Комплекс фотосистемы II. Механизмы фотоокисления воды и выделения молекулярного кислорода

Комплекс ФСII осуществляет окисление воды и восстановление пластохинонов, т.е. является Н₂О-пластохиноноксидоредуктазой. Окислительно-восста­новительные реакции в комплексе инициируются светом. В ходе первичных фотохимических реакций в РЦ ФСII образуется сильный окислитель П с уникально высоким редокс-потенциалом (E = +1,12 В), который способен вызвать цепь окислительно-восстановительных реакций, приводящих в итоге к окислению воды. Система окисления воды ФСII поставляет электроны в ЭТЦ хлоропластов, которые через ряд промежуточных переносчиков (пластохиноны, цитохром b₆ f-комплекс и пластоцианин), попадают в ФС1 и используют­ся на восстановление НАДФ⁺. Фотолиз воды, осуществляемый ФСII, сопро­вождается выделением молекулярного кислорода. Благодаря этому процессу фотосинтез растений является основным источником кислорода на Земле.

Пептидный состав, редокс-центры, структурная организация ФСII.Комп­лекс ФСII высших растений и водорослей включает около 20 полипептидов, большая часть которых представлена интегральными белками, и только 5 по­липептидов располагаются на поверхности мембраны, обращенной к люмену, формируя периферийный домен комплекса. Структурно и функционально в комплексе ФСII можно выделить ядро, ряд низкомолекулярных интегральных белков, примыкающих к ядру, функциональная роль которых остается до сих пор

не вполне ясной, и белки водоокисляющего комплекса (ВОК). Структурно-функ­циональная организация комплекса ФСII представлена на рис. 3.34.

Редокс-агенты, участвующие в транспорте электронов ФСII, располагают­ся в центральной части — ядре — комплекса ФСII и связаны с интегральными белками D1 и D2. Белки D1 (38 кДа) и D2 (39 кДа) имеют высокую степень гомологии друг с другом по первичной структуре и сходное расположение в мембране. Аминокислотные последовательности белков D1 и D2 также очень близки аминокислотным последовательностям L- и М-полипептидов реак­ционного центра пурпурных бактерий. Белки образуют по 5 трансмембранных α-спиралей, аминокислотные остатки которых и связывают компоненты реак­ционного центра ФСII, а также редокс-кофактры вторичного транспорта элек­тронов. На белках D1 и D2 организован димер П₆₈₀. Кроме того, каждый из белков присоединяет еще по 2 молекулы хлорофилла а (дополнительный и сопровождающий хлорофиллы), молекулу феофитина а (Фео), β-каротин и пластохинон (Q_A связан с белком D2, a Q_B — с белком D1). Между Q_A и Q_B находится ион двухвалентного железа, в координировании которого участвуют оба белка. Люменальный домен полипептида D1 присоединяет 4 иона марган­ца и формирует Мп-кластер, осуществляющий окисление воды. По данным рентгеноструктурного анализа, пигмент реакционного центра П₆₈₀ располагается в области ФСII, обращенной к люменальному пространству тилакоида. На про­тивоположной стороне комплекса, обращенной к строме, находятся хиноны Q_A и Q_b и негеминовое железо. Почти симметрично оси, соединяющей П₆₈₀ и негеминовое железо, на каждом из белков располагаются остальные тетра-пиррольные кофакторы: молекулы феофитина (на белке D1 — Фео_А, на белке D2 — Фео_в), сопровождающие хлорофиллы (Хл_Z и Хл_D) и дополнительные хлорофиллы, занимающие промежуточное положение между пигментом реак­ционного центра и Фео (В_А — на белке D1, В_в — на белке D2, на рисунке не показаны).

Кроме белков D1 и D2 в состав ядра ФСII входят белки СР47 и СР43, кото­рые связывают около 30 молекул хлорофилла а и составляют внутреннюю, фокусирующую антенну комплекса, цитохром b₅₅₉, включающий α- и β-субъединицы, участвующий в циклическом транспорте электронов в ФСII и наряду с белком I (4,8 кДа) необходимый для сборки функционально активного ком­плекса ФСII. Таким образом, ядро комплекса ФСII, способное окислять воду и восстанавливать пул пластохинонов, составляют белки Dl, D2, СР47, СР43, α- и β-субъединицы цитохрома b₅₅₉ и белок I (см. рис. 3.34).

Оптимизацию работы системы окисления воды обеспечивают 3 гидрофиль­ных белка с молекулярными массами 33, 23 и 17 кДа. Они составляют перифе­рийный домен комплекса ФСII Эта группа белков, называемых белками водо­окисляющего комплекса (ВОК), располагается на люменальной стороне мемб­раны вблизи локализованного на белке D1 марганцевого кластера и играет структурную и регуляторную роль в системе окисления воды. Белок 33 кДа влияет на состояние марганцевого кластера, а два других белка важны для создания в области марганцевого кластера необходимой для окисления воды концентрации ионов кальция и хлора.

