УДК 577.34
ПЕРВИЧНЫЕ ИОН-РАДИКАЛЬНЫЕ ПАРЫ В КОМПЛЕКСАХ ФОТОСИСТЕМЫ II
Обзор
© 2014 В.А. Надточенко1, И.В. Шелаев1, М.Д. Мамедов2, А.Я. Шкуропатов3, А.Ю. Семенов1,2*, В.А. Шувалов2,3*
1 Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, 119991 Москва, ул. Косыгина, 4
2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, 119992 Москва; электронная почта: shuvalov@issp.serpukhov.su, shuvalva@gmail.com, semenov@genebee.msu.ru
3 Институт фундаментальных проблем биологии РАН, 142290Пущино Московской обл., ул. Институтская, 2
Поступила в редакцию 03.12.13 После доработки 15.12.13
Сверхбыстрая абсорбционная спектроскопия с разрешением ~20 фемтосекунд была использована для изучения первичного разделения зарядов в реакционных центрах (РЦ) фотосистемы II (ФС11) и кор-комплек-сах ФС11 (комплексах РЦ с прилегающей антенной) при возбуждении с максимумом на длинах волн 700—710 нм при 278 К. Показано, что первичное разделение зарядов между Р680* и СЫ01 (СЫ-670) происходит с характерным временем ~1 пикосекунда (пс) с образованием первичного ион-радикального состояния с примесью Р680*: Р680*(1-5)(Р6805+СЫ£т), 5 ~0,5. Последующий перенос электрона от Р6805+СЫ£т на молекулу феофитина (РИео) происходит за ~13 пс и сопровождается релаксацией полосы поглощения при 670 нм (СЫд-) и выцветанием полос РИео при 420, 545 и 680 нм с образованием полосы РИео- при 460 нм. Дальнейший перенос электрона на РА происходит за ~250 пс в соответствии с ранее полученными данными. Спектры образования Р680+ и РИео- включают в себя выцветание полосы при 670 нм, что указывает на промежуточное положение СЫ01 между Р680 и РИео. Кинетика стимулированного излучения при 685 нм демонстрирует две компоненты затухания с характерными временами ~1 пс и ~13 пс, обусловленные образованием Р6805+СЫ£т и Р680+ РИео- соответственно.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Р680, хлорофилл, феофитин, кор-комплекс фотосистемы II, первичное разделение зарядов, реакционный центр.
Настоящая работа посвящена памяти замечательного биофизика академика А.А. Краснов-ского и представляет собой обзор наших последних работ по фемтосекундным (фс) измере-
Принятые сокращения: ФСП — фотосистема II; РЦ — реакционный центр; кор-комплексы ФСП — препараты ФСП, включающие РЦ и прилегающую к нему антенну; БРЦ — бактериальный реакционный центр; В1/Э2/ /СуЬ559 — РЦ ФСП; ВА — бактериохлорофилл, первичный акцептор электрона БРЦ; СИ1 — хлорофилл a; Р680 — специальная пара молекул СИ1 в РЦ ФСП; Рш и Р^2 — молекулы СИ1, принадлежащие субъединицам и Б2 и образующие Р680; СЫШ, СЫШ — молекулы мономерного СИ1, локализованные между Р680 и феофитином в субъединицах и Б2 соответственно; РИео — феофитин a; РИеоС1 — феофитин, локализованный в субъединице Б1; РА — молекула пластохинона — первичный хинонный акцептор электрона.
* Адресат для корреспонденции.
ниям первичного разделения зарядов в реакционном центре (РЦ) пигмент-белкового комплекса фотосистемы II (ФСП) при физиологических условиях [1—3].
ФСП является светозависимой Н20 : пласто-хинон оксидоредуктазой, локализованной в ти-лакоидных мембранах цианобактерий, зеленых водорослей и высших растений. ФСП является основным источником кислорода на Земле, а также участвует в процессе образования первичной биомассы в биосфере. Карта электронной плотности для димерного ядерного комплекса из цианобактерий Thermosynechococcus elongatus недавно была получена с разрешением 2,9—1,9 А [4, 5]. Каждый мономер ядерного комплекса ФСП состоит из белков реакционного центра (РЦ) и Б2, а- и р-субъединиц цитохрома Ь559, двух интегральных антенных белков — СР43 и
CP47, которые являются местом локализации 13 и 16 молекул хлорофилла (Chl) а соответственно, а также трех периферических белков — 33 кДа (PsbO), 17 кДа (PsbV, cyt c-550) и 12 кДа (PsbU). Периферические белки необходимы для поддержания стабильности и обеспечения функционирования кислород-выделяющего комплекса.
Белки РЦ D1/D2 локализованы практически симметрично относительно трансмембранного участка и соответствуют расположению субъединиц L/M в бактериальном РЦ (БРЦ) [6, 7]. Четыре хлорофилла (специальная пара молекул хлорофилла PD1 и PD2, обозначаемая как Р680, и два дополнительных хлорофилла ChlD1 и ChlD2 в БРЦ, обозначаемые как BAB), два феофитина (PheoD1 и PheoD2 в БРЦ, обозначаемые как HAB) и два пластохинона (QA и QB) образуют две симметричные ветви, А и В. Известно, что, как и в случае БРЦ, перенос электрона в ФС11 [8—11] происходит только по D1 ветви с образованием Р680+^ео- и далее P680+QA .
