БИОХИМИЯ, 2014, том 79, вып. 3, с. 293 - 299
УДК 577.355.3
МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ПЕРВИЧНОЙ И ВТОРИЧНОЙ ИОН-РАДИКАЛЬНЫХ ПАР В КОМПЛЕКСАХ ФОТОСИСТЕМЫ 1
Обзор
© 2014 Г.Е. Милановский1, В.В. Птушенко1, Д.А. Черепанов2, А.Ю. Семенов1*
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского; 119992 Москва; факс: (495)939-3181, электронная почта: semenov@genebee.msu.ru 2 Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН; факс:+7 (495)952-5308
Поступила в редакцию 24.11.13
Рассмотрены механизмы сверхбыстрого разделения зарядов в реакционных центрах комплексов фотосистемы 1 (ФС1). На основании определенных нами ранее значений редокс-потенциалов кофакторов переноса электронов, а также оценки энергии реорганизации образования первичной Р700+А0- и вторичной Р700+А[- ион-радикальных пар предложена кинетическая модель первичных реакций в ФС1, учитывающая возможность переноса электрона по обеим симметричным ветвям кофакторов А и В. Модель предполагает, что первичными акцепторами электронов А0 в ФС1 являются димеры молекул хлорофиллов Хл2А/Хл3А и Хл2В/Хл3В в ветвях редокс-кофакторов А и В. Вычисленные на основе модели значения характерных времен образования Р700+А- и Р700+А- оказались близкими к экспериментальным значениям, полученным с помощью фемтосекундной абсорбционной спектрометрии. Показано, что небольшое различие в значениях редокс-потенциалов между первичными акцепторами электрона А0А и А0В в ветвях А и В приводит к возникновению асимметрии в переносе электрона в соотношении 70 : 30 в пользу ветви А. Процесс вторичного разделения зарядов является кинетически необратимым на субмикросекундных временах и сопровождается усилением асимметрии между ветвями кофакторов ФС1.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: фотосистема 1, реакционный центр, перенос электрона, первичные реакции, кинетическое моделирование.
Фотосинтетические реакционные центры (РЦ) обычно подразделяются на два типа в зависимости от природы терминального акцептора. РЦ типа II включают РЦ пурпурных бактерий и фотосистему 2 и содержат в качестве терминального акцептора непрочно связанный хинон. РЦ типа I включают гомодимерные РЦ из зеленых фотосинтезирующих бактерий СМогоЬшт и
Принятые сокращения: ФС1 — фотосистема 1; РЦ — реакционный центр; Хл — хлорофилл; Хл1А/Хл1В, Хл2А/Хл2В, Хл3А/Хл3В — первые, вторые и третьи молекулы хлорофилла в симметричных ветвях редокс-кофак-торов А и В ФС1; Р700 — димер хлорофилла — первичный донор электрона; А0А, А0В — хлорофильные первичные акцепторы электрона в ветвях А и В; А1А, А1В — молекулы филлохинонов — вторичные акцепторы электрона в ветвях А и В.
* Адресат для корреспонденции.
Chloroacidobacterium и гелиобактерий Н11оЬас-teriaceae, а также гетеродимерные РЦ фотосистемы 1 (ФС1) из растений и цианобактерий, содержащие в качестве акцептора связанный с белком железо-серный кластер [1]. ФС1 из цианобактерий содержит 12 белковых субъединиц, 96 молекул хлорофилла (Хл), 22 молекулы каро-тиноида, три [4Бе-48] кластера, две молекулы филлохинона и четыре липида. Две трансмембранные субъединицы Р8аА и Р8аВ образуют С2-симметричное гетеродимерное ядро комплекса, содержащее большинство кофакторов [2] (рис. 1).
Из 96 молекул Хл шесть являются кофакторами переноса электронов и локализованы вблизи поверхностей контакта субъединиц Р8аА и Р8аВ. Димер молекул Хл Р700 состоит из двух молекул Хл a (Хл1А/Хл1В), плоскости порфи-
ринов которых параллельны друг другу (расстояние 3,6 А) и перпендикулярны плоскости мембраны. Пространственное расположение двух других молекул Хл а (Хл2А/Хл2В) примерно соответствует локализации двух молекул мономерного бактериохлорофилла в РЦ пурпурных бактерий, а еще две молекулы Хл а (Хл3А и Хл3В) расположены аналогично двум молекулам бактериофеофитина в РЦ пурпурных бактерий [3, 4]. Плоскости порфириновых колец молекул Хл2А (Хл2В) и Хл3А (Хл3В) параллельны (расстояние 3,9 А), однако они несколько больше смещены друг относительно друга, чем Хл1А и Хл1В (рис. 2). ФС1 содержит также две молекулы филлохинона (А1А и А1В). Пары молекул Хл а и филлохинонов расположены на двух симметричных ветвях А и В и связаны с субъединицами Р8аА и Р8аВ соответственно. Ветвь А включает в
Рис. 1. Локализация редокс-кофакторов переноса электронов в реакционных центрах ФС1. Хл1А(Хл1В), Хл2А(Хл2В), Хл3А(Хл3В) — первые, вторые и третьи молекулы хлорофилла в симметричных ветвях редокс-кофакторов А и В; А1а, А1В — молекулы филлохинона в ветвях А и В; Бх, РА и БВ — [4Бе-48] кластеры
