| ClipArtMag Science Blog |

Free Cliparts

ЭВОЛЮЦИЯ КИСЛОРОДА

Перевод статьи - OXYGEN EVOLUTION

Автор - Чарльз Ф. Йокум (Charles F. Yocum)

Источник оригинальной статьи:

http://photobiology.info/YocumOxy.html

Journal: Photobiological Sciences Online

Кафедры Биологии и Химии MCD
Мичиганский университет, Анн-Арбор, MI 48109
cyocum@umich.edu

 

Введение 

Организмы, которые проводят кислородный фотосинтез, делают это, чтобы выжить. В качестве обязательных фотоавтотрофов они должны использовать световую энергию для производства ATP и NADPH, которые используются для снижения содержания CO2 в углеводах. Эти углеродные соединения затем могут быть метаболизированы для получения аминокислот, нуклеиновых кислот, жирных кислот и других соединений, которые необходимы для роста и размножения. В некоторых из ранних исследований, посвященных использованию изотопов элементов, Мартин Камен и Сэмюэл Рубин провели классические эксперименты, которые показали, что углекислый газ был зафиксирован водорослями, а Мелвин Кальвин и его спутники использовали этот метод для включения в него 14CO2 в промежуточные продукты в том, что теперь известно как цикл Кальвина для фиксации CO2 (Benson, 2002). 

Поиски источника электронов для уменьшения CO2 берут свое начало в экспериментах Пристли и Лавуазье (Jackson, 2005). Лавуазье установил O2 в качестве возбудителя при ржавлении железа и, что более важно, показал, что он участвует в метаболизме животных и растений. Джозеф Пристли показал, что растения могут очищать «глухой» воздух, который был создан путем сжигания свечи в закрытой колокольне. Однако его исследования о роли растений в этом процессе были неубедительными. Он никогда не демонстрировал, что свет был вовлечен в процесс «дефологизации», который произошел, когда растение было помещено в колокольню. Требование к свету было обнаружено Ингенгоусом несколько лет спустя, но только в двадцатом веке и появлении изотопов O2 было показано, что на самом деле O2 высвобождается из H2O в растениях, водорослях и цианобактериях, подвергающихся воздействию легкий. 

Исследования, ведущие к середине двадцатого века, характеризовали реакцию фотосинтетического аппарата на различные длины волн света, а Хилл и Бендалл (1960) затем предложили свою знаменитую модель схемы «Z» для светочувствительного фотосинтетического переноса электронов. В этой модели было предложено, чтобы две отдельные световые реакции или фотосистемы отвечали за преобразование световой энергии в химическую энергию. Было предложено, что теперь называется фотосистемой II (PSII), катализировать окисление воды;другая световая реакция (фотосистема I (PSI)) получила эти электроны с помощью цепи переноса электронов, которая содержала цитохромы. 

Duysens and Sweers провели классический эксперимент, в котором можно было показать, что один из цитохромов (цитохрома f) может быть окислен светом, поглощенным одной фотосистемой (PSI), а затем уменьшен светом, поглощенным второй фотосистемой (PSII) (Duysens, 1963). Этот эксперимент подтвердил модель схемы «Z», а другие исследователи взяли на себя идею двух легких реакций в кислородном фотосинтезе. Подавляющие экспериментальные данные, накопленные в поддержку существования двух фотосистем, и остальной части транспортной цепи фотосинтетического транспорта, подробно описанной в учебниках по биохимии (Berg et al., 2001; Nelson and Cox, 2008; Voet and Voet, 2012). Несмотря на огромные успехи, которые были предприняты для понимания структуры и функции фотосинтетических аппаратов (Nelson and Yocum, 2006), выяснение механизма окисления воды PSII остается одной из основных проблем в области молекулярной биоэнергетики. 


Фотосистема II 

A. Кислородные колебания 

Фундаментальное понимание реакции окисления H2O в PSII было получено Пьер Жолио (Joliot et al., 1968) и Bessel Kok (Kok et al., 1970; Forbush et al, 1971). Эти исследователи использовали изолированные тилокалоидные мембраны хлоропластов, которые содержат хлорофилл и другие компоненты фотосинтетического транспорта электронов. Эти мембраны осаждались на очень чувствительных голых платиновых электродах, где можно было измерять небольшие быстрые изменения концентрации O2. Мембраны были адаптированы к темноте и затем подвергались очень коротким (~ 10 мкс) вспышкам света от ксеноновой лампы, которая вызывала одноэлектронные передачи, которые также называются одиночными оборотами. Путем стрельбы рядом вспышек с короткими темными интервалами между ними наблюдался необычный осциллирующий рисунок. Пример такого поведения показан на рисунке 1. 

