БИОФИЗИКА, 2023, том 68, № 4, с. 646-652

БИОФИЗИКА КЛЕТКИ

УДК 577.355.3

МЕХАНИЗМ ИНГИБИРОВАНИЯ КИСЛОРОД-ВЫДЕЛЯЮЩЕГО

КОМПЛЕКСА ФОТОСИСТЕМЫ II КАТИОНАМИ ЛАНТАНОИДОВ

*Биологический факультет Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова,

Ленинские горы, 1/12, Москва, 119234, Россия

^#E-mail: elena.lovyagina@gmail.com

Поступила в редакцию 15.02.2023 г.

После доработки 27.03.2023 г.

Принята к публикации 03.05.2023 г.

Исследован процесс взаимодействия катионов La³⁺ и Tb³⁺ с Са-связывающим участком кислород-

выделяющего комплекса фотосистемы II без кальция. Катионы связываются необратимо и не могут

быть удалены переосаждением препарата или замещением их катионом Са²⁺. Эта способность лан-

таноидов прочно связываться с Са-связывающим участком была использована для исследования

возможности влияния связанного катиона Ln³⁺ на высокоаффинный Mn-связывающий участок

кислород-выделяющего комплекса. С этой целью из кислород-выделяющего комплекса препарата

фотосистемы II без кальция с блокированным катионами La³⁺ или Tb³⁺ Са-связывающим участком

гидрохиноном экстрагировали катионы марганца, после чего исследовали активность высокоаф-

финного Mn-связывающего участка, используя экзогенные доноры электронов (Mn²⁺ + H₂O₂) и

1,5-дифенилкарбазид. Было установлено, что связанный с Са-связывающим участком катион лан-

таноида значительно ингибирует скорость окисления доноров электронов через высокоаффинный

Мn-связывающий участок. Обсуждается механизм обнаруженного эффекта.

Ключевые слова: фотосистема II, кислород-выделяющий комплекс, высокоаффинный Mn-связывающий

участок, кальций, лантаноиды.

DOI: 10.31857/S0006302923040038, EDN: KJDNJM

Каталитический центр комплекса, выделяю-

Катион Ca²⁺ может быть экстрагирован

из

щего молекулярный кислород в процессе окисле-

KВК путем обработки мембран фотосистемы II

ния двух молекул воды (кислород-выделяющий

(ФСII) средой с высокой ионной силой (1-2 М

комплекс, КВК) в оксигенных фотосинтетиче-

NaCl) [8] или цитратным буфером с низким рН

ских организмах состоит из четырех катионов Mn

[9], что сопровождается потерей способности

и одного катиона Ca²⁺, соединенных между со-

ФСII к выделению молекулярного кислорода.

бой пятью кислородными мостиками [1, 2]. Этот

Кислород-выделяющая активность препаратов

металлический кластер фиксирует четыре моле-

ФСII без катиона Са²⁺ в КВК (ФСII(-Ca)) может

кулы воды, две из которых связаны с катионом

быть в значительной степени восстановлена до-

Mn4, а две другие - с катионом Ca²⁺. Возможно,

бавлением экзогенного Ca²⁺ в концентрации 10-

одна из молекул воды, связанных с катионом

30 мМ (до ≈70%) [10]. С Са-связывающим участ-

Ca²⁺, является молекулой, участвующей в обра-

ком КВК способны связываться и другие катио-

зовании молекулярного кислорода [3, 4], хотя

ны металлов, однако восстановления кислород-

роль Ca²⁺ в процессе окисления воды может быть

выделяющей активности при этом не происходит

и другой [5-7].

[11]. Показано, что единственным ионом метал-

ла, который может функционально заместить

Сокращения: КВК

- кислород-выделяющий комплекс, Ca²⁺, является Sr²⁺ [12]. Некоторые катионы ме-

ФСII - фотосистема II, ФСII(-Са) - фотосистема II без

таллов, включая лантаноиды [13, 14] и Cd²⁺ [15],

катиона кальция в кислород-выделяющем комплексе,

онный центр, ДХФИФ - 2,6-дихлорофенолиндофенол, конкурируют с Ca2+ за взаимодействие с Са-свя-

ДФК - 1,5-дифенилкарбазид, ФСII(-Ca,+Ln) - фотоси-

зывающим участком. Лантаноиды (Ln³⁺) способ-

стема II без катиона кальция в кислород-выделяющем

комплексе с блокированным катионом лантаноида Са-

ны вытеснять катион Ca²⁺ из нативного КВК и

связывающим участком.

