stringtranslate.com

Фотосистема II

Фотосистема цианобактерий II, Димер, PDB 2AXT

Фотосистема II (или водно-пластохинон оксидоредуктаза ) — первый белковый комплекс в светозависимых реакциях оксигенного фотосинтеза . Он расположен в тилакоидной мембране растений , водорослей и цианобактерий . Внутри фотосистемы ферменты захватывают фотоны света, чтобы заряжать электроны , которые затем передаются через различные коферменты и кофакторы , восстанавливая пластохинон до пластохинола. Заряженные электроны заменяются окисляющей водой с образованием ионов водорода и молекулярного кислорода.

Пополняя потерянные электроны электронами, образующимися в результате расщепления воды , фотосистема II обеспечивает электроны для всего процесса фотосинтеза. Ионы водорода (протоны), образующиеся при окислении воды, помогают создать градиент протонов , который используется АТФ-синтазой для генерации АТФ . Заряженные электроны, перешедшие на пластохинон, в конечном итоге используются для восстановления НАДФ.+
в НАДФН или используются в нециклическом потоке электронов . [1] DCMU — это химическое вещество, часто используемое в лабораторных условиях для подавления фотосинтеза. Когда он присутствует, DCMU ингибирует поток электронов от фотосистемы II к пластохинону.

Структура комплекса

Цианобактериальная фотосистема II, Мономер, PDB 2AXT.
Схема PSII с указанием переноса электрона.

Ядро PSII 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, подвергающемся первоначальному фотоиндуцированному разделению зарядов, поровну распределяется между двумя мономерами, в интактном ФСII заряд преимущественно локализован на одном хлорофилловом центре (70 −80%). [3] Благодаря этому P680 + является сильным окислителем и может принимать участие в расщеплении воды. [2]

Фотосистема II ( цианобактерий и зеленых растений) состоит примерно из 20 субъединиц (в зависимости от организма), а также других вспомогательных светособирающих белков. Каждая фотосистема II содержит не менее 99 кофакторов: 35 хлорофиллов А, 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 — мономерные структуры димера Фотосистемы II), [4] 2AXT, 1S5L, 1W5C, 1ILX, 1FE1, 1IZL.

Кислородвыделяющий комплекс (ОКВ)

Предлагаемая структура Марганцевого центра

Комплекс, выделяющий кислород, является местом окисления воды. Это металло-оксокластер, включающий четыре иона марганца (в степенях окисления от +3 до +4) [6] и один ион двухвалентного кальция. Когда он окисляет воду, производя газообразный кислород и протоны, он последовательно доставляет 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); рядом связан четвертый пептид PsbR.

Первая структурная модель кислородвыделяющего комплекса была решена с помощью рентгеновской кристаллографии из замороженных кристаллов белка с разрешением 3,8 Å в 2001 году. [7] В последующие годы разрешение модели постепенно увеличивалось до 2,9 Å . [8] [9] [10] Хотя получение этих структур само по себе было большим подвигом, они не показали комплекс, выделяющий кислород, во всех деталях. В 2011 году OEC PSII был разрешен до уровня 1,9 Å, что выявило пять атомов кислорода, служащих оксо-мостиками, связывающими пять атомов металла и четыре молекулы воды, связанных 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 свидетельства того, что атомы марганца восстанавливаются под воздействием рентгеновских лучей высокой интенсивности , изменяя наблюдаемую структуру OEC. Это побудило исследователей передать свои кристаллы в другие рентгеновские установки, называемые рентгеновскими лазерами на свободных электронах , такие как SLAC в США. В 2014 г. подтвердилась структура, наблюдавшаяся в 2011 г. [12] Знания структуры Фотосистемы II недостаточно, чтобы понять, как именно она работает. Итак, теперь гонка начала разгадывать структуру Фотосистемы II на разных стадиях механистического цикла (обсуждается ниже). В настоящее время структуры состояний S1 и S3 были опубликованы почти одновременно двумя разными группами, показывая добавление молекулы кислорода, обозначенной O6, между Mn1 и Mn4, [13] [14] предполагая, что это может быть сайт на кислороде. развивающийся комплекс, в котором вырабатывается кислород.

Расщепление воды

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

Фотосинтетическое расщепление воды (или выделение кислорода ) — одна из важнейших реакций на планете, поскольку оно 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. Экспериментальные доказательства того, что кислород высвобождается в результате циклической реакции кислородвыделяющего комплекса (OEC) в пределах одного PSII, были предоставлены Пьером Жолио и соавт. [18] Они показали, что если адаптированный к темноте фотосинтетический материал (высшие растения, водоросли и цианобактерии) подвергается серии одиночных оборотных вспышек, выделение кислорода обнаруживается с типичными затухающими колебаниями четвертого периода с максимумами на третьем и третьем периоде. седьмая вспышка и с минимумами на первой и пятой вспышках (обзор см. в [19] ). На основе этого эксперимента Бессель Кок и его коллеги [20] ввели цикл из пяти индуцированных вспышкой переходов так называемых S-состояний , описывающих четыре окислительно-восстановительных состояния OEC: Когда четыре окислительных эквивалента были сохранены (при S 4 -состояние), OEC возвращается в свое основное S 0 -состояние. В отсутствие света ОЭК «расслабится» до состояния S1 ; состояние S 1 часто описывается как «стабильное к темноте». Считается, что состояние S 1 в основном состоит 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 связующего звена между S-состояниями и тирозином Z.