себя молекулы Хл1А, Хл2А, Хл3А и филлохинон А1А, в то время как ветвь В — Хл1В, Хл2В, Хл3В и филлохинон А1В. Обе ветви кофакторов цепи переноса электронов соединяются на интерпо-липептидном железо-серном кластере Бх. Терминальные акцепторы электрона — [4Ёе-48] кластеры БА и БВ — локализованы на стромаль-ной субъединице Р8аС. Цепь переноса электронов в ФС1 состоит из Р700, А (одной или обеих пар молекул Хл, обозначенных Хл2А/Хл3А и Хл2В/Хл3В), А1 (одной или обеих молекул филлохинонов А1А/А1В) и железо-серных кластеров Бх, Ба и БВ. В настоящее время установлено, что перенос электронов в ФС1 происходит по обеим ветвям редокс-кофакторов от Р700 на Бх, однако степень асимметрии этого переноса и определяющие ее факторы не вполне ясны [5, 6]. Кроме того, до настоящего времени кинетика первичного разделения зарядов и даже природа первичных донора и акцептора электрона в ФС1 остается предметом дискуссий [6, 7]. В настоящем обзоре рассматриваются и анализируются энергетические и кинетические данные, проясняющие механизм первичных стадий переноса электрона в ФС1.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРВИЧНЫХ СТАДИЙ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ В ФС1
Недавно нами было показано, что при преимущественном возбуждении Р700 образование первичной радикальной пары Р700+А- происходит за время короче 100 фс, а дальнейший перенос электрона с образованием Р700+А1- имеет характерное время ~25 пс [7]. Последующие реакции переноса электрона от А1А- и А1В на Бх происходят с характерными временами ~200 и ~20 нс соответственно [5, 6, 8, 9]. Затем происходит последовательный перенос электрона с Бх на терминальные железо-серные кластеры БА и БВ и далее на растворимые белки ферредоксин или флаводоксин. В свою очередь, фотоокис-ленный Р700+ восстанавливается от пластоциа-нина или цитохрома с6, в результате чего все кофакторы ФС1 возвращаются в свое исходное состояние, когда первичный донор электронов Р700 восстановлен, а все последующие акцепторы окислены. В отсутствие экзогенных доноров и акцепторов электронов состояние с разделенными зарядами Р700+[РА/РВ]- рекомбинирует в основное состояние с характерным временем ~50 мс [10, 11].
Молекулы Хл2А/Хл2В и Хл3А/Хл3В, составляющие первичный акцептор А0, характеризуются необычными аксиальными лигандами, а
именно водой в случае Хл2А/Хл2В и остатками метионинов в случае Хл3А/Хл3В. Эти остатки (Ме1б88РкаАи Ме1бб8РкаВ) являются консервативными для всех известных видов растений и циа-нобактерий. Метионины были замещены у циа-нобактерий на остатки лейцинов, гистидинов и аспарагинов [12—14]. Сверхбыстрые оптические измерения показали, что в мутантах по ветви А (M688LPsaA, М688^аА и М688НРкаА) наблюдается замедление переноса электрона с А- на А1, в то время как кинетика в мутантах по ветви В (M668LPsaB, М668^аВ и М668НРкаВ) не отличается от кинетики, наблюдавшейся в ФС1 из ци-анобактерий дикого типа [13, 14]. Эти данные указывали на асимметричный вклад ветвей кофакторов А и В в образование вторичной ион-радикальной пары Р700+А-. Время-разрешен-ные исследования спектров ЭПР ФС1 из мутантов М688^8аА и М668^8аВ на частоте 95 ГГц (в W-полосе) при 100 К показали, что кинетика рекомбинации зарядов была аналогична для ФС1 из дикого типа и мутанта по ветви В и существенно отличалась для ФС1 из мутанта по ветви А [15]. Анализ модуляций сигнала электронного спинового эха (Е8ЕЕМ) показал, что расстояния между центрами ион-радикальных пар Р700+А— для образцов ФС1 из дикого типа и мутанта по ветви В соответствуют переносу электрона только по ветви А.
РАСЧЕТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРВИЧНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ЗАРЯДОВ В ФС1
Энергетические характеристики переноса электрона в ФС1 являются ключевыми для теоретического описания первичного разделения зарядов и интерпретации приведенных в предыдущем разделе экспериментальных данных. В этом разделе будут кратко описаны результаты наших расчетов окислительно-восстановительных потенциалов редокс-кофакторов ФС1, полученные на основании расчета электростатических взаимодействий кофакторов с белком и друг с другом, исходя из ее атомной структуры ([2], PDB Ш0).
Функционирование системы молекул одной химической природы (молекул Хл) в последовательности окислительно-восстановительных реакций в качестве одновременно и донора, и акцептора электрона возможно благодаря модификации их редокс-свойств за счет взаимодействия с белковым окружением. Наибольшее влияние на редокс-потенциалы Р700 и А0 оказывает взаимодействие молекул Хл РЦ с их аксиальными лигандами и с электрическими ди-польными моментами пептидных групп.
Лигандами молекул Хл1А и Хл1В являются гистидины, молекул Хл2А или Хл2В — вода, а
Р700 А,
Рис. 2. Взаимное расположение молекул хлорофилла в димерах, составляющих первичный донор Р700 (Хл1А и Хл1В) и первичный акцептор электронов А0А (Хл2А/Хл3А) ФС1 в ветви А редокс-кофакторов. Отмечены аксиальные лиганды центральных атомов Mg молекул хлорофилла и расстояния между плоскостями порфириновых колец и атомами Mg
молекул Хл3А и Хл3В — метионины (рис. 2). Имидазольное кольцо гистидина обладает значительно большим электрическим дипольным моментом, чем молекула воды или остаток ме-тионина. ^-атом имидазольного кольца гистидина несет отрицательный заряд ~0,56—0,57 элементарного заряда [16, 17]. Будучи обращено к центральному атому Mg этим атомом, кольцо гистидина, лигандирующее Хл1А (Хл1В), создает значительный отрицательный электрический потенциал в области тетрапиррольных колец Р700 (по нашим расчетам в макроскопической модели, около —0,23 В [18]), стабилизируя окисленное состояни
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.