связываться с освободившимся Са-связываю-

646

МЕХАНИЗМ ИНГИБИРОВАНИЯ

647

щим участком в мембранных препаратах ФСII

Удаление Mn из кислород-выделяющего ком-

[13], а также со свободным Са-связывающим

плекса мембранных препаратов ФСII(-Са). Мем-

участком в препаратах ФСII без кальция [14].

браны ФСII(-Ca) (50 мкг Хл/мл) инкубировали с

гидрохиноном (600 мкМ) в буфере А (pH 6.5) в

Связанные катионы Ln³⁺ не вытесняются катио-

темноте при 5°C в течение 30 мин. Затем к суспен-

ном Са²⁺ [13]. Несмотря на то, что лантаноиды

зии мембран добавляли 25 мМ CaCl₂ для удале-

эффективно конкурируют с катионами Ca²⁺ за

ния поверхностно связанных катионов Mn²⁺, по-

Са-связывающие участки [16], они не способны

сле инкубации в течение 2 мин мембраны осажда-

восстановить процесс окисления воды марганце-

ли и дважды отмывали буфером A. После

вым кластером. Это может быть связано с разли-

обработки гидрохиноном в КВК полученных

чиями в характеристиках катионов Са²⁺ и Ln³⁺

препаратов сохранялось 1.0 ± 0.1 Mn на один РЦ

(ионный радиус, рК связанной молекулы воды,

[23].

валентность), но могут быть и другие причины. В

Измерение скорости выделения кислорода пре-

этой связи важно отметить, что катионы Ln³⁺

паратами ФСII. Кинетику фотоиндуцированного

способны эффективно связываться не только с

выделения кислорода препаратами ФСII реги-

Са-связывающим участком, но и с высокоаф-

стрировали амперометрически с помощью за-

финным Мn-связывающим участком в препара-

крытого электрода Кларка в термостатируемой

тах ФСII без марганца [17]. В данной работе мы

ячейке с интенсивным перемешиванием при

исследовали возможные варианты механизма ин-

25°С. В качестве искусственного акцептора элек-

гибирования лантаноидами КВК в препаратах

тронов использовали 2,6-дихлоро-п-бензохинон

ФСII(-Са).

(Sigma-Aldrich, США) в концентрации 200 мкМ.

Для калибровки величины диффузионного тока

использовали значение концентрации кислорода

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

в воде в равновесии с воздухом при 25°С, равное

253 мкМ. Источником возбуждающего света слу-

Препараты ФСII. Фрагменты фотосинтетиче-

жили светодиоды XBDROY (Cree Inc., США) с

ских мембран, обогащенные ФСII (BBY-тип),

максимумом при длине волны 450 нм, обеспечи-

выделяли из листьев шпината Spinacia oleracea L.

вающие насыщающую интенсивность света

согласно методике, опубликованной в работе

(1800 мкЭ·м^-2·с^-1).

[18]. Скорость выделения кислорода полученны-

Спектральное определение фотохимической ак-

ми мембранными препаратами ФСII составляла

тивности препаратов ФСII. Фотохимическую

450-550 мкмоль O₂ мг Хл^-1ч^-1. Концентрацию

активность препаратов ФСII измеряли как ско-

хлорофилла (Хл) определяли в 80%-м растворе

рость фотовосстановления экзогенного акцепто-

ацетоне согласно методу, описанному в работе

ра электронов

2,6-дихлорофенолиндофенола

[19]. Препараты хранили при -80°C в буфере А

(ДХФИФ) на спектрофотометре Specord UV-VIS

следующего состава: 400 мМ сахарозы, 15 мМ Na-

(Carl Zeiss Jena, Германия) в кюветах с длиной опти-

Cl, 50 мМ MES/NaOH (2-(N-морфолино)этанс-

ческого пути 1 см. В качестве возбуждающего ис-

ульфоновая кислота), рН 6.5. Перед обработкой

точника света использовали светодиоды XBDROY

или измерением препараты размораживали в

(Cree Inc., США). Перед трубкой фотоумножителя

темноте при 5°C в течение 1 ч, далее они находи-

спектрофотометра устанавливали оранжевый стек-

лись при тех же условиях. Активность контроль-

лянный фильтр ОС-14, пропускающий свет с

ных препаратов ФСII в течение времени проведе-

λ>590 нм, для отсечения возбуждающего света.