В 2012 году Ренгер высказал идею о внутренних изменениях молекул воды в типичные оксиды в разных 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 , включающие хлортолурон и диурон (DCMU). [25] [26]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Лолл Б., Керн Дж., Сенгер В., Зуни А., Бесядка Дж. (декабрь 2005 г.). «К полной организации кофакторов в структуре разрешения 3,0 А фотосистемы II». Природа . 438 (7070): 1040–4. Бибкод : 2005Natur.438.1040L. дои : 10.1038/nature04224. PMID  16355230. S2CID  4394735.
  2. ^ аб Резерфорд А.В. , Фаллер П. (январь 2003 г.). «Фотосистема II: эволюционные перспективы». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 358 (1429): 245–53. дои : 10.1098/rstb.2002.1186. ПМК 1693113 . ПМИД  12594932. 
  3. ^ Окубо Т., Томо Т., Сугиура М., Ногучи Т. (апрель 2007 г.). «Возмущение структуры P680 и распределения заряда на его катион-радикале в комплексах изолированных реакционных центров фотосистемы II, выявленное методом инфракрасной спектроскопии с Фурье-преобразованием». Биохимия . 46 (14): 4390–7. дои : 10.1021/bi700157n. ПМИД  17371054.
  4. ^ ab Гуськов А, Керн Дж, Габдулхаков А, Брозер М, Зуни А, Сенгер В (март 2009 г.). «Цианобактериальная фотосистема II с разрешением 2,9 А и роль хинонов, липидов, каналов и хлоридов». Структурная и молекулярная биология природы . 16 (3): 334–42. дои : 10.1038/nsmb.1559. PMID  19219048. S2CID  23034289.
  5. ^ Джунко Ю, Керн Дж, Ячандра ВК, Нильссон Х, Короидов С, Мессингер Дж (2015). «Глава 2, раздел 3. Рентгеновская дифракция и спектроскопия фотосистемы II при комнатной температуре с использованием фемтосекундных рентгеновских импульсов ». В Kroneck PM, Соса Торрес М.Э. (ред.). Поддержание жизни на планете Земля: металлоферменты, усваивающие дикислород и другие жевательные газы . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 15. Спрингер. стр. 13–43. дои : 10.1007/978-3-319-12415-5_2. ISBN 978-3-319-12414-8. ПМК  4688042 . ПМИД  25707465.
  6. ^ Кокс, Николас; Пантазис, Димитриос А.; Любиц, Вольфганг (2020). «Современное понимание механизма окисления воды в фотосистеме II и его связь с данными XFEL». Ежегодный обзор биохимии . 89 : 795–820. doi : 10.1146/annurev-biochem-011520-104801 . PMID  32208765. S2CID  214645936.
  7. ^ Зуни А., Витт Х.Т., Керн Дж., Фромм П., Краусс Н., Сенгер В., Орт П. (февраль 2001 г.). «Кристаллическая структура фотосистемы II Synechococcus elongatus при разрешении 3,8 А». Природа . 409 (6821): 739–43. дои : 10.1038/35055589. PMID  11217865. S2CID  4344756.
  8. ^ Камия Н., Шен-младший (январь 2003 г.). «Кристаллическая структура фотосистемы II, выделяющей кислород, из Thermosynechococcus vulcanus при разрешении 3,7 А». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (1): 98–103. Бибкод : 2003PNAS..100...98K. дои : 10.1073/pnas.0135651100 . ПМК 140893 . ПМИД  12518057. 
  9. ^ Феррейра К.Н., Айверсон Т.М., Маглауи К., Барбер Дж., Ивата С. (март 2004 г.). «Архитектура фотосинтетического центра выделения кислорода». Наука . 303 (5665): 1831–8. Бибкод : 2004Sci...303.1831F. дои : 10.1126/science.1093087 . PMID  14764885. S2CID  31521054.
  10. ^ Гуськов А, Керн Дж, Габдулхаков А, Брозер М, Зуни А, Сенгер В (март 2009 г.). «Цианобактериальная фотосистема II с разрешением 2,9 А и роль хинонов, липидов, каналов и хлоридов». Структурная и молекулярная биология природы . 16 (3): 334–42. дои : 10.1038/nsmb.1559. PMID  19219048. S2CID  23034289.
  11. ^ Умена Ю, Каваками К, Шен-младший, Камия Н (май 2011 г.). «Кристаллическая структура фотосистемы II, выделяющей кислород, с разрешением 1,9 Å» (PDF) . Природа . 473 (7345): 55–60. Бибкод : 2011Natur.473...55U. дои : 10.1038/nature09913. PMID  21499260. S2CID  205224374.
