Фотосистема II (вторая фотосистема, фотосистема два, ФСII), или H 2 O-пластохиноноксидоредуктаза — первый функциональный комплекс электрон-транспортной цепи (ЭТЛ) хлоропластов. Он расположен в мембранах тилакоидов всех растений, водорослей и цианобактерий. Поглощая энергию света в ходе первичных фотохимических реакций, он формирует сильный окислитель — димер хлорофилла a (П 680 +), который через цепь окислительно-восстановительных реакций способен вызвать окисление воды.

Окисляя воду, фотосистема II поставляет электроны в ЭТЛ хлоропласта, где они используются для восстановления НАДФ + или циклического фосфорилирования. Кроме этого, окисления воды приводит к образованию протонов и формированию протонного градиента, используемого в дальнейшем для синтеза АТФ. Фотохимические окисления воды, осуществляет фотосистема II, сопровождается выделением молекулярного кислорода а. Благодаря этому процессу фотосинтез растений является основным источником кислорода на Земле.

История открытия

Реакционный центр ФСII был выделен в 1971 году Л. Верноном. В изучение его структурной организации особый вклад внесли исследования Х. Т. Витта (1962), в которых методом дифференциальной спектрофотометрии был выделен пигмент П 680, и лаборатории А. А. Красновский (В. В. Климов, В. А. Шувалов, а . А. Красновский, 1977), в которых методом импульсной спектроскопии был найден первичный акцептор реакционного центра II — феофитин. В течение нескольких десятков лет различные группы исследователей пытались определить пространственную структуру компонентов, составляющих комплекс фотосистемы II. В итоге методом рентгеноструктурного анализа в 2001 году А. Зоуни с коллегами удалось впервые получить пространственную структуру ФСII с цианобактерии Synechococcus elongatus с разрешением 3,8 Å. При этом фермент был в активной форме, то есть ФСII в кристаллической форме расщепляла воду под воздействием свет а.

Отличия от фотосистемы I

Основная функция фотосистемы II — генерация сильного окислителя, который индуцирует процесс окисления воды и переноса ее электронов на мембранный переносчик. Основная функция фотосистемы I — насытить эти низкоуровневые электрон и энергией, чтобы с их помощью осуществить восстановление НАДФ +. Поскольку энергия суммарного процесса слишком велика, чтобы осуществить его в рамках одного реакционного центра, в ходе эволюции появились две фотосистемы, которые раздельно осуществляют различные части этой реакции. Их специфические функции и определяют особенности их строения. Так, фотосистема I симметричная, то есть в ней работают две ветви электронного транспорта, что делает его значительно быстрее, в то время как фотосистема II асимметричная и обладает только одной рабочей ветвью, замедляет транспорт электронов, но делает его более управляемым. Обе фотосистемы значительно отличаются по строению антенн, дополнительных субъединиц, способов регуляции и положению в мембране. Так, фотосистема I обладает интегральной антенной, хлорофиллы которой расположены непосредственно на главных белках комплекса — А и B, в то время как в фотосистемы II они вынесены на внешние белки CP47 и CP43. По количеству дополнительных малых регуляторных субъединиц ФСII значительно превосходит ФС, связано с необходимостью тонкой регуляции процесса окисления воды, который потенциально крайне опасный для клетки. Этим же объясняется неоднородное распределение фотосистем в мембране Тилакоиды а: ФС располагается преимущественно в области маргинальных, торцевых и стромальных мембран, а ФСII практически полностью находится в области спаренных мембран, обеспечивает клетке дополнительную защиту от произведенных ею активных форм кислорода.

Главное отличие фотосистемы II от фотосистемы I — это наличие большого обращенного в люмен домена, который состоит из марганцевого кластера и окружающих его защитных белков. Именно здесь происходит процесс фотохимического окисления воды, сопровождаемый выделением кислород а и протонов.

Феофитин

Феофитин — первый акцептор электронов в фотосистеме II. Именно здесь, между феофитин (E о '= -0,53 В) и возбужденным фотоном пигментом П 680, происходит первичное фотохимическое разделение зарядов. Перенос электрона осуществляется в течение нескольких пикосекунд.

* ФОТОВОЗБУЖДЕННОГО П 680 * отдает один электрон феофитин, в результате чего происходит разделение зарядов, и образуется первичная радикальная пара:
Фотосистема II

Пластохинона Q A и Q B

В ФСII есть два сайта связывания пластохинона: в одном из них (Q A · Fe 2+) постоянно находится связан пластохинона в комплексе с железом, а второй сайт (Q B) способен обратимо связывать свободные пластохинона и мембраны. Оба пластохинона играют роль вторичных акцепторов электрона, принимая его от феофитин. Перенос электрона между феофитин и пластохинона происходит в первые 200 пикосекунд. Сначала происходит перенос электрона от феофетина и одноэлектронное восстановления Q A, в результате чего он переходит в форму свободного радикала — семихинонив а. Аминокислотной окружения сайта Q A делает его крайне нестабильным и повышает его восстановительную способность (E о '= -0,13 В), так что он сразу же передает электрон на Q <sub> B. При этом Q A окисляется и готов принять следующий электрон от феофитин, а Q B остается в форме семихинонив к следующему акту передачи электронов, стабилизированный своему аминокислотному окружением. Получив от Q A второй электрон, Q B полностью восстанавливается, используя два протона с стромального пространства. В форме Q B H 2 он распадается из комплекса ФСII в гидрофобный фазу мембраны и становится компонентом пула пластохинона.