ния экспериментов сохранялась постоянной.

Фотоиндуцированные изменения оптической

Концентрация реакционных центров (РЦ) ФСII

плотности ДХФИФ регистрировали на длине

рассчитана в мкМ из соотношения 250 молекул

волны 600 нм (максимум поглощения депротони-

Хл на один РЦ [20, 21].

рованной формы ДХФИФ). Скорость восстанов-

ления ДХФИФ определяли, используя молярный

Удаление Ca²⁺ из кислород-выделяющего ком-

коэффициент экстинкции ε = 21.8 мM^-1cм^-1 [22].

плекса мембранных препаратов ФСII. Мембраны

ФСII обрабатывали буфером, содержащим 2 М

NaCl, 0.4 М сахарозы и 25 мМ MES/NaOH, pH 6.5

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

[8], в течение 15 мин при комнатной температуре

Са-связывающий участок КВК оксигенных

и освещении 4 мкЭ·м^-2·с^-1. После инкубации

организмов имеет два аминокислотных остатка

мембраны осаждали и дважды отмывали буфером

D1-Asp170 и D1-Ala344, связывающих катион

A. Полученные препараты ФСII(-Ca) помимо ка-

кальция с белком D1 реакционного центра ФСII

тионов кальция не содержали двух перифериче-

и, одновременно, с катионами марганца Mn4 и

ских белков PsbQ и PsbP, защищающих КВК от

Mn2 марганцевого кластера, т. е. карбоксильные

проникновения экзогенных веществ.

группы аминокислотных остатков Asp170 и

БИОФИЗИКА том 68

№ 4

2023

648

ЛОВЯГИНА и др.

катионов Ln³⁺. Связанные с Са-связывающим

участком в мембранах ФСII(-Са) катионы La³⁺ и

Tb³⁺ также не удаляются процедурой переоса-

ждения с последующей отмывкой (рис. 1). Это

позволяет провести экстракцию марганца из пре-

парата ФСII(-Са) с блокированным катионом

лантаноида Са-связывающим участком без поте-

ри Ln³⁺.

Наиболее часто для удаления катионов мар-

ганца из КВК используется обработка щелочным

Трис-буфером или раствором гидроксиламина,

что позволяет практически полностью удалить

марганец (остаточное содержание ≤0.5 Mn/РЦ

[31]). В нашей работе мы использовали другой

восстановитель для экстракции - гидрохинон.

Рис. 1. Зависимость скорости выделения кислорода

Гидрохинон восстанавливает только три катиона

препаратами ФСII(-Ca) от концентрации катионов

La³⁺/Tb³⁺ во время преинкубации. Мембраны

марганца из четырех, соответственно, в КВК

ФСII(-Са) (50 мкг Хл/мл) инкубировали в присут-

остается один катион марганца [23]. Мы исполь-

ствии катионов La³⁺(кривая 1) или Tb³⁺(кривая 2) в

зовали этот восстановитель, чтобы определить,

течение 3 мин в темноте при комнатной температуре,

связан ли остающийся катион марганца с высо-

после чего осаждали центрифугированием и ресус-

коаффинным Мn-связывающим участком. Сле-

пендировали в буфере А (10 мкг Хл/мл). Скорость вы-

деления кислорода измеряли в присутствии 10 мM

дует отметить, что частичная экстракция катио-

CaCl₂.

нов марганца из КВК (например двух катионов из

четырех) сопровождается практически полной

инактивацией выделения кислорода (остаточная

Ala344 являются бидентантными лигандами. Со-

активность около 10% [32]), но незначительным

единение катиона кальция с катионами марганца

уменьшением скорости электронного транспорта

дополнительно осуществляется и через взаимо-

(скорость восстановления ДХФИФ уменьшается

действие с кислородными мостиками О1, О2 и О5

лишь до 83% [23]), что свидетельствует о незначи-

[2]. C катионом Са²⁺ также связаны две молекулы

тельном ингибировании реакции окисления во-

воды - W3 и W4. Эти данные позволяют полагать,

ды. В случае экстракции марганца гидрохиноном

что связывание катиона лантаноида с Са-связы-

остается только один Mn на РЦ, скорость выделе-

вающим участком КВК может затрагивать в

ния кислорода уменьшается до 8%, тогда как ско-

первую очередь катионы Mn4 и Mn2 марганцево-

рость восстановления ДХФИФ уменьшается

го кластера через бидентантные лиганды. Один из

лишь до 41% (рис. 2).