Следует отметить, что Pd1 и Pd2 локализованы близко к ChlD1 и ChlD2; расстояние между центральными атомами Mg PD1 и ChlDj, а также между PD2 и ChlD2 составляет 10,2—10,4 А соответственно [12, 13]. Порфириновые кольца PD1 и PD2 находятся в ван-дер-ваальсовом контакте; расстояние Mg—Mg составляет 8,2 А [12] или 7,6 А [13]. Хотя димерная «специальная пара» PD1 и PD2 с параллельной ориентацией макроциклов имеет более слабое сопряжение, чем специальная пара в БРЦ [14], взаимодействие в пределах Р680 сильнее, чем между молекулами Р680 и Chlm.
Согласно рентгеноструктурному анализу кристаллов ФС11 плоскости порфириновых колец Pd1 и ChlD1, Pd2 и ChlD2, ChlD1 и PheoD1, ChlD2 и PheoD2 не являются параллельными. Таким образом, можно предположить, что образование эксимера или эксиплекса между параллельными макроциклами [15] может наблюдаться только для Р680, но не ChlD1, PheoD1 и других молекул. Недавние измерения спектральных изменений на комплексах ФС1, индуцированных 20-фс импульсами при 720 нм, показали, что эксимер изначально образуется в пределах Р700, где молекулы Chl имеют параллельные макроциклы, в то время как первичное разделение зарядов происходит в агрегате, состоящем из шести молекул Chl РЦ, образующих первичный донор Р700 и первичный акцептор электронов A [16].
При изучении РЦ ФС11 ключевым вопросом является определение частоты спектральных переходов в каждой из четырех молекул хлорофилла и двух молекул феофитина, а также идентификация состояний первичного разделения зарядов. Согласно недавним измерениям на изо-
лированных РЦ ФС11 с помощью 20-фс лазерных импульсов с максимумом при 700 нм (278 К) [1], светоиндуцированное разделение зарядов изначально происходит в пределах четырех эк-ситонно-сопряженных молекул СЫ, которые формируют фотоактивное ядро комплекса ФС11. Первичное разделение зарядов с образованием Р680+СЬ151 (поглощение СЫ01 при 670 нм) происходит аналогично образованию радикальной пары Р870+ВА- в БРЦ [17, 18]. Образование Р680+СЫ1 ш наблюдается за время ~1 пс, а последующий перенос электрона на молекулу РЫео с образованием Р680+РЫео- — за ~14 пс.
Хотя исследования самых ранних светоинду-цированных стадий в комплексах ФС11 начались более трех десятилетий назад, до сих пор не ясна природа первичного донора электрона при физиологических условиях, т.е. непонятно, откуда стартует перенос электрона: от возбужденной специальной пары Р680, от дополнительного хлорофилла СЫ1Ш или от обоих кофакторов. Следует отметить, что во всех случаях перенос электрона от РЫео- к рА происходит за ~200 пс [19, 20].
В последнее время во многих публикациях роль первичного донора электрона в РЦ ФС11 приписывается СЫ1Ш; при этом первичное разделение зарядов, как при низких температурах, так и при физиологических условиях, приписывается образованию СЫ^РЫео- [21-32]. В то же время, как упоминалось ранее, при возбуждении комплексов ФС11 20-фс импульсами с максимумом на длине волны 700-710 нм нами были получены данные, свидетельствующие о том, что первичной ион-радикальной парой является Р680+ СЫ1-)! [1, 2]. На основании данных экспериментальных исследований, выполненных на изолированных РЦ ФС11 методом кинетической абсорбционной спектроскопии при различных условиях возбуждения при 77 К [33] и результатов количественного моделирования кинетики абсорбционных изменений [34], была рассмотрена также возможность существования альтернативных путей разделения зарядов в ФС11, в одном из которых роль первичного донора играет Р680, а в другом — СЫ1Ш [33, 34]. Анализ кинетических кривых, полученных для РЦ ФС11 методом 2Б спектроскопии, показал, что наличие двух путей переноса электрона позволяет получить лучшее соответствие с экспериментом [35].
Недавно нами было показано [1], что спектроскопические данные, полученные на РЦ ФС11 при низкой температуре (6 К) [36], указывают на то, что полоса поглощения вблизи 670 нм может быть приписана СЫ1ш/т, которая характеризуется положительной поляризацией
в спектре кругового и линейного дихроизма. Таким образом, спектральная форма СЫ1-670 соответствует СЫ1Ш [1]. В недавней работе нами были представлены новые экспериментальные данные, полученные на кор-комплексах ФС11 из шпината методом 20-фемтосекудного фотолиза (возбуждение-зондирование) при 710 нм [2]. Эти данные подтверждают наши предыдущие результаты [1], полученные на изолированных РЦ ФС11, и свидетельствуют о том, что при физиологических температурах и используемых нами условиях (20-фс возбуждение с максимумом при 700 нм, 278 К), первичными донором и акцептором электронов являются Р680* и СЫ101 соответственно.
Ранее было показано, что при освещении препаратов ФС11, включающих РЦ и прилегающую к нему антенну (кор-комплексы ФС11), с активным водоокисляющим комплексом при 1,7 К, а также листьев шпината при 293 К наблюдается восстановление рА, в спектрах действия которого присутствует полоса в области 710—730 нм [37, 38]. Поэтому для возбуждения образца было возможно использовать фемтосекундные импульсы с максимумом на длине волны 710 нм.
КИНЕТИКА ПЕРВИЧНЫХ РЕАКЦИЙ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНА В РЦ ФСН
Дифференциальные спектры изменений поглощения (ДА) при 278 К на изолированных РЦ ФС11 в области 400—710 нм при различных временах задержки (от 0,1 до 28,5 пс) были получены при возбуждении образцов РЦ ФС11 20-фс импульсами с максимумом на длине волны 700 нм [1]. Основные изменения были связаны с выцветанием в районе полос Соре и молекул СЫ1 и РЫео при ~430 и 682 нм соответственно, включая вынужденное излучени
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.