С комплексом ФСII связаны полипептиды, составляющие внешнюю (дистальную) антенну комплекса. Одни из них (Lhcb 1, 2, 3) образуют мобильную антен­ну — светособирающий комплекс II (ССКII), другие (Lhcb4-6) представляют собой группу минорных, низкомолекулярных белков (СР29, СР26, СР24), за­нимающих промежуточное положение между ядром комплекса и ССКП. Белки дистальной антенны присоединяют более 150 молекул хлорофилла а и около 100 молекул хлорофилла b, осуществляющих поглощение и передачу энергии света в реакционные центры ФСII. В дистальную антенну входят также около 50 молекул каротиноидов, функция которых связана не только с поглощени­ем и передачей энергии, но также с защитой комплекса ФСII от избыточной энергии света.

Транспорт электронов в ФСII.Первичные фотохимические реакции в РЦ ФСIIзапускают вторичный транспорт электронов по ЭТЦ. Акцепторная сторо­на ЭТЦ ФСII осуществляет перенос электрона от восстановленного Фео к пулу пластохинонов. Донорная сторона ЭТЦ включает ряд окислительно-вос­становительных реакций, приводящих к окислению воды. При этом электроны воды используются для восстановления первичного донора электронов П . Процесс сопровождается выделением молекулярного кислорода и переносом протонов в люменальное пространство.

Рассмотрим подробно окислительно-восстановительные процессы, прохо­дящие на донорной и акцепторной сторонах ЭТЦ фотосистемы II.

Донорная сторона ЭТЦ ФСII связана с работой системы окисления воды и передачей электронов от воды к П через промежуточный переносчик электронов Tyr_Z — остаток тирозина белка D1 (Туr-161).

Окисление, или фотолиз, воды — уникальное свойство ФСII растений. Про­цесс окисления воды при фотосинтезе приводит к выделению кислорода без образования промежуточных продуктов окисления и описывается уравнением

2Н₂О → О₂ + 4Н⁺ + 4е

Механизм окисления воды в настоящее время еще не вполне понятен, но можно считать экспериментально доказанными следующее. Движущей силой окисления воды является образование в ходе первичных фотохимических ре­акций очень сильного окислителя П . Потенциал П (+1,12 В) достаточно высок,чтобы произвести окисление воды, окислительно-восстановительный потенциал которой около +0,8 В. Однако окисление воды осуществляет не сам окисленный пигмент реакционного центра П , а особая система окисления воды, включающая марганцевый кластер (Mn-кластер). Между Mn-кластером и окисленным П имеется промежуточный переносчик электронов Tyr_z — остаток тирозина белка D1 (Туr-161). Одна из современных моделей, описыва­ющих процесс окисления воды в марганцевом кластере, основана на металло-радикалъном механизме, согласно которому существует тесное взаимодей­ствие двух реакций — окисления тирозина и окислительно-восстановительной реакции в марганцевом комплексе. Близость расположения Tyr_z к марганцево­му кластеру позволяет рассматривать тирозин как компонент водоокисляющей системы ФСII.

Последовательность реакций представляется следующим образом. Первым событием, происходящим вслед за первичным разделением заряда в РЦ ФСII, является окисление Tyr_z и восстановление П - Окисление тирозина идет с образованием нейтрального радикала (Y ), что указывает на сопряженность процессаотнятия электрона от гидроксила тирозина с процессом передачи его протона на акцептор.

В качестве акцептора протона могут выступать остатки гистидина Н190 и глутаминовой кислоты Е189 белка D1, расположенные вблизи тирозина-161 (Y161, Y_Z). Далее протон может быть передан по цепочке аминокислот к люменальной поверхности мембраны, где происходит либо локальное изменение концентрации протонов, либо выброс протона в люменальное пространство. Восстановление тирозина идет за счет работы марганцевого кластера и окис­ления воды: образующийся нейтральный радикал Y осуществляет отрыв ато­мов водорода от субстратной воды, связанной с атомами Мn в кластере. Пол­ное окисление воды и образование кислорода требует четырехкратного повто­рения описанных событий.

Состояние системы окисления воды меняется в зависимости от уровня окисленности атомов марганца в кластере. Представление о существовании отдель­ных функционально различимых состояний (S-состояний) водоокисляющей системы возникло на основе результатов работ П.Жолио с сотр. (1969). Исполь­зуя мощные кратковременные вспышки света для индукции выделения кисло­рода в адаптированных к темноте хлоропластах, исследователи обнаружили ос­цилляцию выделения кислорода с периодом 4 (рис. 3.35, А).

