МЕХАНИЗМ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО КИСЛОРОДА

Разработан механизм образования молекулярного кислорода в процессе фотосинтеза растений в результате окисления молекул воды в кислородвыделяющем комплексе (КВК) мембран хлоропластов. Проведенное нами всестороннее изучение КВК (от разработки инновационных методов его выделения и анализа свойств до установления его молекулярной структуры и механизма функционирования) показало, что он состоит из двух мономерных пигмент-белково-липидных комплексов фотосистемы 2 (ПБЛК ФС-2), ассоциированных по правилу зеркальной симметрии в димерную структуру в результате их гидрофобного взаимодействия. Установлено образование гидрофобного котла, стабилизирующего водоокисляющий центр (ВЦ) КВК в зоне ассоциации. Исследование закономерностей функционирования КВК позволило выдвинуть и обосновать концепцию двуханодной организации его ВЦ, формирующегося в результате встречного расположения двух функциональных катионов Mn, каждый из которых встроен в систему фотохимического переноса электронов и подвергается фотоокислению в структуре ПБЛК ФС-2 димерного КВК. Благодаря двуханодному действию ВЦ реализуется возможность синхронного окисления сразу двух молекул воды с образованием О₂. Предложен механизм, согласно которому стадии четырехквантового окисления функциональных катионов Mn сопровождаются их фотогидролизом, Са²⁺-активируемым образованием дигидроксидного ассоциата [Mn⁴⁺(HO)···(OH)Mn⁴⁺] и реакцией диспропорционирования электронной плотности в данном ассоциате с выделением О₂ и восстановлением катионов марганца до Mn²⁺. Термодинамическая эффективность реакции обусловлена оптимальными условиями формирования цилиндрической симметрии σ-π-связи между атомами кислорода в образующихся молекулах О₂. Разработанный механизм подтвержден с помощью квантовохимического анализа и может найти применение в создании генераторов молекулярного кислорода на искусственных носителях.

1. Шутилова, Н. И. Кислородвыделяющий комплекс мембран хлоропластов / Н. И. Шутилова // Биол. мембраны. – 2010. – T. 27, № 2. – C. 147–155.

2. Shutilova, N. I. The concept of the mechanism of oxygen formation during photosynthesis of plants and its substantiation / N. I. Shutilova // Proceedings of the National Academy of Sciences of Azerbaijan. – 2011. – Vol. 66. – P. 77–90.

3. Шутилова, Н. И. О механизме фотосинтетического окисления воды в димерном кислородвыделяющем комплексе фотосистемы II хлоропластов / Н. И. Шутилова // Биофизика. – 2000. – Т. 45, вып. 1. – С. 51–57.

4. Шутилова, Н. И. О принципах молекулярной организации и функционирования кислородвыделяющего комплекса фотосистемы 2 хлоропластов / Н. И. Шутилова // Успехи соврем. биологии. – 1999. – Т. 119, № 1. – С. 42–55.

5. Barber, J. Photosystem II: an enzyme of global significance / G. Barber // Biochemical Society Transactions. – 2006. – Vol. 34. – P. 619–631.

6. Комиссаров, Г. Г. Фотосинтез: физико-химический подход / Г. Г. Комиссаров; Рос. акад. наук, Ин-т хим. физики им. Н. Н. Семенова. – M.: Едиториал УРСС, 2003. – 223 с.

7. Кутюрин, В. М. О механизме разложения воды в процессе фотосинтеза / В. М. Кутюрин // Изв. Акад. наук СССР. Сер. биол. – 1970. – № 4. – С. 569–580.

8. Шутилова, Н. И. Выделение и исследование трех типов пигмент-белковолипидных комплексов мембран хлоропластов: комплекса фотосистемы 1, комплекса фотосистемы 2 и светособирающего комплекса: дис. … канд. биол. наук / Н. И. Шутилова; Ин-т биохимии им. A. Н. Баха Рос. акад. наук. – M.: Ин-т биохимии им. A. Н. Баха Рос. акад. наук, 1976. – 32 c.

9. Шутилова, Н. И. Выделение и исследование трех видов пигмент-белковолипидных комплексов хлоропластов: комплекса, содержащего реакционный центр FS-1, комплекса, содержащего реакционный центр FS-2 и светособирающего комплекса / Н. И. Шутилова, В. М. Кутюрин // Физиология растений. – 1976. – Т. 23, вып. 1. – С. 42–49.

