Фотосисте́ма II (вторая фотосистема, фотосистема два, ФСII) или H₂O-пластохиноноксидоредуктаза — это первый функциональный комплекс электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) хлоропластов. Он расположен в тилакоидной мембране всех растений, водорослей, и цианобактерий. Поглощая энергию света входе первичных фотохимических реакций, он формирует сильный окислитель П₈₆₀⁺, который через цепь окислительно-восстановительных реакций способен вызвать окисление воды.

Окисляя воду, фотосистема II поставляет электроны в ЭТЦ хлоропласта, где они используются для восстановления НАДФ⁺ или циклического фосфорилирования. Протоны, образовавшиеся в результате окисления воды помогают создать протонный градиент, который в дальнейшем используется для синтеза АТФ^[1]. Фотохимическое окисление воды, осуществляемое фотосистемой II, сопровождается выделением молекулярного кислорода. Благодаря этому процессу фотосинтез растений является основным источником кислорода на Земле.

История открытия

Реакционный центр ФСII был выделен в 1971 году в работах Л. Вернона. В изучение его структурной организации особый вклад внесли исследования Х. Т. Витта (1962), в которых методом дифференциальной спектрофотометрии был выделен пигмент П₆₈₀, и лаборатории А. А. Красновского (В. В. Климов, В. А. Шувалов, А. А. Красновский, 1977), в которой методом импульсной спектроскопии был найден первичный акцептор реакционного центра II — феофитин^[2].

Структурная организация фотосистемы II

Фотосистема II состоит из следующих белковых субъединиц и кофакторов^[5][6][7][8]:

У эукариот большинство малых субъединиц, а также субъединиц окружающих ВОК (psbO, psbP, psbQ, psbR, psbS, psbTn, psbW, psbX, psbZ) кодируются в ядре. Там же находятся гены семейства cab, кодирующие белки ССКII. Такой способ распределения генов, когда большие коровые субъединицы белка остаются в хлоропласте, а относительно малые его субъединицы, выполняющие регуляторные функции, переносятся в ядро, позволяет эукариотической клетке лучше контролировать процесс фотосинтеза и помогает скоординировать работу двух геномов^[9].

Субъединица G была исключена из списка субъединиц фотосистемы II, поскольку было показано, что она кодируется геном ndh, который ответственен за синтез ферредоксин-НАДФ⁺-редуктазы^[en], а следовательно не является частью фотосистемы II^[9]. Для субъединицы N, которая кодируется в том же опероне, что и psbB, было показано, что она не является частью комплекса фотосистемы II, однако, находится в мембране тилакоида и осуществляет сборку и организацию её реакционного центра и других субъединиц, входящих в коровый комплекс^[10]. Сомнения вызывает и субъединица S, которая отсутствует в суперкомплексе ФСII-ССКII, однако, этот вопрос остаётся спорным, поскольку поступают сообщения, что её можно обнаружить в димере ФСII^[6].

За последние десятилетие было открыто множество дополнительных белков, участвующих в работе фотосистемы II. Так, Psb27 играет важную роль в репарации и организации марганцевого кластера, Psb28 участвует в биогенезе CP47, Psb29 — в биогенезе ФСII у арабидопсиса и Synechocystis, Psb30, широко распространённый в геномах фотосинтезирующих организмов и необходимый для стабильной работы ФСII, а Psb31 был обнаружен в водоокисляющем комплексе диатомовой водоросли Chaetoceros gracilis^[11]. Для некоторых из этих белков было показано, что они связаны со зрелой фотосистемой II или связываются с ней на определённых этапах её созревания и сборки, но, на данный момент, нет достаточной информации, которая позволила бы утверждать, что они являются конститутивной частью этого белкового комплекса. Процесс выделения и исследования малых субъединиц ФСII крайне затруднён из-за их маленькой молекулярной массы, большой гидрофобности и отсутствия явно выраженной кислотности-основности. По этой, а также ряду других причин до сих пор не существует единой модели строения фотосистемы II^[6].

