БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 6, с. 775 - 784
УДК 577.355.3
ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНА В ФОТОСИСТЕМЕ I, СОДЕРЖАЩЕЙ НАТИВНЫЕ И МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ХИНОННЫЕ АКЦЕПТОРЫ
Обзор
© 2015 А.Ю. Семенов12*, А.А. Петрова1, М.Д. Мамедов1, В.А. Надточенко2
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского 119991 Москва; факс: +7(495)939-3181, электронная почта: semenov@genebee.msu.ru
2 Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, 119991 Москва; факс: +7(499)137-8357
Поступила в редакцию 27.01.15 После доработки 08.03.15
Пигмент-белковый комплекс фотосистемы I (ФС I) катализирует светозависимое окисление пластоциани-на или цитохрома с6 и восстановление ферредоксина или флаводоксина у оксигенных фотосинтезирующих организмов. В обзоре дано современное представление о процессах переноса энергии возбуждения и формирования первичной и вторичной ион-радикальных пар в комплексах ФС I. Обсуждаются реакции переноса электронов с участием хинонного акцептора в сайте А1 и его роль в обеспечении асимметрии электронного транспорта и взаимодействия с кислородом и аскорбатом в ФС I.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: фотосистема I, реакционный центр, перенос электрона, асимметрия, первичные реакции, хинонные акцепторы, взаимодействие с кислородом и аскорбатом.
СТРУКТУРА КОМПЛЕКСОВ ФОТОСИСТЕМЫ I
Пигмент-белковый комплекс фотосистемы I (ФС I) является одним из ключевых ферментов фотосинтетической электрон-транспортной цепи в тилакоидных мембранах оксигенных организмов [1]. Комплекс ФС I катализирует свето-зависимую реакцию переноса электронов от периферических белков-доноров, пластоцианина или цитохрома c6, к феррредоксину или флаво-доксину.
Принятые сокращения: ФС! — фотосистема I; РЦ — реакционный центр; СЫ — хлорофилл; СЫ1А/СЫ1В, СЫ2А/СЫ2В, СЫ3А/СЫ3В — первые, вторые и третьи молекулы хлорофилла в симметричных ветвях редокс-кофак-торов А и В ФС I; Р700 — специальная пара молекул хлорофилла — первичный донор электрона; АА, А® — хлоро-фильные первичные акцепторы электрона в ветвях А и В; А1А, А1В — молекулы филлохинонов — вторичные акцепторы электрона в ветвях А и В; РИр — филлохинон; Рр — пластохинон, С12Мр — 2,3-дихлор-1,4-нафтохинон.
* Адресат для корреспонденции.
Структура тримерной формы комплексов ФС I из термофильных цианобактерий Synechococcus elongatus была определена с помощью рентгено-структурного анализа с атомным разрешением 2,5 А [2]. Каждый мономер фермента с мол. массой ~330 кДа содержит по одной копии 12 белковых субъединиц (девяти трансмембранных и трех периферических) и является местом локализации ~130 небелковых кофакторов, включая 96 молекул хлорофилла а (СЫ), 22 молекулы р-кароти-на, три [4Бе-48] кластера, две молекулы филло-хинона и четыре молекулы липида. Отметим, что в состав ФС I также входят 201 молекула воды и ион кальция. Две трансмембранные субъединицы Р8аА и Р8аВ формируют С2-симметричное ге-теродимерное ядро комплекса, содержащее большинство кофакторов переноса электрона.
Цепь переноса электрона в ФС I состоит из специальной пары молекул хлорофилла — первичного донора электрона Р700, (СЫ1А/СЫ1В), А0 (пар молекул СЫ, обозначенных как СЫ2А/ /СЫ3А и СЫ2В/СЫ3В), А1 (молекул филлохино-нов, обозначаемых, как А1А/А1В) и железо-серных кластеров Бх, БА и БВ (рис. 1).
Р" г ^
Гх
ш
Р700
Рис. 1. Схема расположения редокс-кофакторов и переноса электрона в ФС I
В настоящее время известно, что перенос электронов в ФС I происходит по обеим ветвям редокс-кофакторов от Р700 на Бх, но вопросы о степени асимметрии этого переноса и факторах, которые ее определяют, до сих пор остаются открытыми [3, 4]. Кроме того, на сегодняшний день кинетика первичного разделения зарядов и природа первичного донора и акцептора электронов в ФС I по-прежнему являются предметом дискуссий [4, 5].
Как упоминалось выше, из 96-ти молекул СЫ шесть являются кофакторами переноса электронов и локализованы вблизи поверхностей контакта Р8аЛ и Р8аВ субъединиц. Р700 состоит из двух молекул СЫ а (СЫ1Л/СЫ1В), плоскости порфиринов которых параллельны друг другу (расстояние 3,6 А) и перпендикулярны плоскости мембраны. Пространственная локализация двух других молекул СЫ (СЫ2Л/СЫ2В) примерно соответствует расположению двух молекул мономерного бактериохлорофилла в РЦ пурпурных бактерий, а две оставшиеся молекулы СЫ (СЫ3Л и СЫ3В) расположены аналогично двум молекулам бактериофеофитина в РЦ пурпурных бактерий [6, 7]. Плоскости порфи-
риновых колец молекул СЫ2Л (СЫ2В) и СЫ3Л (СЫ3В) параллельны (расстояния 3,9 А), но по сравнению с СЫ1Л и СЫ1В, они в большей степени сдвинуты друг относительно друга. Взаимное расположение и относительно близкое расстояние между центральными атомами М^2+ в молекулах СЫ2Л и СЫ3Л и СЫ2В и СЫ3В (8,7 и 8,2 А соответственно) указывают на наличие значительного взаимодействия между этими парами молекул СЫ. Это обстоятельство позволяет рассматривать первичные акцепторы в ветвях редокс-кофакторов А и В — ЛоА и ЛоВ, как диме-ры молекул хлорофилла СЫ2Л/СЫ3Л и СЫ2В/ /СЫ3В соответственно.