Рис. 3.35. Фотоокисление воды в хлоропластах:

А — выделение кислорода хлоропластами в ответ на серию кратковременных вспышек (по Joliot et at., 1969); Б — модель изменения S-состояний системы окисления воды при освещении (по Kok et al., 1970); Б — модель изменений степени окисленности ионов марганца при освещении (по Robblee et al., 2001). Объяснение в тексте

Первые две вспыш­ки не приводили к заметному выделению кислорода. Максимальное количество кислорода выделялось на третью вспышку, второй максимум приходился на четвертую вспышку. После примерно 20 вспышек устанавливалась стационар­ная величина выделения кислорода. Для объяснения этих результатов была предложена модель работы водоокисляющей системы (В. Кок et al., 1970), согласно которой система окисления воды может находиться в различных состояниях, обозначаемых , S₀, S₁ S₂, S₃, S₄ (рис. 3.35, Б). Переход из одного состояния в следующее совершается в результате действия вспышки света и удаления элек­трона из системы. Выделение молекулярного кислорода из двух молекул воды происходит лишь при переходе из состояния S₃ в состояние S₄, причем состоя­ние S₄ нестабильное и сразу же переходит в состояние S₀. Согласно современ­ным представлениям, в ходе S-цикла изменяется валентность двух из четырех составляющих кластер атомов Мn. Схема возможного поэтапного изменения валентности марганца представлена на рис. 3.35, В. В результате изменения окис­лительно-восстановительных свойств кластера достигается высокий положи­тельный окислительно-восстановительный потенциал (E около +0,9 В) и ста­новится возможным окисление воды.

Окисление воды сопровождается выделением 4 протонов в люменальное пространство тилакоидов, однако оно не синхронно с выделением кислорода: по одному протону Н⁺ выделяется при переходе из состояния S₀ в S₁ и из состояния S₁ в S₂, два оставшихся протона выделяются после перехода из со­стояния S₃ в состояние S_o через нестабильное состояние S₄.

В организации водоокисляющей системы хлоропластов участвуют как ми­нимум 4 атома марганца, связанных с белком D1. Кроме того, для активной работы системы окисления воды требуются ионы хлора и кальция. Одна из моде­лей пространственной организации Mn-кластера представлена на рис. 3.36.

Альтернативный путь восстановления П .Вусловиях нарушения донорного участка ЭТЦ фотосистемы II, например при повреждении системы окисле­ния воды, восстановление Пидет за счет альтернативных доноров электро­нов (см. рис. 3.34). К ним относятся цитохром b₅₅₉, сопровождающий хлорофилл Xл_z, иβ-каротин (Кр). При реализации этого пути транспорта электронов не­посредственным донором электронов для окисленного Пявляется β-каро-

тин. Его окисление приводит к окислению хлорофилла Хл_Z и (или) цитохрома b₅₅₉. Восстановление этих компонентов может происходить с участием пластохинона ФСII Q_B. Таким образом, в ФСII возможен циклический транспорт электронов, позволяющий восстановить окисленный Ппри заблокирован­ном потоке электронов от воды.

В ФСII обнаружены две формы цитохрома b₅₅₉: высокопотенциальная (цит. b₅₅₉H, Е = +0,37 В) и низкопотенциальная (цит. b₅₅₉L, E = +0,08 В). Высокопо­тенциальная форма протонирована, низкопотенциальная — депротонирована. При определенных условиях наблюдается взаимопревращение двух форм ци­тохрома b₅₅₉, поэтому цитохром b₅₅₉ может осуществлять не только цикличе­ский транспорт электронов, но и трансмембранный транспорт протонов в ФСII в ходе редокс-реакций.

Акцепторая сторона ЭТЦ ФСII включает первичный акцептор электронов реакционного центра — феофитин (Фео) и вторичные акцепторы электро­нов — пластохиноны Q_A и Q_B, осуществляющие перенос электронов от Фео на пул пластохинонов (PQ). Пластохиноны А и В составляют так называемый «двухэлектронный затвор» на акцепторной стороне ФСП. Переход от одноэлектронного типа переноса электронов к двухэлектродному на уровне пластохинонов Qa и Qb происходит следующим образом. Одноэлектронное восстановление Q_A приводит к образованию семихинона, который сейчас же передает электроны на Q_B. При этом Q_A окисляется и готов принять следующий электрон от Фео , a Q_B находится в форме семихинона до следующего акта передачи электронов от Q_A. Получив от Q_A второй электрон, Q_B полностью восстанавливается, ис­пользуя два Н⁺ из стромального пространства. В форме пластохинола Q_BH₂ он диссоциирует из комплекса ФСII в гидрофобную фазу мембран и становится компонентом пула пластохинонов. Для передачи электрона от Q_A к Q_B необхо­дим ион двухвалентного железа.