Редокс-агенты, участвующие в транспорте электронов, располагаются в центральной части — ядре — комплекса ФСII и связаны с интегральными белками D₁ и D₂. Они имеют очень высокую степень гомологии друг с другом по первичному аминокислотному составу, а также с L- и M-полипептидами реакционного центра пурпурных бактерий. Любопытно отметить, что в отличии от высших растений и водорослей, у которых D₁ и D₂ представлены только одной копией на геном, у некоторых цианобактерий может иметься несколько копий D₁ и D₂, которые могут по-разному экспрессироваться в зависимости от внешних условий^[9]. Белки образуют по пять трансмембранных α-спиралей, аминокислотные остатки которых связывают компоненты реакционного центра ФСII. На белках организован димер П₆₈₀. кроме того, каждый из белков присоединяет ещё по три молекулы хлорофилла a (дополнительные и сопровождающие хлорофиллы), молекулу феофитина а, β-каротин и пластохинон (Q_A связан с белком D₂, а Q_B — с белком D₁). Между Q_A и Q_B находится ион двухвалентного железа, в координации которого участвуют оба белка. Люменальный домен домен пептида D₁ присоединяет четыре иона марганца и формирует марганцевый-кластер. Кроме белков D₁ и D₂ в состав ядра входит ФСII входят белки CP47 и CP43 (связывают Хл_Z и Хл_D), которые составляют внутреннюю антенну, а так же цитохром b₅₅₉. Подобно реакционному центру пурпурных бактерий, в фотосистеме II, в виду её асимметричности, работает только одна ветвь электронного транспорта, расположенная на белке D₁. Сущность явления асимметрии заключается в том, что редокс-агенты образуют разное число водородных связей на белках D₁ и D₂. Это влияет на их окислительно-восстановительный потенциал и делает невозможным нециклический транспорт через белок D₂^[8].

Оптимизацию работы водоокисляющего комплекса обеспечивают три гидрофильных белка: P, Q и O (O, V и U у цианобактерий). Они составляют периферийный домен фотосистемы II. Эта группа белков, называемая белками водоокисляющего комплекса, располагаются на люменальной стороне мембраны вблизи марганцевого кластера и играют структурную, защитную и регуляторную роль в процессе окисления воды. Белок O влияет на состояние марганцевого кластера, а два других белка важны для создания в области марганцевого кластера необходимый для окисления воды концентрации ионов кальция и хлора. Хотя подавляющее число белков обоих фотосистем практически полностью состоит из α-спиралей, субъединицы P, Q и O напротив - практически полностью состоят из β-структур, что делает их более прочными и устойчивыми к окислению^[8].

Белок ядра фотосистемы I А гомологичен белкам D₁+СP43 (молекулярная масса белка А соответствует сумме молекулярных масс белков D₁ и СP43) из фотосистемы II, а белок В гомологичен белкам D₂+CP47 соответственно^[12].

Tyr_z

Tyr_z — остаток тирозина белка D₁ (Tyr-161). Это промежуточный переносчик электронов, который переносит электроны между марганцевым кластером и П₆₈₀. Перенос электронов происходит с образованием нейтрального радикала (Tyr_z •)^[8].

Специальная пара П₆₈₀

П₆₈₀ — это пара хлорофиллов a, с максимумом поглощения 680 нм. Поглощая энергию света, он отдаёт один электрон на феофитин, а сам окисляется и становится сильным окислителем П₆₈₀⁺ с окислительно-восстановительным потенциалом +1,12 В^[13], что позволяет ему индуцировать процесс окисления воды, окислительно-восстановительный потенциал которой +0,8 В. В то же время редокс-потенциал возбужденного П₆₈₀ находится в отрицательной области (менее —0,6 В). В отличии от специальной пары фотосистемы I и пары бактериофиллов фотосистемы пурпурных бактерий, в П₆₈₀ хлорофиллы находятся на значительно большем расстоянии (5,2 Å против 3,6 Å в П₇₀₀ и 3,5 Å в П₈₇₀) и несколько наклонены относительно друг друга, что значительно снижает энергию экситонного сопряжения и замедляет скорость захвата энергии и в свою очередь ограничивает разделение зарядов. Медленная скорость захвата энергии позволяет регулировать уровни возбуждения в антенне ФСII, что защищает реакционный центр от фотоингибирования^[14]. Фотосистема II, так же как и реакционный центр пурпурных бактерий — асимметричен и две молекулы в димере не эквивалентны. Одна молекула хлорофилла а (П₁) образует водородные связи с аминокислотами белка D1₁ при помощи кетоэфирных групп в C₉ и C₁₀ положениях, а вторая молекула хлорофилла а (П₂) образует только одну водородную связь. Поскольку П₁ образует большее число водородных связей, его редокс-потенциал выше и электрон движущая сила больше. В момент возбуждения димера, электрон переходит от П₂ к молекулы хлорофилла П₁ и образуется диполь. Из-за возникновения локального электрического поля, происходит изменение конформации специальной пары, что облегчает дальнейший перенос электрона на феофитин, а положительный заряд локализуется на одном из хлорофиллов^[15].