10. Шутилова, Н. И. Кислородвыделяющий пигмент-белковолипидный комплекс фотосистемы 2 хлоропластов: дис. … д-ра биол. наук : 03.00.02 / Н. И. Шутилова; Рос. акад. наук, Ин-т биохим. физики им. Н. М. Эмануэля. – М.: ИБХФ им. Н. М. Эмануэля, 1997. – 141 c.

11. Блюменфельд, Л. А. Проблемы биологической физики / Л. А. Блюменфельд. – М.: Наука, 1974. – 335 с.

12. Семенов Н. Н. Многоэлектронные процессы в химии и биологии / Н. Н. Семенов, А. Е. Шилов, Г. И. Лихтенштейн // Докл. Акад. наук СССР. – 1975. – Т. 221. – С. 1374–1377.

13. Kok, B. B. Cooperation of charges in photosynthetic O2 evolution. – 1. A linear four-step mechanism / B. B. Kok, B. Forbush, M. McGloin // J. of Photochem. and Photobiol. – 1970. – Vol. 11. – P. 457–475.

14. Rutherford, A. W. Photosystem II, the water-splitting enzyme / A. W. Rutherford // Trends in Biochem. Sci. – 1989. – Vol. 14. – P. 227–232.

15. Debus, R. J. The manganese and calcium ions of photosynthetic oxygen evolution / R. J. Debus // Biochimica et Biophys. Acta. – 1992. – Vol. 1102. – P. 269–352.

16. Yachandra, V. K. Manganese cluster in photosynthesis: where plants oxidize water in dioxygen / V. K. Yachandra, K. Sauer, M. P. Klein // Chem. Rev. – 1996. – Vol. 96. – P. 2927–2950.

17. Dau, H. The tetra-manganese complex of photosystem II during its redox cycle – X-ray absorption results and mechanistic implications / H. Dau, L. Luzzolino, J. Dittmer // Biochim. et Biophys. Acta. – 2001. – Vol. 1503. – P. 24–39.

18. Siegbahn, P. E. M. Manganese oxyl radical intermediates and O-O bond formation in photosynthetic oxygen evolution and a proposed role for the calcium cofactor in photosystem II / P. E. M. Siegbahn, R. H. Crabtree // J. of the Am. Chem. Soc. – 1999. – Vol. 121. – P. 117–127.

19. Vrettos, J. S. Mechanism of photosynthetic water oxidation: combining biophysical studies of photosystem II with inorganic model chemistry / J. S. Vrettos, J. Limburg, G. W. Brudvig // Biochim. et Biophys. Acta. – 2001. – Vol. 1503. – P. 229–245.

20. Hillier, W. Oxygen ligand exchange at metal sites – implications for the O2 evolving mechanism of photosystem II / W. Hillier, T. Wydrzynski // Biochim. et Biophys. Acta. – 2001. – Vol. 1503. – P. 197–209.

21. Кутюрин, В. М. Электронодонорные свойства пигмент-белковолипидного комплекса хлоропластов / В. М. Кутюрин, Н. И. Шутилова // Биохимия. – 1974. – Т. 39, вып. 1. – С. 102–110.

22. Кутюрин, В. М. К вопросу о методе выделения фотохимически активных пигмент-белковолипидных комплексов хлоропластов / В. М. Кутюрин, Н. И. Шутилова // Биофизика. – 1975. – Т. 20, вып. 2. – С. 246–249.

23. Шутилова, Н. И. Исследование фотоиндуцируемых изменений каротиноидного состава у изолированных пигмент-белковолипидных комплексов ФС-1 и ФС-2 хлоропластов гороха / Н. И. Шутилова, З. В. Жигальцова, В. М. Кутюрин // Физиология растений. – 1976. – Т. 23, вып 3. – С. 452–459.

24. Исследование фотохимических и спектральных свойств субхлоропластных фрагментов ФС-2, высокоочищенных от примеси ФС-1 / Н. И. Шутилова [и др.] // Биофизика. – 1975. – Т. 20, вып. 5. – С. 844–847.

25. Оптимизация условий выделения трех типов пигмент-белковолипидных комплексов хлоропластов гороха при солюбилизации тритоном X-100 / Н. И. Шутилова [и др.] // Биохимия. – 1979. – Т. 44, вып. 7. – С. 1160–1171.

