Комплекс фотосистемы I

Фотосистема I (ФС1) является пластоцианин-ферредоксин-оксидоредуктазой. Окислительно-восстановительные реакции в ФС1 индуцируются светом. Фо­тохимическое разделение зарядов в РЦ ФС1 приводит к формированию силь­ного восстановителя A₀ ( Е = -1,1 В), способного через цепь переносчиков электронов осуществить восстановление НАДФ⁺. Таким образом, при участии ФС1 синтезируется НАДФН — источник электронов для последующих реак­ций восстановления углерода в хлоропластах. Кроме того, ФС1 может осуще­ствлять циклический транспорт электронов, сопряженный с синтезом АТФ, обеспечивая дополнительный синтез АТФ в хлоропластах.

Пептидный состав, редокс-центры, структурная организация ФС1.Комп­лекс ФС1 хлоропластов растений и водорослей включает 13 пептидов, из ко­торых 8 — интегральных и 5 — периферических. В структуре комплекса выделя­ют центральную интегральную часть (ядро) и два периферийных домена — со стороны стромы и со стороны люмена. К комплексу ФС1 примыкают белки внешней антенны CCKI, которые в отличие от ССКII не меняют своего распо­ложения в мембране и всегда связаны с комплексом ФС1. Структурная органи­зация комплекса ФС1 показана на рис. 3.37.

Рис. 3.37. Структурно-функциональная организация комплекса ФС1. Буквами обозначены отдельные пептиды. Остальные обозначения, как на рис. 3.32

Кофакторы ЭТЦ, осуществляющие первичный и вторичный транспорт элек­тронов в ФС1, связаны с двумя наиболее крупными интегральными белками комплекса — А (83 кДа) и В (82,4 кД), а также с белком С (8,9 кДа), располо­женным на поверхности мембраны со стороны стромы. Белки А и В присое­диняют димер П₇₀₀, по одной молекуле мономера хлорофилла а (Хл_б95) — первичного акцептора электронов (А_о), по одному дополнительному хлоро­филлу а (А) (на рисунке не показано), и по одной молекуле филлохинона (А₁), а также железосерный кластер F_X . Белок С содержит редокс-центры тер­минального участка ЭТЦ ФС1: F_A и F_B.

По данным рентгеноструктурного анализа кристаллов ФС1, редокс-цепь пронизывает комплекс от люменальной к стромальной части (П₇₀₀ располо­жен ближе к люменальной стороне комплекса,

F_X — ближе к строме). Два набора дополнительных хлорофиллов (А), первичных акцепторов электронов (А₀) и филлохинонов формируют две почти симметричные ветви транспорта электронов от П₇₀₀ к F_X (см. рис. 3.37). В отличие от реакционных центров бак­терий и ФСII, где из двух ветвей транспорт электронов осуществляет лишь одна, в ФС1 активны обе ветви транспорта электронов, хотя они неидентичны.

Белки А и В кроме редокс-центров присоединяют пигменты внутренней антенны ФС1 (около 95 молекул хлорофилла а и 22 молекулы β-каротина, 5 из которых находятся в цис-конформации). Это отличает ФС1 от ФСII, где пиг­менты внутренней антенны расположены на отдельных белках СР43 и СР47. Пигменты внутренней антенны располагаются в виде цилиндра, окружающе­го редокс-агенты ЭТЦ ФС1.

Белки А и В составляют ядро комплекса ФС1. Белок С вместе с тремя низ­комолекулярными белками — D, Е и Н — организуют периферийный домен комплекса со стороны стромы. Белки D, Е и Н не содержат редокс-агентов, но участвуют в организации центра связывания ферредоксина с ФС1. Белок Н обеспечивает также взаимодействие ФС1 с ССКII при переходе хлоропластов из состояния 1 в состояние 2 (см. подразд. 3.4). Перифериный домен со стороны люмена у растений и водорослей составляют периферийный белок N (9 кДа) и большой люменальный домен интегрального белка F (15,7 кДа). Здесь форми­руется центр связывания восстановленного пластоцианина с ФС1.

Транспорт электронов в ФС1.Работа реакционного центра ФС1 приводит к быстрому разделению зарядов: первичный донор электронов П₇₀₀ окисляется, первичный акцептор электронов A₀ (Хл₆₉₅) — восстанавливается. Последующий транспорт электронов к ферредоксину связан с работой акцепторной стороны ФС1, а восстановление П — с донорной стороной ФС1.

