1073/pnas.2000529117 . PMC 7293653. PMID  32434915. 
  18. ^ Жолио П.; Барбьери Г.; Шабо Р. (1969). «Новая модель центров фотохимии системы II». Фотохимия и фотобиология . 10 (5): 309–329 . doi :10.1111/j.1751-1097.1969.tb05696.x. S2CID  96744015.
  19. ^ Joliot P (2003). «Осцилляции периода четыре образования кислорода, вызванного вспышкой, при фотосинтезе». Photosynthesis Research . 76 ( 1– 3): 65– 72. doi : 10.1023/A: 1024946610564. PMID  16228566. S2CID  8742213.
  20. ^ Kok B, Forbush B, McGloin M (июнь 1970 г.). «Взаимодействие зарядов в фотосинтетической эволюции O2-I. Линейный четырехшаговый механизм». Фотохимия и фотобиология . 11 (6): 457–75 . doi :10.1111/j.1751-1097.1970.tb06017.x. PMID  5456273. S2CID  31914925.
  21. ^ Kuntzleman T, Yocum CF (февраль 2005 г.). «Ингибирование, вызванное восстановлением, и высвобождение Mn(II) из комплекса, выделяющего кислород фотосистемы II, гидрохиноном или NH2OH согласуются с окислительным состоянием Mn(III)/Mn(III)/Mn(IV)/Mn(IV) для фермента, адаптированного к темноте». Биохимия . 44 (6): 2129– 42. doi :10.1021/bi048460i. PMID  15697239.
  22. ^ Jablonsky J, Lazar D (апрель 2008 г.). «Доказательства промежуточных S-состояний как начальной фазы в процессе сложного окисления с выделением кислорода». Biophysical Journal . 94 (7): 2725– 36. Bibcode :2008BpJ....94.2725J. doi :10.1529/biophysj.107.122861. PMC 2267143 . PMID  18178650. 
  23. ^ Ренгер Г. (август 2012 г.). «Механизм расщепления воды под действием света в фотосистеме II фотосинтезирующих организмов, выделяющих кислород». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биоэнергетика . 1817 (8): 1164–76 . doi : 10.1016/j.bbabio.2012.02.005 . PMID  22353626.
  24. ^ "Хлортраизиновые гербициды". alanwood.net . Получено 2021-03-26 .
  25. ^ "Гербициды на основе мочевины". alanwood.net . Получено 2021-03-26 .
  26. ^ Эттмайер В. (1992). «Гербициды фотосистемы II». Фотосистемы . С.  349–408 . doi :10.1016/B978-0-444-89440-3.50018-7. ISBN 9780444894403.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Photosystem_II&oldid=1272977918"