26. Вершинин, А. В. Исследование пигмент-белковолипидных комплексов в модели моногибридного гетерозиса, полученного на основе хлорофильного мутанта гороха. Сообщение 1. Хлорофилл-белковый состав и спектральные свойства / А. В. Вершинин, Н. И. Шутилова // Генетика. – 1980. – Т. 16, № 4. – С. 667–676.

27. Исследование фотохимического взаимодействия пигмент-белковолипидного комплекса фотосистемы 1 с n-бензохиноном потенциометрическим методом / А. Я. Шкуропатов [и др.] // Докл. Акад. наук СССР. – 1974. – Т. 214, № 5. – С. 1214–1217.

28. Восстановление феофигина в световой реакции фотосистемы II высших растений / А. В. Клеваник [и др.] // Докл. Акад. наук СССР. – 1977. – Т. 236, № 1. – С. 241.

29. Исследование эффективности хроматографического разделения пигмент-белковолипидных комплексов реакционных центров фотосистемы 1 и фотосистемы 2 хлоропластов гороха на ДЭАЭ-целлюлозе / Н. И. Шутилова [и др.] // Биохимия. – 1982. – Т. 47, вып. 2. – С. 317–322.

30. Shutilova, N. I. A rapid procedure for isolating the photosystem II reaction centers in a highly enriched form / N. I. Shutilova, A. Faludi-Daniel, V. V. Klimov // FEBS Lett. – 1982. – Vol. 138. – P. 255–260.

31. Исследование фотовосстановления феофитина и фотоокисления хлорофилла П680 на препаратах фотосиcтемы II из хлоропластов гороха и Chlamydomonas rainhardii / В. В. Климов [и др.] // Физиология растений. – 1980. – Т. 27, № 2. – С. 315–326.

32. Вершинин, А. В. Исследование пигмент-белковолипидных комплексов в модели моногибридного гетерозиса, полученного на основе хлорофильного мутанта гороха. Сообщ. 2. Фотохимическая активность / А. В. Вершинин, Н. И. Шутилова // Генетика. – 1980. – Т. 16, № 4. – С. 692–702.

33. Шутилова, Н. И. Фотоиндуцированное выделение протонов пигмент-белковолипидным комплексом фотосистемы 2 в присутствии феррицианида / Н. И. Шутилова, Г. М. Ананьев, Д. А. Закржевский // Докл. Акад. наук СССР. – 1980. – Т. 253, № 5. – С. 1263–1266.

34. Шутилова, Н. И. Спектральные формы хлорофилла у изолированных пигмент-белковолипидных комплексов хлоропластов гороха / Н. И. Шутилова, И. Г. Кадошникова, Д. А. Закржевский // Биофизика. – 1984. – Т. 29. – С. 844–853.

35. Изучение действия специфических ингибиторов трансляции на образование нативных форм хлорофилла в пигмент-белковолипидных комплексах хлоропластов гороха / И. Ю. Щербакова [и др.] // Молекуляр. биология. – 1980. – Т. 14, вып. 4. – С. 881–890.

36. О связи образования нативных форм хлорофилла с процессами трансляции в хлоропластах и цитоплазме / Ю. Е. Гиллер [и др.] // Докл. Акад. наук СССР. – 1979. – Т. 244, № 3. – С. 739–742.

37. Стадничук, И. Н. Структура спектров поглощения и флуоресценции и пигментная организация комплекса хлорофилл-антенны высших растений / И. Н. Стадничук, Н. И. Шутилова // Биофизика. – 1980. – Т. 25, вып. 5. – С. 781–786.

38. Об оптическом поглощении при 700 нм спектрах ЭПР хлоропластов и субхлоропластных частиц / М. Г. Гольд-фельд [и др.] // Биофизика. – 1976. – Т. 21, вып. 1. – С. 183–185.

39. Реактивация функции выделения кислорода у субхлоропластных фрагментов фотосистемы 2, отмытых от белков с молекулярной массой 17, 23, и 33 кДа / Н. И. Шутилова [и др.] // Биохимия. – 1987. – Т. 52, вып. 12. – C. 1958–1964.

40. Выделение, стабилизация и исследование кислородвыделяющего пигмент-белковолипидного комплекса фотосистемы 2 мембран хлоропластов / Н. И. Шутилова [и др.] // Биол. мембраны. – 1990. – Т. 7, № 4. – С. 359–367.