  12. ^ Суга М, Акита Ф, Хирата К, Уэно Г, Мураками Х, Накадзима Ю, Симидзу Т, Ямасита К, Ямамото М, Аго Х, Шен-младший (январь 2015 г.). «Нативная структура фотосистемы II с разрешением 1,95 Å, наблюдаемая с помощью фемтосекундных рентгеновских импульсов». Природа . 517 (7532): 99–103. Бибкод : 2015Natur.517...99S. дои : 10.1038/nature13991. PMID  25470056. S2CID  205241611.
  13. ^ Янг И.Д., Ибрагим М., Чаттерджи Р., Гул С., Фуллер Ф., Короидов С. и др. (декабрь 2016 г.). «Структура фотосистемы II и связывание субстрата при комнатной температуре». Природа . 540 (7633): 453–457. Бибкод : 2016Natur.540..453Y. дои : 10.1038/nature20161. ПМК 5201176 . ПМИД  27871088. 
  14. ^ Суга М., Акита Ф., Сугахара М., Кубо М., Накадзима Ю., Накане Т. и др. (март 2017 г.). «Светоиндуцированные структурные изменения и место образования связи O = O в PSII, зафиксированном XFEL». Природа . 543 (7643): 131–135. Бибкод : 2017Natur.543..131S. дои : 10.1038/nature21400. PMID  28219079. S2CID  205254025.
  15. ^ Vinyard DJ, Брудвиг Г.В. (май 2017 г.). «Прогресс в направлении молекулярного механизма окисления воды в фотосистеме II». Ежегодный обзор физической химии . 68 (1): 101–116. Бибкод : 2017ARPC...68..101В. doi : 10.1146/annurev-physchem-052516-044820. ПМИД  28226223.
  16. ^ Кокс Н., Пантазис Д.А., Любиц В. (июнь 2020 г.). «Современное понимание механизма окисления воды в фотосистеме II и его связь с данными XFEL». Ежегодный обзор биохимии . 89 (1): 795–820. doi : 10.1146/annurev-biochem-011520-104801 . ПМИД  32208765.
  17. ^ Ибрагим М., Франссон Т., Чаттерджи Р., Чеа М.Х., Хусейн Р., Лассаль Л. и др. (июнь 2020 г.). «Распутывание последовательности событий при переходе S2 → S3 в фотосистеме II и последствия для механизма окисления воды». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 117 (23): 12624–12635. Бибкод : 2020PNAS..11712624I. дои : 10.1073/pnas.2000529117 . ПМЦ 7293653 . ПМИД  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. ^ Жолио П. (2003). «Четвертый период колебаний образования кислорода при фотосинтезе, вызванного вспышкой». Исследования фотосинтеза . 76 (1–3): 65–72. дои : 10.1023/А: 1024946610564. PMID  16228566. S2CID  8742213.
  20. ^ Кок Б., Форбуш Б., МакГлойн М. (июнь 1970 г.). «Взаимодействие зарядов в фотосинтетической эволюции O2-I. Линейный четырехступенчатый механизм». Фотохимия и фотобиология . 11 (6): 457–75. doi :10.1111/j.1751-1097.1970.tb06017.x. PMID  5456273. S2CID  31914925.
  21. ^ Кунцлеман Т., Yocum CF (февраль 2005 г.). «Вызванное восстановлением ингибирование и высвобождение Mn(II) из комплекса фотосистемы II, выделяющего кислород, под действием гидрохинона или NH2OH согласуются со степенью окисления Mn(III)/Mn(III)/Mn(IV)/Mn(IV) для темно-адаптированный фермент». Биохимия . 44 (6): 2129–42. дои : 10.1021/bi048460i. ПМИД  15697239.
  22. ^ Яблонский Дж., Лазар Д. (апрель 2008 г.). «Доказательства существования промежуточных S-состояний как начальной фазы в процессе сложного окисления с выделением кислорода». Биофизический журнал . 94 (7): 2725–36. Бибкод : 2008BpJ....94.2725J. doi : 10.1529/biophysj.107.122861. ПМК 2267143 . ПМИД  18178650. 
  23. ^ Ренгер Г. (август 2012 г.). «Механизм светоиндуцированного расщепления воды в фотосистеме II фотосинтезирующих организмов, выделяющих кислород». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Биоэнергетика . 1817 (8): 1164–76. дои : 10.1016/j.bbabio.2012.02.005 . ПМИД  22353626.
  24. ^ «Хлоротраизиновые гербициды». alanwood.net . Проверено 26 марта 2021 г.
  25. ^ «Гербициды мочевины». alanwood.net . Проверено 26 марта 2021 г.
  26. ^ Оттмайер В. (1992). «Гербициды фотосистемы II». Фотосистемы . стр. 349–408. дои : 10.1016/B978-0-444-89440-3.50018-7. ISBN 9780444894403.