Акцепторную сторону ФС1 составляют филлохинон (витамин К₁) и низкопо­тенциальные

[4Ре-48]-железосерные кластеры, образующие центры F_Х, F_A и F_В(cm. рис. 3.37).

Филлохинон (А₁), промежуточный переносчик электрона от аниона А к железосерному кластеру F_Х , имеет низкий окислительно-восстановительный потенциал (Е_м пары А /А₁ находится в интервале от -0,755 до -0,785 В). Пере­дача электрона между А_о и А₁ происходит за 4 — 50 пс. Разная скорость восста­новления А₁ возможно, является отражением работы двух ветвей транспорта электронов в ФС1.

Железосерный кластер F_Х (Е = -0,700 В) окисляет восстановленный А₁. Даль­нейший транспорт электронов осуществляют железосерные кластеры F_A и F_B, характеризующиеся низкими окислительно-восстановительными потенциала­ми (соответственно -0,59 и около -0,55 В). Согласно современным представле­ниям, происходит последовательный перенос электронов от F_Х к F_А, затем к F_B, а от него — на ферредоксин. Время переноса электронов на этом участке ЭТЦ порядка 500 нс.

Ферредоксин восстанавливается комплексом ФС1 на стромальной стороне мембраны. Ферредоксин (ФД) — растворимый белок, содержащий [2Fe-2S]-кластер с низким окислительно-восстановительным потенциалом. Восстанов­ленный ферредоксин (ФД_ВОССТ) — сильный восстановитель (Е = -0,43 В), может быть источником электронов для различных реакций, происходящих в хлоропластах. Так, ФД_ВОССТ поставляет электроны для восстановления нитритов и асси­миляции серы в хлоропластах. Он восстанавливает тиоредоксин — низкомоле­кулярный серосодержащий белок, участвующий в редокс-регуляции метаболиз­ма хлоропластов (подробно см. подразд. 3.8). ФД_В0ССТ выполняет функцию медиа­тора нециклического, циклического и псевдоциклического транспорта элект­ронов и, возможно, именно через ФД происходит регуляция этих потоков. Для транспорта электронов от ФС1 к ФД необходимо их взаимодействие за счет элек­тростатических сил. В образовании комплекса ФС1-ФД участвуют белки D и Е.

При нециклическом потоке электронов за счет восстановленного ферре­доксина восстанавливается НАДФ⁺. В реакции передачи электрона от ФД_ВОССТ к НАДФ⁺ участвует фермент ферредоксин-НАДФ⁺-оксидоредуктаза (ФНР). Обра­зование комплекса ФС1 с ферредоксином и ферментом ферредоксин-НАДФ⁺-оксидоредуктазой является обязательным условием восстановления НАДФ⁺,

при этом важную роль играет белок Е ФС1. Фермент ФНР — водорастворимый белок, содержащий в качестве редокс-кофактора ФАД. Фермент имеет два центра связывания субстратов реакции: центр связывания ФД и центр связывания НАДФ⁺. Энергизация мембран хлоропластов на свету увеличивает сродство фермента к НАДФ⁺ в сотни раз.

Циклический поток электронов с участием ФС1 обеспечивает перенос элек­трона от восстановленного ферредоксина к окисленному П . Вначале элект­рон перемещается от ФД_ВОССТ на пул пластохинонов (PQ). Затем от PQ через цитохромный b₆ f-комплекс и пластоцианин электрон вновь попадает в ФС1, где используется на восстановление П . Полагают, что существует особый фермент — ферредоксин-хинон-оксидоредуктаза (FQR), окисляющий ФД_ВОССТ и восстанавливающий пул пластохинонов.

Донорная сторона ФС1. Восстановление П производит пластоцианин (Пц) — медьсодержащий белок с молекулярной массой около 10 кДа. Этот водорастворимый белок электростатическими силами удерживается на поверх­ности мембраны, обращенной к люмену. Белок имеет форму, близкую к ци­линдрической, с явно выраженной полярностью распределения зарядов. Окис­лительно-восстановительный потенциал Пц около +0,37 В. Пластоцианин пе­реносит электроны от цитохромного b₆ f-комплекса к комплексу ФС1. Восста­новление П осуществляется по трехстадийному кинетическому механизму, который включает формирование комплекса Пц с ФС1, его реорганизацию и собственно транспорт электрона. Пластоцианин присоединяется к ФС1 за счет электростатических и гидрофобных взаимодействий.

