БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 9, с. 1301 - 1310

УДК 577.34

ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНА НА ДОНОРНОЙ СТОРОНЕ

ФОТОСИСТЕМЫ 2, ЛИШЕННОЙ ИОНОВ МАРГАНЦА*

Л.А. Витухновская^1,2, Е.В. Федоренко³, М.Д. Мамедов¹**

¹ НИИ физико химической биологии им. А.Н. Белозерского,

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,

119992 Москва, Россия; электронная почта: mahirmamedov@yandex.ru

² Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН,

119334 Москва, Россия

³ Московский физико технический институт,

141701 Долгопрудный, Московская обл., Россия

Поступила в редакцию 10.04.2019

После доработки 05.06.2019

Принята к публикации 05.06.2019

После удаления ионов марганца, ответственных за светозависимое расщепление воды, редокс активный

аминокислотный остаток тирозина Y_Z (тирозин 161 субъединицы D1) по прежнему остается основным до

нором электронов для фотоокисленного хлорофилла P₆₈₀ (P⁺⁶⁸⁰) в реакционном центре фотосистемы 2 (ФС2).

Изучено восстановление P⁺⁶⁸⁰ в результате переноса электрона от Y_Z при однократном срабатывании ядерно

го комплекса ФС2, лишенного ионов марганца (апо ФС2), в присутствии слабых кислот и NH₄Cl. С по

мощью кинетического анализа светоиндуцированных абсорбционных изменений при 830 нм (отражающих

редокс переходы P₆₈₀) и pH 6,0 было показано, что восстановление P⁺⁶⁸⁰ хорошо аппроксимируется двумя ки

нетическими компонентами с характерными временами (τ) ~7 и 31 мкс и относительными вкладами ~54 и

37% соответственно. В отличие от незначительного влияния формиата натрия (200 мМ), добавление ацета

та натрия и хлорида аммония увеличивало скорость переноса электронов между Y_Z и P⁺⁶⁸⁰ в ~5 раз. Предпо

ложение о том, что прямой перенос электрона от Y_Z к P⁺⁶⁸⁰ имеет двухфазную кинетику, которая, вероятно,

отражает наличие двух разных популяций центров ФС2, подтверждается данными, полученными с по

мощью прямого электрометрического метода на протеолипосомах с апо ФС2. Продемонстрировано, что

субмиллисекундная двухфазная кинетика дополнительной электрогенной фазы в кинетике фотоэлектри

ческого ответа, обусловленная переносом электрона между Y_Z и P⁺⁶⁸⁰, значительно ускоряется в присутствии

ацетата или аммония. Полученные результаты важны для понимания механизма взаимодействия между эк

зогенными соединениями (включая синтетические марганецсодержащие), способными осуществлять фо

торазложение молекулы воды, и окисленным тирозином Y_Z в комплексах ФС2, лишенных марганцевого

кластера.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: фотосистема 2, реакционный центр, апо ФС2, абсорбционные изменения, фотоэлек

трический ответ, ацетат, аммоний.

DOI: 10.1134/S0320972519090082

В тилакоидных мембранах цианобактерий и

комплексов ФС2 из термофильных цианобакте

хлоропластов светозависимое окисление моле

рий была определена с помощью рентгено

кулы воды и восстановление пластохинона осу

структурного анализа с атомным разрешением

ществляются реакционным центром (РЦ) фото

1,9 Å [1-3]. Каждый мономер ФС2 содержит 20

системы 2 (ФС2). Структура димерной формы

белковых субъединиц (молекулярная масса

350 кДа), 17 из которых являются мембранными

Принятые сокращения: апо ФС2 - комплексы

белками. При этом все основные функциональ

ФС2, лишенные ионов марганца; КОВ - комплекс окис

ные кофакторы локализованы в интегральных

ления воды; ФС2 - фотосистема 2; РЦ - реакционный антенных белках CP43 и CP47 и субъединицах

- тирозин

центр; Q_A -первичный хинонный акцептор; Y_Z

РЦ D1 и D2. Комплекс окисления воды (КОВ)

161 субъединицы D1; τ - характерное время; ΔΨ - транс

ФС2, состоящий из неорганического кластера

мембранная разность электрических потенциалов.

Mn₄CaO₅ и окружающего белкового матрикса,

* Первоначально английский вариант рукописи опублико

расположен на люменальной стороне тилакоид

ван на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio.

msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM19 114,

ной мембраны. Отметим, что три периферичес

29.07.2019.

кие мембранные субъединицы, также локализо

** Адресат для корреспонденции.

ванные на донорной стороне РЦ, взаимодей

1301

1302

ВИТУХНОВСКАЯ и др.

ствуют с белками D1/D2 и стабилизируют клас

нических кофакторов, вовлеченных в процесс

тер Mn₄CaO₅.

разложения молекулы воды; механизмов сборки

Энергия света, поглощаемая пигментами ан

неорганического ядра (фотоактивация КОВ);

тенного комплекса, передается на РЦ, где про

механизмов реконструкции КОВ в присутствии

исходят реакции переноса заряда с участием ре

различных синтетических соединений марган

докс кофакторов. Разделение зарядов между

ца; роли внешних белков ФС2; механизма фото

первичным донором электрона Р₆₈₀ и промежу

ингибирования РЦ ФС2; степени эффективнос

точным электронным акцептором феофитином

ти экзогенного донора и акцептора электронов

(P⁺⁶⁸⁰Phe^-) стабилизируется в результате дальней

in vitro и т.д.