этих катионов, Mn4, связан с высокоаффинным

Далее мы исследовали влияние связанных с

Mn-связывающим участком [1, 24, 25]. Функцио-

нальную активность этого участка довольно легко

Са-связывающим участком катионов La³⁺

проверить. Если этот участок не занят катионом

(рис. 3) и Tb³⁺ (рис. 4) на скорость восстановле-

металла - Mn или Fe [26], то через него интенсив-

ния ДХФИФ в частицах ФСII(-Ca) после обра-

но фотоокисляются экзогенные катионы марган-

ботки их гидрохиноном. В качестве источника

ца донорной системы [Mn²⁺ + H₂O₂] [27-29] ти-

электронов использовали донорную пару

[Mn²⁺ + Н₂О₂] или 1,5-дифенилкарбазид (ДФК).

розином Y_Z● [30]. Учитывая изложенное выше,

На рис. 3 и 4 показаны кинетики восстановления

мы планировали проверить активность высоко-

ДХФИФ, а в таблице представлены величины

аффинного Mn-связывающего участка в препа-

измеренных скоростей. Кинетики восстановле-

ратах ФСII(-Ca) после замещения катиона Са²⁺

ния ДХФИФ в препаратах ФСII(-Са), обработан-

катионом Ln³⁺ и последующей экстракции из

ных гидрохиноном (остаточное содержание мар-

этих препаратов катионов марганца.

ганца - один Mn/РЦ), представлены кривыми 1

В предварительном эксперименте мы исследо-

на рис. 3 и 4. При измерении кинетик 2 были ис-

вали возможность удаления связавшегося с Са-

пользованы препараты, приготовленные следую-

щим образом: мембраны ФСII(-Ca) были проин-

связывающим участком катиона Ln³⁺ посред-

ством центрифугирования суспензии мембран и

кубированы 20 мин с 1 мМ La³⁺ (рис. 3) или Тb³⁺

их отмывки буфером А. Известно, что катионы

(рис. 4), после чего мембраны были осаждены

кальция не могут вытеснять связанный катион

центрифугированием и отмыты буфером А

лантаноида в мембранах ФСII [13] или ФСII(-Са)

(ФСII(-Ca,+Ln)). Затем марганец был экстраги-

[14], что свидетельствует о прочном связывании

рован из КВК гидрохиноном. В случае донорной

БИОФИЗИКА том 68

№ 4

2023

МЕХАНИЗМ ИНГИБИРОВАНИЯ

649

пары [Mn²⁺ + Н₂О₂], донирующей электроны

только через высокоаффинный Мn-связываю-

щий участок, видно, что скорость восстановле-

ния ДХФИФ уменьшается до 76% при блокиро-

вании Са-участка катионом лантана (рис. 3а) и

значительно больше уменьшается в случае катио-

на тербия (41%, рис. 4а). Этот факт ясно показы-

вает, что связанные с Са-участком катионы La³⁺

и Тb³⁺ ингибируют высокоаффинный Мn-связы-

вающий участок. В случае ДФК, другого донора

электронов, ингибирование восстановления

ДХФИФ выражено значительно слабее - оста-

точная активность ≈84% для обоих катионов

(рис. 3б и 4б). Это объясняется тем, что ДФК до-

нирует электроны через два участка - высокоаф-

финный и низкоаффинный [33], что снижает до-

лю потока электронов через высокоаффинный

Рис. 2. Кинетики восстановления ДХФИФ мембран-

участок. Этот факт также свидетельствует о том,

ными препаратами ФСII(-Са). Кривая 1 - препараты

ФСII(-Са); кривая 2 - препараты ФСII(-Са), обрабо-

что в препаратах ФСII(-Са), обработанных гид-

танные гидрохиноном. Все кинетики измерены

рохиноном, сохраняющийся катион марганца не

при концентрации Хл 10 мкг/мл и концентрации

связан с высокоаффинным участком. Получен-

ДХФИФ 40 мкМ без искусственного донора электро-

ные результаты демонстрируют, что связанные с

нов. Скорость восстановления ДХФИФ нативными

препаратами ФСII составляла

145

± 5 мкмоль

Са-участком катионы лантаноидов ингибируют

ДХФИФ мг Хл^-1·ч^-1 (100%), препаратами ФСII(-Са)