* Феофитин отдает электрон Q A с образованием семихинонив — радикала:
Фотосистема II
* Q A восстанавливает Q B, который тоже переходит в состояние семихинонив — радикала:
Фотосистема II
* Q B получает второй электрон от Q A и завершает свое восстановление, присоединяя два протона из стромы и диффундируя в липидный бислой:
Фотосистема II

Цитохром b 559

Цитохром b 559 — гетеродимерний белок, состоящий из одной альфа (PsbE) и одной бета (PsbF) субъединицы, между которыми расположен гем. Этот белок является одним из основных компонентов ядра фотосиcтемы II. Хотя цитохром b 559 и ​​не участвует в основном транспорте электронов, он играет важнейшую роль во вспомогательном или циклическом транспорте электронов, который позволяет восстановить окисленный П 680 при заблокированном потоке электронов от воды.

В ФСII обнаружены две формы цитохрома b 559: высокопотенциальный (b 559 H E о '= 0,37 В) и низкопотенциальная (b 559 L E о' = 0,08 В). Высокопотенциальный форма протонованих, низкопотенциальная — депротонированной. При определенных условиях наблюдается взаимопревращение одной формы в другую, поэтому цитохром b 559 может осуществлять не только циклический транспорт электронов, но и транспорт протонов в люмен в ходе окислительно-восстановительных реакций.

Водоокисляющий комплекс

Марганцевый кластер состоит из четырех атомов марганца в степени окисления от 3 до 5, пяти связывают их атомов кислорода но и одного атома кальция. Точная структура марганцевого кластера до сих пор остается предметом споров и предположений. Крайне недостоверными оказались его структуры, полученные методом рентгено-кристалогоргафии, поскольку было показано, что атомы марганца могут восстанавливаться под влиянием рентгеновского излучения. Однако кристаллография в комбинации с другими, более щадящими спектроскопическими методами, такими как EXAFS и ЭПР, помогли ученым получить довольно хорошее представление о базовой организации кластера. Также считают, что в поддержании структуры марганцевого кластера может участвовать гидрокарбонат — анион, который связывается с люменальним доменом D 1.

Механизм окисления воды в настоящее время еще не вполне ясен, но можно считать экспериментально доказанным следующее. Движущей силой окисления воды является образование в ходе первичных фотохимических реакций очень сильного окислителя П 680 с потенциалом 1,12 В. Между марганцевым кластером и П 680 существует промежуточный переносчик электронов Tyr Z — остаток тирозин а белка D 1 (Tyr-161), который последовательно переносит четыре электрона от воды на специальную пару хлорофиллов.

Последовательность реакций представляется следующим образом. Tyr Z окисляется и восстанавливает П 680 +. Окисления тирозин а идет с образованием нейтрального радикала (Tyr Z), что указывает на сопряженность процесса снятия электрона от гидроксила тирозина с процессом передачи его протона на акцептор. В качестве акцепторов протона могут выступать остатки гистидин а H190 и глутаминовой кислоты E189 белка D 1, расположенные вблизи тирозин а-161. Далее протон может быть передан по цепочке аминокислот к люменальной поверхности мембраны, где происходит его выброс в люменальное пространство. Тирозин же восстанавливается за счет работы марганцевого кластера и окисления воды: образовался нейтральный радикал Tyr Z отрывает атом водород а от молекулы воды, связанной с атомами марганца в кластере. Только один из ион ов марганца, а именно четвертый Mn, связывает молекулу воды в качестве субстрата и забирает от нее электроны. Предполагается, что непосредственно перед формированием O = O связи четвертого Mn переходит в состояние Мп 5. В этом случае O = O связь может быть образована за счет нуклеофильного атаки на электрон-дефицитный комплекс Мп 5 = O второй молекулой воды, которая связана с с окружающим ионом кальция. Полное окисление воды и образование кислород а требует четырехкратного повторения описанных событий.

Светособирающих комплекс

Внутренняя антенна фотосистемы II состоит из двух кодированных хлоропластной геномом белков — CP43 и CP47, которые вплотную примыкают к центральному гетеродимеры D 1 / D 2 (CP43 располагается вблизи D 1, а CP47 — около D 2). Белок CP43 ассоциированный с 13 молекулами хлорофилла а и 3-5 молекулами β-каротина. CP47 несет 16 молекул хлорофилла а и 5 молекул β-каротина. С этими антеннами контактируют внешние «минорные» антенны: CP29, CP26 и CP23, также известные как Lhcb4-6, причем CP26, CP29 и ССКII находятся в контакте друг с другом. Каждый из этих белков содержит по 18 молекул хлорофилла а, 9 молекул хлорофилла b и 6 молекул каротин Оида. Благодаря своему положению минорные белки осуществляют функцию регулирования стока энергии от внешних антенн на реакционный центр ФСII. Именно в минорных белках протекает виолоксантиновий цикл, который играет фотопротекторную роль при избыточном освещении и помогает подготовить растение к смене дня и ночи.