Феофитин

Феофитин — первый акцептор электронов в фотосистеме II. Именно здесь происходит первичное фотохимическое разделение зарядов между фотовозбуждённым П₆₈₀^* и Феофитином (E_о‘ = —0,53 В). Перенос электрона электрона осуществляется в течении нескольких пикосекунд^[16].

Пластохиноны Q_A и Q_B

В ФСII есть два сайта связывания пластонхинонов: в одном из них (Q_A·Fe²⁺) постоянно находится связанный пластохинон в комплексе с железом, а второй сайт (Q_B) способен обратимо связывать свободные пластохиноны мембраны. Оба пластохинона играют роль вторичных акцепторов электрона, принимая его от феофитина. Перенос электрона между феофитином и пластохиноном происходит в первые 200 пикосекунд. Сначала, одноэлектронное восстановление Q_A приводит к образованию семихинона. Аминокислотное окружение, сайта Q_A делает его крайне нестабильным и повышает его восстановительную способность (E_о‘ = —0,13 В), так что он сразу же передаёт электрон на Q_B. При этом Q_A окисляется и готов принять следующий электрон от феофитина, а Q_B остаётся в форме семихинона до следующего акта передачи электронов, стабилизированный своим аминокислотным окружением. Получив от Q_A второй электрон, Q_B полностью восстанавливается, используя два протона из стромального пространства. В форме Q_BH₂ он диссоциирует из комплекса ФСII в гидрофобную фазу мембраны и становится компонентом пула пластохинонов^[8].

Цитохром b₅₅₉

Цитохром b₅₅₉ — гетородимерный белок, который состоит из одной альфа (PsbE) и одной бета (PsbF) субъединицы, между которыми расположен гем. Он является одним из основных компонентов ядра фотосиcтемы II. Хотя цитохром b₅₅₉ и не принимает участия в основном транспорте электронов, он играет важнейшую роль во вспомогательном или циклическом транспорте электронов, который позволяет восстановить окисленный П₆₈₀ при заблокированном потоке электронов от воды.

В ФСII обнаружены две формы цитохрома b₅₅₉: высокопотенциальная (b₅₅₉H E_о‘ = +0,37 В) и низкопотенциальная (b₅₅₉L E_о‘ = +0,08 В). Высокопотенциальная форма протонирована, низкопотенциальная — депротонирована. При определённых условиях наблюдается взаимопревращение одной формы в другую, поэтому цитохром b₅₅₉ может осуществлять не только циклический транспорт электронов, но и трансмембранный транспорт протонов в люмен в ходе редокс-реакций^[17].

Водоокисляющий комплекс

Марганцевый кластер состоит из четырёх атомов марганца в степени окисления от +3 до +5, пяти связывающих их атомов кислорода и одного атома кальция. Точная структура марганцевого кластера до сих пор остаётся предметом споров и догадок. Крайнее сомнение вызывают его структуры, полученные методом рентгено-кристаллгоргафии, поскольку было показано, что атомы марганца могут восстанавливаться под воздействием рентгеновского излучения. Однако, кристаллография в комбинации с другими, более щадящими спектроскопическими методами такими как EXAFS^[en] и ЭПР, помогли учёным получить довольно хорошее представление о базовой организации кластера. Предполагают также, что в поддержании его структуры может участвовать гидрокарбонат анион, который связывается с люменальным доменом D₁^[18].

Механизм окисления воды в настоящее время ещё не вполне ясен, но можно считать экспериментально доказанным следующее. Движущей силой окисления воды является образование в ходе первичных фотохимических реакций очень сильного окислителя П₆₈₀ с потенциалом +1,12 В. Между марганцевым кластером и П₆₈₀ существует промежуточный переносчик электронов Tyr_Z — остаток тирозина белка D₁ (Tyr-161), который последовательно переносит четыре электрона от воды на специальную пару хлорофиллов.