высокоаффинный Мn-связывающий участок, но

100 ± 5 мкмоль ДХФИФ мг Хл^-1·ч^-1 (69%), препара-

не полностью. Это подтверждается тем, что до-

тами ФСII(-Са), обработанными гидрохиноном,

59 ± 7 мкмоль ДХФИФ мг Хл^-1·ч^-1 (41%).

бавление катионов La³⁺ или Tb³⁺ к препаратам

ФСII(-Са,+Ln), обработанным гидрохиноном,

Рис. 3. Влияние La³⁺на восстановление ДХФИФ в препаратах ФСII(-Са), обработанных гидрохиноном: кривые 1 -

препараты ФСII(-Са), обработанные гидрохиноном (условия обработки приведены в разделе «Материалы и методы»);

кривые 2 - препараты ФСII(-Са) (250 мкг Хл/мл) инкубировали с 1 мM La³⁺ в течение 20 мин при комнатной

температуре в темноте, затем центрифугировали в режиме 16100 g × 5 мин и ресуспендировали в буфере А, после чего

обрабатывали гидрохиноном; кривые 3 - препараты ФСII(-Са) (250 мкг Хл/мл) инкубировали с 1 мM La³⁺ в течение

20 мин при комнатной температуре в темноте, затем центрифугировали в режиме 16100 g × 5 мин и ресуспендировали

в буфере А, после чего обрабатывали гидрохиноном и измеряли скорость восстановления ДХФИФ в присутствии

1 мМ La³⁺. Все кинетики были измерены при концентрации хлорофилла 10 мкг/мл и концентрации ДХФИФ 40 мкM

в присутствии донорной пары [2 мкM Mn²⁺ + 3 мM H₂O₂] (а) или 200 мкM 1,5-дифенилкарбазида (б). Стрелки

показывают моменты включения и выключения света. Скорость восстановления ДХФИФ препаратами ФСII(-Са),

обработанными гидрохиноном, в присутствии донорной пары [Mn²⁺ + H₂O₂] составляла 88 ± 7 мкмоль ДХФИФ мг

Хл^-1·ч^-1 (61% скорости восстановления ДХФИФ нативными препаратами ФСII), в присутствии ДФК 63 ± 6 мкмоль

ДХФИФ мг Хл^-1·ч^-1 (43% скорости восстановления ДХФИФ нативными препаратами ФСII).

БИОФИЗИКА том 68

№ 4

2023

650

ЛОВЯГИНА и др.

Рис. 4. Влияние Тb³⁺ на восстановление ДХФИФ в препаратах ФСII(-Са), обработанных гидрохиноном: кривые 1 -

препараты ФСII(-Са), обработанные гидрохиноном; кривые 2 - препараты ФСII(-Са) (250 мкг Хл/мл) инкубировали

с 1 мM Tb³⁺ в течение 20 мин при комнатной температуре в темноте, затем центрифугировали при 16100 g в течение

5 мин и ресуспендировали в буфере А, после чего обрабатывали гидрохиноном; кривые 3 - препараты ФСII(-Са)

(250 мкг Хл/мл) инкубировали с 1 мM Tb³⁺ в течение 20 мин при комнатной температуре в темноте, затем

центрифугировали 16100g х 5 мин и ресуспендировали в буфере А, после чего обрабатывали гидрохиноном и измеряли

скорость восстановления ДХФИФ в присутствии 1 мМ Tb³⁺. Все кинетики были измерены при концентрации

хлорофилла 10 мкг/мл и концентрации ДХФИФ 40 мкM в присутствии донорной пары [2 мкM Mn²⁺ + 3 мM H₂O₂] (а)

или 200 мкM 1,5-дифенилкарбазида (б).