Рисунок 1

Рисунок 1. Осциллирующий O2 выход из хлоропластовых тилакоидных мембран, освещенных короткими (<10 мкс) свечами. О2 «гвозди» появляются с периодичностью четыре, что свидетельствует о том, что эволюционная реакция O2 представляет собой линейную четырехступенчатую окислительно-восстановительную реакцию. Появление O2 на третьей вспышке интерпретируется как указание на то, что катализатор окисления H2O уже окисляется одним электроном в темных адаптированных мембранных препаратах.


Кислород высвобождается на третьей вспышке, а затем на каждую четвертую вспышку до тех пор, пока образец в конце концов не «опустится» до того же выхода O2 при каждой вспышке света. Кок создал модель для колебаний O2, которые все еще актуальны и сегодня. Его предложение состояло в том, что можно было бы представить реакцию O2-образования как набор состояний «S», которые изменялись в состоянии окисления в зависимости от количества электронов, удаленных светом. Это может быть представлено реакционной последовательностью, показанной ниже, где белые стрелки  означают реакции, которые включают стадию окисления на основе хлорофилла, темную стрелку  представляет собой коллапс сильно окисленного состояния S4+4 до S0, когда он высвобождает O2, образующийся при экстракции 4 электронов из пары молекул H2O: 

Уравнение 1

Сравнение рисунка 1 с этой схемой показывает несоответствие числа вспышек, необходимых для создания первого «gush» O2 (3 вспышки) и числа, предсказанного моделью (4 вспышки). Кок дал объяснение этой проблеме, предложив, чтобы в темноте все S-состояния расслабились до состояния S1. Возможная потеря колебательного поведения или «затухание» после ряда вспышек объясняется несовершенством поведения фотохимии PSII. (Подробную информацию о фотохимии и структуре реакционных центров см. В разделе Фотосинтетические реакционные центры.) 

Первое явление, которое способствует демпфированию, называется «промахи». Существует несколько объяснений этого поведения.Например, реакционный центр может не улавливать и поглощать фотон. Когда это происходит, реакционный центр отстает от других центров, высвобождая O2 на более позднюю вспышку света.Альтернативно, центр может поглощать фотон, но поскольку предыдущий электрон еще не высвобождается, второй электрон назад реагирует или рекомбинирует с реакционным центром хлорофилла. Другая реакция, которая способствует демпфированию в характере колебаний O2, известна как «двойные удары». В этом случае центр реагирует нормально при поглощении qauntum света, восстанавливается и затем возбуждается в это время слабым свечением света от вспышки при его распаде. Чистым эффектом этого является продвижение такого центра на два состояния, а не на один.Технически эта проблема была уменьшена в степени тяжести, заменив ксеноновые лампы с помощью лазеров, чьи выходы короче на пару порядков. За исключением S4 , S-состояния имеют переменную устойчивость. Например, распад S2 на S1 происходит при t1/2 порядка 30 с, тогда как распад S3 -> S2 -> S1 имеет при t1/2 около 80 с. Состояние S4 распадается на S0 примерно за 1,4 мс при образовании и высвобождении O2


B. Компоненты кислородно-эволюционирующего комплекса 

Доступность очищенных препаратов PSII (Berthold et al., 1981) и систематический анализ компонентов и активности этих препаратов показали, что катализатор развития O2 в PSII представляет собой сборку неорганических ионов, состоящую из четырех атомов Mn вдоль с одним атомом каждый из Ca2+ и Cl (Yocum, 2008). Передача электронов между этим неорганическим ионным кластером и окисленным центром реакции хлорофилла P680+ опосредуется редокс-активным тирозиновым остатком, называемым YZ, в первичной аминокислотной последовательности белка реакционного центра PSII под названием D1 (Barry, 1993). 

Уравнение 2

(В этой схеме,  представляет депротонированный тирозиновый радикал.) 

Полная последовательность носителей электронов в PSII может быть представлена ​​как:

Уравнение 3

P680 является димером молекул хлорофилла a, который выбрасывает электрон при возбуждении светом; pheophytin a, молекула хлорофилла, в которой отсутствует атом Mg2+ в центре хлоринового кольца, принимает электрон из P680 и передает его на QA и QB , которые являются молекулами пластохинона. Дополнительные сведения можно найти в модуле «Фотосинтетические реакционные центры». 