Последовательность реакций представляется следующим образом. Tyr_Z окисляется и восстанавливает П₆₈₀⁺. Окисление тирозина идёт с образованием нейтрального радикала (Tyr_Z•), что указывает на сопряжённость процесса снятия электрона от гидроксила тирозина с процессом передачи его протона на акцептор. В качестве акцепторов протона могут выступать остатки гистидина H190 и глутаминовой кислоты E189 белка D₁, расположенные вблизи тирозина-161. Далее протон может быть передан по цепочке аминокислот к люменальной поверхности мембраны, где происходит его выброс в люменальное пространство. Тирозин же восстанавливается за счёт работы марганцевого кластера и окисления воды: образовавшийся нейтральный радикал Tyr_Z• отрывает атом водорода от молекулы воды, связанной с атомами марганца в кластере. Только один из ионов марганца, а именно четвёртый Mn, связывает молекулу воды в качестве субстрата и забирает от неё электроны. Предполагается, что непосредственно перед формированием O=O связи, четвёртый Mn переходит в состояние Мn⁺⁵. В этом случае O=O связь может быть образована за счет нуклеофильной атаки на электрон-дефицитный комплекс Мn⁺⁵=O второй молекулой воды, которая связана с с близлежащим ионом кальция. Полное окисление воды и образование кислорода требует четырёх кратного повторения описанных событий^[8].

Кинетика водоокисления

Состояние системы окисления воды меняется в зависимости от уровня окисленности атомов марганца в кластере. Представления о существовании отдельных функционально различимых состояний (S-состояний) водоокисляющей системы возникло на основе работ П. Жолио и сотр. (1969)^[19]. Они показали, что при облучении адаптированных к темноте хлоропластов кратковременными вспышками света, выделение кислорода происходит колебательно, с максимумом на третью вспышку и периодом соответствующим четырём^[20]. Опираясь на результаты этих экспериментов Бессель Кок и сотр.^[21] предложили модель S-цикла, согласно которой система окисления воды может находится в различных состояниях, обозначаемых S₀, S₁, S₂, S₃ и S₄. Переход из одного состояния в другое 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 S₄, причём состояние S₄ нестабильно и сразу же переходит в S₀. Согласно современным представлениям, в ходе S-цикла изменяется валентность атомов Mn. В результате изменения окислительно-восстановительных свойств кластера достигается высокий потенциал (потенциал максимально окисленного кластера около +0,9 В), что делает возможным окисление воды. Окисление воды сопровождается выделением четырёх протонов в люмен, но оно не синхронизировано с выделением кислорода^[8].

Светособирающий комплекс

Внутренняя антенна фотосистемы II состоит из двух кодируемых хлоропластным геномом белков — CP43 и CP47, которые вплотную примыкают к центральному гетеродимеру D₁/D₂ (CP43 располагается вблизи D₁, а CP47 около D₂). Белок CP43 ассоциирован с 13 молекулами хлорофилла а и 3-5 молекулами β-каротина^[6]. CP47 несёт 16 молекул хлорофилла а и 5 молекул β-каротина. С этими антеннами контактируют внешние "минорные" антенны: CP29, CP26 и CP23, так же известные как Lhcb4-6, причём 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 каротиноида^[22]. Благодаря своему положению, минорные белки осуществляют функцию регулирования стока энергии от внешних антенн на реакционный центр ФСII. Именно в минорных белках протекает виолоксантиновый цикл, играющий фотопротекторную роль при избыточном освещение и помогающий подготовить растение к смене дня и ночи^[23].

Внешняя мобильная антенна состоит из Lhcb1-3 (масса около 26 кДа), организованных в тример. Все три белка кодируются в ядре. Каждый из белков мобильной антенны содержит 7 молекул хлорофилла а, 6 молекул хлорофилла b, 2 перекрещенные молекулы лютеина, и по одной молекуле неоксантина и виолоксантина (или зеаксантина). При фосфорилировании этой антенны специальными ферментами, её заряд становится более отрицательным и она мигрирует от фотосистемы II в область расположения фотосистемы I, где ассоциируется с её внешней антенной. Таким образом осуществляется перераспределение энергии между двумя фотосистемами и тонкая настройка фотосинтеза^[22].

Защита от фотоингибирования

Циклический транспорт электронов

Помимо основного, нециклического потока электронов, в ходе которого происходит перенос низкоуровневых электронов от воды на пул пластохинонов, фотосистема II может осуществлять циклический транспорт электронов вокруг самой себя. Этот процесс реализуется в условиях, когда интенсивность света превышает возможности ЭТЦ утилизировать его энергию или при повреждении водоокисляющего комплекса. В ходе этого процесса происходит обратный перенос электронов от восстановленного первичного хинона Q_B на цитохром c₅₅₉, затем на вспомогательный хлорофилл Хл_Z, а далее на β-каротин, который восстанавливает окисленный пигмент П₆₈₀⁺. В экстремальных условиях возможно протекание псевдоциклического транспорта электронов (перенос электронов от воды на кислород)^[14].