сопровождается дальнейшим ингибированием

дов, мембраны тилакоидов содержит и другие не-

реакции окисления доноров электронов через

специфические центры связывания, например,

высокоаффинный Мn-связывающий участок

отрицательно заряженные липиды, такие как

(кинетики 3 на рис. 3 и 4).

фосфатидилглицерол и сульфохиновозилдиаци-

Следует отметить, что помимо отрицательно

лглицерол. Эти липиды присутствуют и в мем-

заряженных аминокислотных остатков в КВК

бранных препаратах ФСII, однако их содержание

ФСII, способных связывать катионы лантанои-

невелико (четыре молекулы/РЦ) [34]. Сульфохи-

Таблица 1. Влияние катионов La³⁺ and Tb³⁺ на скорость восстановления ДХФИФ в мембранах ФСII(-Са) перед

и после экстракции Mn из КВК гидрохиноном

Скорость восстановления ДХФИФ, %

Препарат

Донор [Mn²⁺ + H₂O₂], %

Донор ДФК, %

ФСII(-Са) → + гидрохинон → + донор

100а

100б

ФСII(-Са) + 1мM La³⁺ → центрифугирование →

76.5

83.8

+ гидрохинон → + донор

ФСII(-Са) + 1 мМ La³⁺ → центрифугирование →

12.8

45.3

+ гидрохинон → +1 мМ La³⁺ → + донор

ФСII(-Са) + 1мM Tb³⁺ → центрифугирование →

41.0

83.3

+ гидрохинон → + донор

ФСII(-Са) + 1 мМ Tb³⁺ → центрифугирование →

9.9

43.2

+ гидрохинон → +1 мМ Tb³⁺ → + донор

Примечание. Экспериментальные условия приведены в подписях к рис. 3 и 4. Все данные являются средними

арифметическими значений, полученных не менее чем в двух независимых экспериментах с тремя повторностями.

Стандартное отклонение каждого находится в пределах ±9%. Активность 100% соответствует скорости фотовосстановления

ДХФИФ: а - 88 ± 7 мкмоль ДХФИФ мг Хл-1·ч-1; б - 63 ± 6 мкмоль ДХФИФ мг Хл-1·ч-1.

БИОФИЗИКА том 68

№ 4

2023

МЕХАНИЗМ ИНГИБИРОВАНИЯ

651

новозилдиацилглицерол (три молекулы/РЦ) рас-

ДХФИФ мг Хл^-1·ч^-1 (100%) (рис. 2), а в присут-

положен достаточно далеко от КВК [35], что де-

ствии La³⁺ (1 мМ) она значительно снижается - до

лает маловероятным взаимодействие между этим

липидом и КВК. Фосфатидилглицерол (одна мо-

45 мкмоль ДХФИФ мг Хл^-1·ч^-1 (45%).

лекула/РЦ), возможно, является необходимым

компонентом в процессе переноса электронов на

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

акцепторном участке Q_A → Q_B[35]. Однако иссле-

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

дования показали, что лантаноиды ингибируют

интересов.

перенос электронов не на акцепторном, а на до-

норном участке ФСII [13, 14, 17].

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Неспецифическое связывание трехвалентных

катионов может оказывать влияние на поверх-

Настоящая работа не содержит описания ка-

ностный заряд мембран ФСII, потенциально

ких-либо исследований с использованием людей

приводить к их слипанию и, как следствие, за-

и животных в качестве объектов.