41. О механизме термоинактивации кислородвыделяющего комплекса функционального ядра фотосистемы 2 хлоропластов / Н. И. Шутилова [и др.] // Биохимия. –1992. – Т. 57, вып. 10. – С. 1508–1518.

42. Temperature-isolated structural and functional transitions in the oxygen-evolving complex of phosystem 2 subchloroplast preparations / N. I. Shutilova [et al.] // Biochem. and Mol. Biol. Inter. – 1995. – Vol. 35. – P. 1233–1243.

43. Семенова, Г. А. Влияние хранения при низких положительных температурах на структуру, функциональную активность и изменения липидного состава хлоропластов / Г. А. Семенова, Н. И. Шутилова // Биол. мембраны. – 1996. – Т. 13, № 2. – С. 138–145.

44. Фотоэлектрический ответ, генерируемый при восстановлении негемового железа на акцепторном участке фотосистемы 2 / М. Д. Мамедов [и др.] // Биохимия. – 2000. – Т. 65, вып. 6. – С. 854–958.

45. Исследование соотношения фотоавтотрофной и гетеротрофной энергозапасающих систем клеток растений для оценки воздействия стрессовых факторов / Н. И. Шутилова [и др.] // Приклад. биохимия и микробиология. – 1997. – Т. 33, № 4. – С. 448–454.

46. Shutilova, N. I. Model of the structural organization of the oxygen-evolving complex // Molecular Biology and Genetics of Photosynthesis: Proc. Inter. Conf. / Moscow State University. – Moscow, 1977. – P. 22–24.

47. Шутилова, Н. И. Молекулярные механизмы ингибирующего действия тяжелых металлов на кислород- выделяющий комплекс мембран хлоропластов / Н. И. Шутилова // Биол. мембраны. – 2006. – Т. 23, № 5. – С. 355–363.

48. Shutilova, N. I. The mechanism and quantum-chemical modeling of the reaction of photosynthetic water oxidation and oxygen formation / N. I. Shutiova, D. N. Moiseev // Rus. J. of Phys. Chem. B. – 2010. – Vol. 4, N 5. – P. 801–809.

49. Shutilova, N. I. The role of transitional metals in biological systems. Mn-protein center of water oxidation and its functioning in the process of photosynthetic oxygen formation / N. I. Shutilova, D. N. Moiseev // Protection of Metals and Phys. Chemistry of Surfaces. – 2010. – Vol. 46, N 4. – P. 502–507.

50. Crystal structure of photosystem II from Synechococcus elongatus at 3.8 Å resolution / A. Zouni [et al.] // Nature. – 2001. – Vol. 409. – P. 739–743.

51. Architecture of the photosynthetic oxygen-evolving center / K. N. Ferreira [et al.] // Science. – 2004. – Vol. 303. – P. 1831–1838.

52. Improved methods for binding protein models in electron density maps and the location of errors in these models / T. A. Jones [et al.] // Acta Crystallographica. Section A. – 1991. – Vol. 47. – P. 110–119.

53. Towards complete cofactor arrangement in the 3.0 Å resolution structure of photosystem II / B. Loll [et al.] // Nature. – 2005. – Vol. 438. – P. 1040–1044.

54. Umena, Y. Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9 Å / Y. Umena, K. Kawakami, N. Kamiya // Nature. – 2011. – Vol. 473. – P. 55.

55. Directed mutagenesis indicates that the donor to P680+ in Photosystem II is tyrosine-161 of the D1 polypeptide / R. J. Debus [et al.] // Biochemistry. – 1988. – Vol. 27. – P. 9071–9074.

56. Directed alteration of the D1 polypeptide of Photosystem II: Evidence that tyrosine-161 is the redox component, Z, connecting the oxygen-evolving complex to the primary electron donor, P680 / J. Metz [et al.] // Biochemistry. – 1989. – Vol. 28. – P. 6960–6969.

57. Laikov, D. N. Fast evaluation of density functional exchange-correlation terms using the expansion of the electron density in auxiliary basis sets / D. N. Laikov // Chem. Phys. Lett. – 1997. – Vol. 281. – P. 151–156.

58. Photosynthetic Water Oxidation: Insights from Manganese Model Chemistry / K. Joung[et al.] // Accounts of Chem. Res. – 2015. – Vol. 48. – P. 567–574.