3.6.2.3. Цитохромный b₆f-комплекс хлоропластов

Цитохромный b₆ f-комплекс осуществляет окисление пластохинолов и вос­становление пластоцианина, обеспечивая этим электронную связь между реак­ционными центрами ФС1 и ФСII. Наряду с подвижными переносчиками элек­тронов — пластохинонами и пластоцианином, он функционально объединяет две фотосистемы в единую цепь переноса электронов от воды к НАДФ⁺, т.е. является участником нециклического потока электронов. Кроме того, цитохром­ный комплекс вовлечен в циклический поток электронов, осуществляемый ФС1.

Цитохромный комплекс занимает особое стратегическое положение в ЭТЦ — между ФС1 и ФСII. Именно здесь наблюдается наибольший перепад редокс-потенциала и, следовательно, наибольшее выделение энергии. Поэтому глав­ная функция цитохромного b₆ f-комплекса — сопряжениередокс-энергии с обра­зованием Δ . В ходе окислительно-восстановительных реакций с участием ци­тохромного комплекса происходит трансмембранный перенос протонов из стромы в люмен и формируется электрохимический градиент протонов, энер­гия которого используется

АТФ-синтазным комплексом на синтез АТФ.

Редокс-состояние цитохромного комплекса играет важную роль в регуляции распределения потока энергии между двумя фотосистемами, определяя переход хлоропластов от состояния 1 к состоянию 2.

Пептидный состав, редокс-центры и структурная организация.Цитохромный b₆ f-комплекс включает 5 — 7 интегральных пептидов, 3 из них несут редокс-центры, участвующие в транспорте электронов.

В организации функционального домена комплекса участвуют: субъединица 34 кДа, включающая гем цитохрома f (Е = +0,37 В); субъединица 23,5 кДа, содержащая два протогема цитохрома Ь₆, с различными окислительно-вос­становительными потенциалами (цитохром Ь₆Н , Е = -0,05 В, и цитохром b₆L , Е = -0,15 В), и белок Риске (20 кДа), несущий железосерный [2Fe-2S]-клacmep и обладающий высоким потенциалом (Е = +0,3 В). Высокое значение редокс-потенциала центра Риске объясняется участием в координационных связях с железом наряду с двумя остатками цистеина двух остатков гистидина белка. Гистидин не только влияет на окислительно-восстановительный потенциал железосерного кластера. Его остатки могут протонироваться и депротонироваться в зависимости от редокс-условий и таким образом обеспечивать закачи­вание протонов во внутритилакоидное пространство. Это приобретает особое значение в реакциях окисления пластохинолов, в ходе которых происходит перенос протонов в люмен.

Комплекс погружен в тилакоидную мембрану таким образом, что функцио­нальные группы центра Риске и цитохрома f выходят на ее внутреннюю, люменальную, поверхность, тогда как два протогема цитохрома b₆ находятся в толще мембраны, причем один из них (цитохром b₆L) приближен к ее внут­ренней стороне, а другой (цитохром b₆Н) к наружной. Такое асимметричное расположение редокс-центров в мембране обеспечивает существование двух • пространственно разделенных цепей транспорта электронов внутри одного комплекса (рис. 3.38). Одна из них, низкопотенциалъная цепь транспорта элект­рона, формируется за счет двух цитохромов b₆ — низкопотенциального b₆L (Е = - 0,15 В) и высокопотенциального b₆H (E'_o = -0,05 В). Вторая, высокопотен­циальная, цепь включает белок Риске (Е = +0,3 В) и цитохром f (E'_o = +0,37 В). При окислении пластохинолов в цитохромном комплексе реализуются два со­пряженных потока электронов — по низкопотенциальному и высокопотенци­альному пути.

Цитохромный комплекс примерно в равных количествах присутствует в мембранах тилакоидов стромы и гран. В мембранах гран он участвует в нецик­лическом транспорте электронов, а в мембранах стромы, где присутствует только ФС1, — в циклическом.