Марганец представляет собой переходный металл с по меньшей мере тремя биологически релевантными состояниями окисления (Mn2+ , Mn3+ , Mn4+). Значительные усилия были потрачены для определения состояний окисления атомов Mn в различных S-состояниях. Существует несогласие с состоянием окисления металлов в S0 (рассматриваются две возможности, и оба показаны в правой части в уравнении 4): состояние окисления S4 не анализируется из-за его короткого срока службы. Для других S-состояний теперь согласуется, что состояния окисления Mn следующие: 
 

Уравнение 4


Кальций и Cl оба необходимы для окисления атомов Mn с помощью хлорофилловой фотохимии. Отсутствие Cl - блокирует переход S2 --> S3 (Wincencjusz et al., 1997) и Ca2+ для всех переходов, за исключением, возможно, S0 -> S1 (Miqyass et al., 2008). Роли этих ионов все еще изучаются, но имеющиеся в настоящее время данные показывают, что Ca2+ является структурным элементом в кластере металлов и, вероятно, также является сайтом для связывания молекул H2O субстрата, которые подвергаются окислению (Yocum, 2008). Хлорид, вероятно, используется для регулирования окислительно-восстановительной активности одного или двух атомов Mn. Большинство современных моделей механизма окисления H2O предполагают, что образование O-O связи происходит в состоянии S4, например, путем нуклеофильного воздействия связанной с кальцием гидроксильной группы на Mn-оксоспецифики, Mn5+ = O (McEvoy и Brudvig, 2006). Последующие реакции восстановления окисления продуцируют S0 и O2 высвобождается. 


C. Структурная информация о PSII 

Фотосистемы препараты II из термофильных цианобактерий оказались поддающимися кристаллизации, и структурные модели, полученные из этих кристаллов, были представлены при разрешениях от 3,5 до 3,0 Å (Ferreira et al., 2004; Loll et al., 2005). Прогресс в этой области иллюстрируется результатами Umena et al. (2011), который улучшил разрешение до 1.9 Å. На этих моделях были получены характеристики кофакторов переноса электронов, и один из них показан на рисунке 2. Все реакционные центры имеют симметричное расположение кофакторов, а PSII и фотосинтетические бактерии используют только одну из этих ветвей для переноса электронов.Передача электронов инициируется поглощением фотона P680 (уравнение 2), и электрон переносится по левой стороне структуры, так что QA является первым хиноном, который должен быть уменьшен, как показано уравнением 3 в предыдущем разделе.Уменьшение P680+ осуществляется путем переноса электрона из кластера Mn4Ca через YZ, остаток окислительно-восстановительного тирозина, снова, как показано уравнением 2. 

фигура 2

Рисунок 2. Структурное расположение кофакторов PSII. Участники реакции переноса электронов на «активную ногу» фотосистемы помечены. Реакции фотохимического разделения зарядов (уравнение 3) связаны с окислением H2O кластером Mn4Ca редокс-активным тирозином, помеченным YZ 
(Уравнение 2).


Цианобактериальный PSII содержит более 20 отдельных белков, а в водорослях и растениях это число еще выше, благодаря наличию ряда белков, связывающих хлорофилл-связывающие антенны. Для того, чтобы дать ощущение сложности фотосистемы, пример структуры мономера PSII из цианобактерий показано на рисунке 3. Приближенные месторасположение кластера Mn4Ca и сайты связывания для хинонов указаны. Все исследованные PSII до сих пор содержат внешние (H2O растворимые) белки, которые связываются с высокой аффинностью вблизи места окисления H2O, чтобы обеспечить сохранение Ca2+ и Cl-. Эти субъединицы обозначены желтым, пурпурным и темно-синим на рисунке. Мембраны, охватывающие субъединицы, характеризуются наличием  спирали в областях, которые пересекают липидный бислой, и обозначены скобкой на рисунке. Тщательный анализ этой и других структур PSII, а также дальнейшие исследования химии кластера Mn/Ca/Cl необходимы для понимания деталей реакции, которая питает жизнь на Земле. 

Рисунок 3

Рисунок 3. Протеиновая структура цианобактериального PSII. Модель, показанная здесь, представляет собой один из мономеров, который составляет димерный вид, который кристаллизуется. Внешние субъединицы, которые защищают участок окисления H2O, показаны желтым, пурпурным и темно-синим.