Внешняя мобильная антенна состоит из Lhcb1-3 (масса около 26 кДа), организованных в триммер. Все три белка кодируются в ядре. Каждый из белков мобильного антенны содержит 7 молекул хлорофилла а, 6 молекул хлорофилла b, 2 перекрещенные молекулы лютеин а, и по одной молекуле неоксантина и виолоксантин (или зеаксантин а). При фосфорилирования этой антенны специальными ферментами ее заряд становится более негативным, и она мигрирует от фотосистемы II в область расположения фотосистемы I, где ассоциируется с ее внешней антенной. Таким образом осуществляется перераспределение энергии между двумя фотосистемами и тонкая настройка фотосинтеза.

Защита от фотоингибирования

Циклический транспорт электронов

Кроме основного, нециклического потока электронов, в ходе которого происходит перенос низкоуровневых электронов от воды на пул пластохинона, фотосистема II может осуществлять циклический транспорт электронов внутри самой себя, когда электрон курсирует по замкнутому пути внутри фотосистемы. Такой вид транспорта реализуется в условиях, когда интенсивность света превышает возможности ЭТЛ утилизировать его энергию или при повреждении водоокиснюючого комплекса. В ходе этого процесса происходит обратный перенос электронов от восстановленного первичного хинона Q B на цитохром c 559, затем на вспомогательный хлорофилл Хл Z, а дальше на β-каротин, который восстанавливает окисленный пигмент П 680 +. В экстремальных условиях возможно протекание псевдоцикличного транспорта электронов (перенос электронов от воды на кислород).

П 680 + является сильнейшим окислителем и поэтому представляет серьезную опасность для клетки. В нормальных физиологических условиях донором электронов для него Tyr Z, однако в экстренном восстановлении, например в условиях низкой температуры, в его восстановлении могут участвовать Tyr D, Хл Z и Хл D, а также β-каротин белка D 1. В результате восстановления П 680 + β-каротин окисляется с образованием каротин-радикала (Car +), который поглощает при 950 нм. Восстановление Car + возможно через цитохром b 559.

Фотосистема II

Защитная функция каротиноидов

Помимо участия в циклическом транспорте, в каротиноидов реакционного центра есть и другая функция — осуществлять тушение триплетного хлорофилла. На D 1 и D 2 белках симметрично расположены две молекулы β-каротина. На D 1 β-каротин находится в форме все — транс, то есть все его связи находится в 'транс' '- положении, в то время как на D 2 β-каротин имеет одну' 'цис' — связь в 15-м положении. Если в результате фотовозбуждения образуется крайне реакционно-активное триплетная форма одного из хлорофиллов пигмент а П 680, β-каротин поглощает часть его избыточной энергии, переводя электрон в основное состояние. При этом происходит спонтанный переход связи в 15-м положении с цис — в транс -, а избыточная энергия триплетного электрона выделяется в виде тепла.

Фотосистема II

Заглаживание фотосистемы II

Еще один механизм защиты от фотоингибирования — замена «жертвенного» белка D 1. За высокого содержания фотоактивных редокс-агентов и ароматических аминокислот, а также вследствие близости к водоокисляющему комплекса этот белок очень неустойчив к воздействию света, поэтому при интенсивной инсоляции он быстро окисляется или претерпевает процесс фотодеструкции. Интенсивность синтеза D 1 белка составляет 50% от всех синтезированных в хлоропласте белков, тогда как его доля от белков хлоропласта — 0,1%. Время полураспада этого белка всего 30 минут.

Процесс репарации происходит по следующей схеме. Сначала происходит разборка комплекса ФСII: идут белки ВОК, снимаются атомы Mn, отсоединяются CP43 и CP47. Далее происходит удаление «испорченного» белка: «отгрызать» выступающие из мембраны участки белка D 1 (работает специальная протеаза degP2), а специальный белок AtFtsH «выталкивает» его останки из мембраны и протеолитических раскладывает их. Синтез нового белка D 1 идет в ламелл, после чего он подвергается процессинг (удаляется N-концевой метионин, что остался треонин ацетилируется, этот треонин может обратимо фосфорилированной). Затем происходит миграция D 1 в грани: белок пальмитируется и в таком виде встраивается в мембрану гран, после чего происходит обратная сборка ФСII.

Локализация в мембране тилакоида

Фотосистема II, генерируя сильный окислитель и будучи потенциальным источником активных форм кислорода, представляет серьезную опасность для клетки. Поэтому неудивительно, что большая часть этого комплекса расположена в области спаренных мембран — в максимально удаленном и защищенном месте.

В отличие от фотосистемы I, которая у высших растений присутствует лишь в виде мономер а фотосистема II способна образовывать димер и во всех трех фотосинтезирующих группах

Изображения по теме

  • Фотосистема II