Как указано выше, ФС I также содержит две молекулы филлохинона (Л1Л и Л1В). Ветвь Л включает в себя молекулы хлорофилла, обозначенные СЫ1Л, СЫ2Л, СЫ3Л, и филлохинона Л1Л, в то время как ветвь В включает СЫ1В, СЫ2В, СЫ3В и филлохинон Л1В. Две ветви кофакторов цепи переноса электронов соединяются на железо-серном кластере Бх. Терминальные акцепторы электронов — [4Бе-48] кластеры РЛ и БВ — расположены на стромальной субъединице Р8аС.
ПЕРЕНОС ЭНЕРГИИ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНА В РЦ ФС I
В большинстве ранних исследований предполагалось, что в комплексах ФС I из цианобак-терий первичное разделение зарядов происходит между возбужденной формой первичного донора (Р700*) и первичного акцептора А в диапазоне времени 0,8—4 пс, в то время как перенос электрона от А0 к вторичному акцептору Л1 происходит за 10—50 пс [8—10]. Недавно на комплексах ФС I из ЗупгскосузИз 8р. РСС 6803 нами было показано, что при преимущественном возбуждении Р700 и Л0 образование первичной радикальной пары Р700+Л- происходит за время короче 100 фс, а дальнейший перенос электрона с образованием Р700+Л- имеет характерное время ~25 пс [5]. Последующие реакции переноса электрона от Л1Л и Л1В к Рх происходят с характерными временами ~200 и ~20 нс соответственно [1, 3, 11, 12]. Далее происходит перенос электрона от Рх на терминальные железо-серные кластеры РЛ и РВ и затем к ферредоксину или флаводоксину. Фотоокисленный Р700 восстанавливается от пластоцианина или цитохро-ма с6, в результате чего все кофакторы переноса электрона возвращаются в исходное состояние [1].
Основное различие между ФС I и бактериальным РЦ заключается в невозможности препаративного отделения молекул СЫ светособи-рающей антенны от молекул СЫ РЦ без влия-
ния на структурно-функциональную целостность ферментного комплекса. Трудность заключается в том, что 79 молекул СЫ локализуется в белковых субъединицах Р8аА/Р8аВ, которые также связывают шесть молекул СЫ, участвующих в первичных процессах переноса электрона в РЦ. В целом 96 молекул СЫ не могут быть четко разделены по их спектральным характеристикам. Согласно работе [13], большая часть СЫ антенны имеет максимум поглощения в спектральном диапазоне 670—680 нм, в то время как некоторые молекулы хлорофилла (возможно, димеры или тримеры) характеризуются полосами поглощения в диапазоне 690—710 нм. Общепризнанно, что специальная пара молекул СЫ (Р700) имеет максимум поглощения при 700—705 нм, а максимальное поглощение акцептора А0 наблюдается в полосе 685—690 нм [14—16], однако их спектры частично перекрываются со спектрами нескольких молекул хлорофилла антенны в той же области спектра.
Перенос энергии возбуждения в антенне и перенос электрона в РЦ ФС I были исследованы различными методами, в частности, с помощью субпикосекундной лазерной спектроскопии [5, 8—10]. Однако первичные реакции переноса электрона не могут быть четко отделены от переноса энергии возбуждения в антенне, так как эти реакции происходят в одном и том же диапазоне времени. Чтобы отделить перенос электрона от переноса энергии возбуждения и более четко выявить кинетики первичных стадий разделения зарядов и спектры соответствующих интермедиатов были использованы различные подходы. В частности, Кумазаки с соавт. [17] экстрагировали большую часть СЫ антенны из комплекса ФС I, в результате чего были выявлены две кинетические компоненты с характерными временами ~0,8 и ~9 пс. Эти фазы были приписаны первичному разделению зарядов. Отметим, что снижение общего содержания хлорофилла до 12—14 молекул, скорее всего, значительно изменяет структуру и функцию комплекса ФС I.
Есть две основные модели, описывающие разделение зарядов в ФС I. Согласно первой модели, при поглощении света первичный донор электрона Р700 переходит в возбужденное состояние Р700*, за которым следует разделение зарядов между Р700* и первичным акцептором электрона А0 с образованием ион-радикальной пары Р700+А-. Данные, полученные с помощью пикосекундной абсорбционной спектроскопии на частицах ФС I из шпината, позволили предположить, что непосредственное (<1,5 пс) выцветание Р700 и формирование полосы при 810 нм обусловлены возбуждением Р700 и образовани-
ем состояния Р700* [18]. В ближней инфракрасной области спектра в результате возбуждения образцов полоса при 810 нм выцветала до ~60% от ее первоначальной интенсивности с тем же характерным временем ~14 пс, что и формирование полосы при 690 нм. Эти спектральные изменения были интерпретированы как процесс образования первичной ион-радикальной пары Р700+А-.
В одной из ранних работ было показано, что селективное возбуждение ФС I пикосекундны-ми лазерными импульсами при 710 нм приводит к формированию состояния Р+А-, которое характеризуется двумя полосами выцветания: при 700 нм, соответствующей образованию Р700+ и при 689 нм — вследствие восстановления первичного акцептора А0 [14].
Другой подход для выявления природы первичных реакций в комплексах ФС I основан на вычитании времяразрешенных спектров химически окисленного (закрытого) РЦ из спектров восстано
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.