труднённой диффузии реагентов в более крупные

частицы. В случае агрегации частиц ФСII должно

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

увеличиваться светорассеяние препарата, но мы

не наблюдали увеличения начальной оптической

Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, et al., Nature,

плотности препаратов ФСII в присутствии ионов

473, 55 (2011). DOI: 10.1038/nature09913

лантаноидов. Это свидетельствует о том, что вы-

M. Suga, F. Akita, K. Hirata, et al., Nature, 517, 99

раженная агрегация мембран ФСII в присутствии

(2015). DOI: 10.1038/nature13991

J. P. McEvoy and G. W. Brudvig, Chem. Rev., 106(11),

La³⁺ и Tb³⁺ отсутствует. С другой стороны, выяв-

4455 (2006). DOI: 10.1021/cr0204294

ленные нами эффекты лантаноидов нельзя объ-

яснить нейтрализацией отрицательных фиксиро-

C. J. Kim and R. J. Debus, Biochemistry, 56, 2558

ванных зарядов на поверхности частиц с последу-

(2017). DOI: 10.1021/acs.biochem.6b01278

ющей их агрегацией, поскольку в предыдущей

E. Y. Tsui, R. Tran, J. Yano, et al., Nature Chem., 5,

работе [17] мы наблюдали значительное (на два

293 (2013). DOI: 10.1038/nchem.1578

порядка величин) различие в константах ингиби-

M. Shamsipur and A. Pashabadi, Coord. Chem. Rev.,

рования лантаноидами фотохимической актив-

374, 153 (2018). DOI: 10.1016/j.ccr.2018.07.006

ности препаратов ФСII с различными нарушени-

K. Saito, M. Nakagawa, M. Mandal, et al., Photosynth.

ями в КВК.

Res., 148, 153(2021). DOI: 10.1007/s11120-021-00846-y

T. Ono and Y. Inoue, Biochim. Biophys. Acta, 1020,

269 (1990). DOI: 10.1016/0005-2728(90)90157-Y

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

T. Ono and Y. Inoue, FEBS Lett., 227, 147 (1988).

DOI: 10.1016/0014-5793(88)80886-X

Таким образом, экстракция катионов марган-

10.

T. Ono and Y. Inoue, Biochim. Biophys. Acta, 850, 380

ца из КВК мембранных препаратов ФСII(-Са), в

(1986). DOI: 10.1016/0005-2728(86)90194-5

которых Са-связывающий участок блокирован

11.

J. S. Vrettos, D. A. Stone, and G. W. Brudvig, Bio-

катионом лантаноида, демонстрирует ингибиро-

chemistry, 40, 7937 (2001). DOI: 10.1021/bi010679z

вание не только Са-связывающего участка, но и

12.

D. F. Ghanotakis, G. T. Babcock, and C. F. Yocum,

высокоаффинного Мn-связывающего участка.

FEBS Lett., 167, 127 (1984a). DOI: 10.1016/0014-

Предположительно, это может происходить сле-

5793(84)80846-7

дующим образом. При связывании катиона Ln³⁺ с

13.

D. F. Ghanotakis, G. T. Babcock, and C. F. Yocum,

Са-связывающим участком происходит вытесне-

Biochim. Biophys. Acta,

809,

173

(1985). DOI:

ние из координационной сферы высокоаффинно-

10.1016/0005-2728(85)90060-X

го участка связывания Мn4 бидентантного лиган-

14.

T. Ono, J. Inorg. Biochem., 82, 85 (2000). DOI:

да D1-Asp170 и его перехват катионом Ln³⁺. Это

10.1016/S0162-0134(00)00144-6

приводит к изменению высокоаффинного участка

15.

C. M. Waggoner and C. F. Yocum, in: Current Research

и снижению эффективности связывания им экзо-

in Photosynthesis, Ed. by M. Baltscheffsky (Springer,

генного катиона марганца. Можно предполагать,

Dordrecht, Netherlands, 1990), pp. 733-736. DOI:

что процесс модификации координационной сфе-

10.1007/978-94-009-0511-5_167

ры высокоаффинного участка происходит не до

16.

M. Epstein, J. Reuben, and A. Levitzki, Biochemistry,

экстракции катионов марганца, а после. Однако

16, 2449 (1977).

сильное влияние катиона La³⁺ на эффективность

17.

E. R. Lovyagina, A. V. Loktyushkin, and B. K. Semin,

окисления воды препаратом ФСII(-Са) противо-

J. Biol. Inorg. Chem.,

26,

(2021). DOI:

речит этому предположению: скорость восстанов-

10.1007/s00775-020-01832-w

ления ДХФИФ в препаратах ФСII(-Са) без искус-

18.

D. F. Ghanotakis and G. T. Babcock, FEBS Lett., 153,

ственного донора электронов равна 100 мкмоль

231 (1983). DOI: 10.1016/0014-5793(83)80154-9

БИОФИЗИКА том 68

№ 4

2023

652

ЛОВЯГИНА и др.

19. R. J. Porra, W. A. Tompson, and P. E. Kriedemann,

28. A. Boussac, M. Picaud, and A.-L. Etienne, Photobio-

Biochim. Biophys. Acta,

975,

384

(1989). DOI:

chem. Photobiophys., 10, 201 (1986).