Заключительные замечания 

Прогресс в понимании эволюционирующей реакции О2 в PSII был замечательным. Первые эксперименты Кока и Жолио (рис. 1, уравнение 1) дали импульс для последующих поколений экспериментов, которые выявили неорганические компоненты реакций, а также белки, которые необходимы для преобразования световой энергии в окислительно-восстановительные реакции которые производят O2. Для большинства промежуточных соединений в реакциях, которые производят O2, были определены состояния окисления атомов катализатора Mn, и Са2+ и Cl- были установлены как существенные активаторы реакции. Это, в свою очередь, дало очень полезные гипотезы о том, как окисляется H2O: атомы Mn сохраняют окисляющие эквиваленты в фотоцикле, катализируемом хлорофиллом, которые используются для окисления H2O, Ca2+ в качестве сайта связывания для молекулы H2O субстрата и Cl- регулирует окислительно-восстановительную активность атомов Mn. Будущие исследования предоставят более подробные сведения о механизме реакции. Сайт реакции в PSII теперь локализуется в структурах фермента, а организация кофакторов известна с разрешением около 1,9 Å. Теперь можно подробно рассмотреть, как поглощение фотонов хлорофиллом инициирует последовательность реакций, которые переносят электроны через большую сложную ферментную систему, и создает основу для выделения O2 в биосферу. 

 

Использованная литература
 

Barry, B.A. The role of redox-active amino acids in the photosynthetic water-oxidizing complex. Photochem. Photobiol. 57, 179-188 (1993). 

Benson, A.A. Following the path of carbon in photosynthesis: a personal story. Photosyn. Res. 73, 29-49 (2002). 

Berg, J.M., Tymoczko, J.L. and Stryer, L. Biochemistry. 5th ed. Chapter 19. W. H. Freeman and Company, New, NY (2001). 

Berthold, D.A., Babcock, G.T. and Yocum, C.F. A highly resolved, oxygen-evolving photosystem II preparation from spinach thylakoid membranes. EPR and electron-transport properties. FEBS Lett. 134, 231-234 (1981). 

Duysens, L.N.M. Role of two photosynthetic pigment systems in cytochrome oxidation, pyridine nucleotide reduction, and fluorescence. Proc. Royal. Soc. London 157, 301313 (1963). 

Ferreira, K.N., Iverson, T.M., Maghlaoui, K., Barber, J., and Iwata, S. Architecture of the photosynthetic oxygen-evolving center. Science 303, 1831-1838 (2004). 

Forbush, B., Kok, B. and McGloin, M.P. Cooperation of charges in photosynthetic O2 evolution-II. Damping of flash yield oscillation, deactivation. Photochem. Photobiol. 14, 304-321 (1971). 

Hill, R. and Bendall, F. Function of the two cytochrome components in chloroplasts: a working hypothesis. Nature 186, 136-137 (1960). Jackson, J. A world on fire. A heretic, an aristocrat and the race to discover oxygen. Viking Press, New York, NY (2005). 

Joliot, P., Barbieri, G., and Chabaud, R. Un nouveau modele des centres photochimiques du systeme II. Photochem. Photobiol. 10, 309-329 (1969). 

Kok, B., Forbush, B., and McGloin, M. Cooperation of charges in photosynthetic O2 evolution-I. A linear four step mechanism. Photochem. Photobiol. 11, 457-475 (1970). 

Loll, B., Kern, J., Saenger, W., Zouni, A., and Biesiadka, J. Towards complete cofactor arrangement in the 3.0 Å resolution structure of photosystem II. Nature 438, 1040-1044 (2005). 

McEvoy, J.P. and Brudvig, G.W. Water-splitting chemistry of photosystem II. Chem. Rev. 106, 4455-4483 (2006). 

Miqyass, M., Marosvolgyi, M., Nagel, Z., Yocum, C.F. and van Gorkom, H.J. S-state dependence of the calcium requirement and binding characteristics in the oxygen evolving complex of photosystem II. Biochemistry 47, 7915-7924 (2008). 

Nelson, D.L. and Cox, M.M. Principles of Biochemistry. 5th ed. Chapter 19. W. H. Freeman and Company, New, NY (2008). 

Nelson, N. and Yocum, C.F. The structure and function of photosystems I and II. Ann. Rev. Plant Biol. 57, 521-565 (2006). 

Umena, Y., Kawakami, K., Shen, J.-R. and Kamiya, N. Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9 Å. Nature 473, 55-60 (2011). 

Voet, D. and Voet, J. Biochemistry. 4th Ed., Chapt. 24, John Wiley and Sons, New York, NY (2012). 

Wincencjusz, H., van Gorkom, H.J., and Yocum, C.F. The photosynthetic oxygen evolving complex requires chloride for its redox state S2-->S3 and S3-->S0 transitions, but not for S0-->S1 or S1-->S2 transitions. Biochemistry 36, 3663-3670 (1997). 

Yocum, C.F. The Ca2+ and Cl- requirements of the O2-evolving complex. Coordination Chemistry Reviews 252, 296-305 (2008).