Транспорт электронов. Цитохромный комплекс окисляет пластохинолы и восстанавливает Пц (см. рис. 3.38). В окислительно-восстановительных реакциях участвуют обе электрон-транспортные цепи комплекса — высокопотенциаль­ная и низкопотенциальная. При этом восстановление Пц происходит через высокопотенциальный путь переноса электронов и является первичным, пус­ковым для низкопотенциального пути транспорта электронов, необходимого для окисления пластохинолов.

Рис. 3.38. Организация ЭТЦ в цитохромном b₆ f-комплексе:

Q-цикл хлоропластов. В скобках указаны редокс-потенциалы переносчиков. Обозначения, как на рис. 3.32 и 3.33. Объяснение в тексте

Окислительно-восстановительные реакции в цитохромном комплексе за­пускаются светом. Действие света на его работу опосредовано ФС1. После воз­буждения светом П и его окисления последовательно окисляются пластоцианин, цитохром f и центр Риске. В свою очередь, центр Риске окисляет пластохинолы, восстановленные фотосистемой II.

Механизм окисления пластохинола цитохромным комплексом отражает Q-цикл, представленный на рис. 3.38. В цитохромном комплексе существуют два центра взаимодействия с пластохинонами/пластохинолами: центр Q_z, располо­женный вблизи внутренней поверхности тилакоидной мембраны, и центр Q_c, расположенный вблизи ее наружной поверхности. Центр Q_z характеризуется высоким сродством к пластохинолам (PQH₂) и слабым сродством к пластохи-нонам (PQ). Промежуточный продукт окисления семихинон не стабилен в этом центре и обладает способностью отдавать электрон. Центр Q_c, напротив, отли­чается низким сродством к PQH₂ и высоким сродством к PQ, семихинон в этом центре более стабилен и обладает способностью принимать электрон.

Окисление пластохинола происходит в центре Q_z. Ведущая роль при этом принадлежит центру Риске. Высокое значение редокс-потенциала железосерного кластера определяет способность центра Риске окислять пластохинолы, индуцируя реакции Q-цикла. Центр Риске, окисленный в результате активно­сти ФС1, отнимает от PQH₂ один электрон, который через цитохром f и пла-стоцианин переносится к ФС1. Процесс сопровождается освобождением одно­го протона в люмен. Семихинон, образованный в результате одноэлектронного окисления пластохинола, отдает свой электрон на низкопотенциальный цитохром b₆L. При этом второй протон освобождается и поступает в люмен. Электрон от восстановленного b₆L передается на высокопотенциальный ци­тохром b₆Н, а от него — на пластохинон, связанный с центром Q_c. В результате в центре Q_c образуется семихинон. При окислении еще одной молекулы плас­тохинола в центре Q_z в центре Q_c образуется пластохинол, который диссоци­ирует от цитохромного b₆ f-комплекса. Это восстановление сопровождается протонированием пластохинона с участием протонов стромы. В результате работы Q-цикла на каждую пару электронов, достигших П четыре протона пере­носятся из стромального во внутритилакоидное пространство. Кроме того, при переносе электронов по цепи двух цитохромов b₆ от центра Q_z к центру Q_c поперек мембраны осуществляется электрогенная реакция, которая вместе с протолитической вносит существенный вклад в создание трансмембранного электрохимического градиента. Таким образом, цитохромный b₆ f-комплекс уча­ствует в создании трансмембранного электрохимического потенциала, энергия которого используется для синтеза АТФ в хлоропластах.

Цитохромный b₆ f-комплекс является важным регуляторным участком ЭТЦ, Во-первых, он осуществляет координацию скорости нециклического потока электронов и восстановления НАДФ⁺ с синтезом АТФ в хлоропластах. Взаимо­связь всех этих процессов осуществляется через рН внутритилакоидного про­странства. Во-вторых, цитохромный b₆ f-комплекс является редокс-сенсором ЭТЦ хлоропластов. При повышении уровня восстановленности пула пластохинонов (PQ) он индуцирует переход хлоропластов из состояния 1 в состояние 2 путем активации специфической протеинкиназы, фосфорилирующей белки ССКII. В результате фосфорилирования меняется расположение ССКII в мембране и снижается поток энергии света в ФСII (см. рис. 3.27).