10.1016/S0005-2728(89)80347-0

29. B. K. Semin, L. N. Davletshina, A. Yu. Aleksandrov,

20. D. F. Ghanotakis, G. T. Babcock, and C. F. Yocum,

et al., Biochemistry (Moscow), 69, 410 (2004). DOI:

Biochim. Biophys. Acta, 765,

388

(1984б). DOI:

10.1023/B:BIRY.0000022066.38297.8a

10.1016/0005-2728(84)90180-4

30. C. W. Hoganson, D. F. Ghanotakis, G. T. Babcock,

21. Q. Xu and T. M. Bricker, J. Biol. Chem., 267, 25816

et al., Photosynth. Res.,

22,

285

(1989). DOI:

(1992). DOI: 10.1016/S0021-9258(18)35683-7

10.1007/BF000 48306

22. J. M. Armstrong, Biochim. Biophys. Acta, 86, 194

31. A.-F. Miller and G. W. Brudvig, Biochemistry, 29, 1385

(1964). DOI: 10.1016/0304-4165(64)90180-1

(1990). doi:10.1021/bi00458a007

23. B. K. Semin, L. N. Davletshina, and A. B. Rubin, Pho-

32. B. K. Semin, L. N. Davletshina, M. Seibert, et al., J.

tosynth. Res., 125, 95 (2015). DOI: 10.1007/s11120-

Photochem. Photobiol. B: Biology, 178, 192 (2018).

015-0155-4

DOI: 10.1016/j.jphotobiol.2017.11.016

24. P. J. Nixon and B. A. Diner, Biochemistry, 31, 942

33. V. N. Kurashov, E. R. Lovyagina, D. Yu. Shkolnikov,

(1992). DOI: 10.1021/bi00118a041

et al., Biochim. Biophys. Acta, 1787, 1492 (2009).

25. K. A. Campbell, D. A. Force, P. J. Nixon, et al., J. Am.

DOI: 10.1016/j.bbabio.2009.07.002

Chem. Soc., 122, 3754 (2000). DOI: 10.1021/ja000142t

34. B. Loll, J. Kern, W. Saenger, et al., Biochim. Biophys.

26. B. K. Semin, M. L. Ghirardi, and M. Seibert, Bio-

Acta,

1767,

509

(2007). DOI:

10.1016/j.bba-

chemistry, 41, 5854 (2002). DOI: 10.1021/bi0200054

bio.2006.12.009

27. H. Inoue and T. Wada, Plant Cell Physiol., 28, 767

35. N. Mizusawa and H. Wada, Biochim. Biophys. Acta,

(1987). DOI: 10.1093/ oxfordjournals.pcp.a077357

1817, 194 (2012). DOI: 10.1016/j.bbabio.2011.04.008

Mechanism of Inhibition of the Oxygen-Evolving Complex of Photosystem II

by Lanthanide Cations

E.R. Lovyagina, A.V. Loktyushkin, N.S. Vasiliev, and B.K. Semin

Faculty of Biology, Lomonosov Moscow State University, Leninskie Gory 1/12, Moscow, 119234 Russia

The process of the interaction of La³⁺and Tb³⁺ cations with the Ca-binding site of the oxygen-evolving com-

plex of photosystem II samples depleted of calcium has been studied. The binding of cations to the Ca-bind-

ing site is irreversible and the bound cations cannot be washed out or replaced by Ca²⁺ cation. A feature of

lanthanides to bind strongly to the Ca-binding site has been used to investigate if the bound Ln³⁺ cation has

an effect on the high-affinity Mn-binding site of the oxygen-evolving complex. Therefore, in this work, hy-

droquinone was used for the extraction of manganese cations from the oxygen-evolving complex of the cal-

cium-depleted photosystem II membranes with the Ca-binding site blocked by La³⁺ or Tb³⁺ and the activity

of the high-affinity site was then examined using exogenous electron donors (Mn²⁺ + H₂O₂) and 1,5-di-

phenylcarbazide. It was found that lanthanide cation bound to the Ca-binding site can significantly inhibit

the oxidation rates of electron donors through the high-affinity Mn-binding site. The mechanism of the ob-

served effect is discussed.

Keywords: photosystem II, oxygen-evolving complex, high-affinity Mn-binding site, calcium, lanthanides

БИОФИЗИКА том 68

№ 4

2023