П₆₈₀⁺ является сильнейшим окислителем и поэтому представляет серьёзную опасность для клетки. В нормальных физиологических условиях донором электронов является Tyr_Z, однако в экстренном восстановлении, например при низкой температуре, могут принимать участие Tyr_D, Хл_Z и Хл_D, а также β-каротин белка D₁^[14].

Защитная функция каротиноидов

Помимо этой, у каротиноидов реакционного центра есть и другая функция — осуществлять тушения триплетного хлорофилла. На D₁ и D₂ белках симметрично расположены две молекулы β-каротина. На D₁ β-каротин находится в форме все-транс, то есть все его связи находится в транс положении, в то время как на D₂ β-каротин имеет одну цис-связь в 15-ом положении. Если в результате фотовозбуждения образуется крайне реакционная триплетная форма одного из хлорофиллов пигмента П₆₈₀, β-каротин поглощает часть его избыточной энергии, переводя электрон в основное состояние. При этом происходит спонтанный переход связи в 15-ом положении из цис в транс, а избыточная энергия триплетного электрона выделяется в виде тепла^[24].

Репарация Фотосистемы II

Ещё один механизм защиты от фотоингибирования^[en] — замена "жертвенного" белка D₁. Из-за высокого содержания фотоактивных редокс-агентов и ароматических аминокислот, а также ввиду своей близости к водоокисляющему комплексу этот белок весьма неустойчив к действию света высокой интенсивности, а потому очень часто окисляется или претерпевать процесс фотодеструкции. Интенсивность синтеза D₁ белка составляет 50 % от всех синтезируемых в хлоропласте белков, тогда как его доля от белков хлоропласта — 0,1 %. Время полужизни этого белка всего 30 минут.

Процесс репарации происходит по следующей схеме. Сначала происходит разборка комплекса ФСII: уходят белки ВОК, снимаются атомы Mn, отсоединяются CP43 и CP47. Далее происходит удаление «испорченного» белка: «отгрызаются» выступающие из мембраны участки белка D₁ (работает специальная протеаза degP2), а специальный белок AtFtsH «выталкивает» его останки из мембраны и протеолитически разлагает их^[25]. Синтез нового белка D₁ идет в ламеллах, после чего он претерпевает процессинг (удаляется N-концевой метионин, оставшийся треонин ацетилируется, этот треонин может обратимо фосфориллироваться). После этого происходит миграция D₁ в граны: белок пальмитинируется и в таком виде встраивается в мембрану гран, после чего происходит обратная сборка ФСII^[26][27].

Локализация в мембране тилакоида

Фотосистема II, генерируя сильный окислитель и являясь потенциальным источником активных форм кислорода, представляет потенциальную опасность для клетки. Поэтому не удивительно, что большая часть этого комплекса расположена в области спаренных мембран — в максимально удалённом и защищённом месте^[28].

В отличии от фотосистемы I, которая у высших растений присутствует только в виде мономера, фотосистема II способна образовывать димеры во всех трёх фотосинтезирующих доменах (растения, цианобактерии, водоросли). Полагают, что образование димера способствует устойчивости ФСII, а также служит одним из тонких механизмов настройки фотосинтеза. В общем случае, для высших растений получены приблизительно следующие результаты. Две молекулы ФСII образующие димер и присоединяющие 2-4 тримера ССКII называются суперкомплексами. Такие димеры преобладают в центральной части гран — спаренных и маргинальных мембранах, где они организованны с специфические структуры, однако они практически не встречаются в области торцевых и стромальных мембран. Помимо суперкомлекса, в мембране присутствует димер ФСII, содержащий только минорные антенны, более равномерно распределённый по тилакоидной мембране с максимальной концентрацией в области маргинальных мембран, но даже в торцевых и стромальных мембранах он составляет не не ниже 10 % от общего числа ФСII. Торцевые мембраны преимущественно заняты мономерными комплексами ФСII с разным количеством антенн, из которых менее 2 % составляют так называемые базовые ФСII (D₁ + D₂ + цит. b₅₅₉), которые проходят здесь цикл репарации^[29].

Галерея

• Модель фотосистемы II с указанием субъединиц.

• Положение в мембране.

• Димер ФСII из Thermosynechococcus elongatus.

• Схема фотоситсемы II.

См. также

• Цитохром b6f-комплекс
• Терминальная оксидаза
• Фотосистема I
• Фотосинтез
• Реакционный центр

Примечания