шего переноса электрона к прочносвязанной

Редокс активный тирозин Y_Z обычно рас

молекуле пластохинона Q_A, за которым следует

сматривают как часть одноэлектронной «про

реокисление Q₋ вторичным лабильно связан

водки», а не как часть пентаметаллического

ным хинонным акцептором Q_B. Редокс актив

Mn₄CaO₅ кластера [4-6]. В связи с этим важно

ный тирозиновый остаток Y_Z(тирозин 161 субъ

знать природу белкового окружения Y_Z и меха

единицы D1), локализованный между КОВ и

низмы его взаимодействия с молекулами воды и

P₆₈₀, осуществляет сопряжение одноэлектрон

марганцевым кластером в ФС2. В настоящей ра

ной фотохимической реакции с четырехэлект

боте для выявления особенностей функциони

ронным каталитическим процессом окисления

рования Y_Zбыло изучено влияние различных

воды [4-6]. В препаратах ФС2 с активным КОВ

низкомолекулярных соединений, таких как аце

Y_Zпередает электрон фотоокисленному P₆₈₀во

тат натрия, хлорид аммония, формиат натрия и

временном диапазоне от десятков до несколь

азид натрия, на перенос электронов между Y_Z и

ких сотен наносекунд, образуя радикал Y^•Z. При

P⁺⁶⁸⁰ в комплексах апо ФС2 с помощью импульс

этом быстрое высвобождение протона происхо

ной оптической спектроскопии (измерение аб

дит при окислении Y_Z, который сопряжен с ос

сорбционных изменений при 830 нм) и прямого

татком H190 в субъединице D1 РЦ [5-7]. Вос

электрометрического метода (измерение свето

становление Y^•Z путем переноса электрона от

индуцированных фотоэлектрических ответов)

КОВ происходит во временном диапазоне от де

[15, 16]. Полученные данные свидетельствуют о

сятков микросекунд до нескольких миллисе

двухфазной электрогенной природе реакции пе

кунд, в зависимости от S перехода КОВ.

реноса электрона между Y_Z к P⁺⁶⁸⁰, значительно

Когда КОВ инактивирован в результате уда

ускоряющейся в присутствии ацетата натрия и

ления Mn₄CaO₅ кластера (препараты

«апо

хлорида аммония.

ФС2»), реакция переноса электрона между Y_Z и

фотоокисленным P₆₈₀ замедляется; при этом за

висимость скорости от рН, кинетические эф

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

фекты дейтерия и энергия активации сущест

венно отличаются от этих параметров в натив

Выделение ядерных комплексов ФС2 из

ных препаратах ФС2 [4, 5]. Ряд данных, полу

коммерческого шпината Spinacia oleracea прово

ченных на препаратах апо ФС2, позволяет

дили по методике, описанной в работе Haag et al.

предположить, что Y_Z находится в неупорядо

[17], путем обработки мембранных фрагментов

ченной среде, подверженной воздействию раст

додецил β D мальтозидом (соотношение детер

ворителя [5, 7]. Считается, что изменение ди

гент/хлорофилл 10 : 1) в течение 1 ч с последую

электрических свойств повышает энергию реор

щим центрифугированием в течение 16 ч при

ганизации, что, в свою очередь, уменьшает ско

4 °С и 145 000 g (Spinco L2 65B, ротор SW 28) в

рость переноса электронов на 2-3 порядка по

градиенте плотности (20-40%) сахарозы.

сравнению с интактными комплексами ФС2 [4,

Для получения препаратов ФС2, лишенных

8-10]. Кроме того, известно, что экстракция ио

ионов марганца, кальция и трех периферичес

нов марганца из КОВ ингибирует перенос

ких белков, интактные ядерные комплексы ФС2

электронов с Q_Aна Q_B, возможно, путем сдвига

(содержание хлорофилла 0,5 мг/мл) инкубиро

среднеточечного потенциала Q_A в сторону более

вали в 0,8 M Tris HCl буфере (pH 8,3) в течение

положительного значения [11-14]. Ингибиро

30 мин при 23 °С с последующим трехкратным

вание реакции на акцепторной стороне РЦ спо

промыванием буфером (50 мМ Mes, рН 6,0) [18].

собствует рекомбинации электрона с «дыркой»

Для приготовления протеолипосом суспен

в состоянии Q₋ Р⁺⁶⁸⁰.

зию азолектина (20 мг/мл, тип IVS, содержание

Следует отметить, что комплекс ФС2, ли

фосфатидилхолина 40%) растворяли в 50 мМ

шенный кластера Mn₄CaO₅, а также трех пери

Hepes NaOH буфере (pH 7,5), содержавшем

ферических белков, служит основой для пони

1,4% октил β D глюкопиранозида, и обрабаты

мания функциональной роли отдельных неорга

вали ультразвуком (22 кГц, 60 μА) в течение

БИОХИМИЯ том 84 вып. 9 2019

ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНА В КОМПЛЕКСЕ апо ФС2

1303

2 мин. Полученный прозрачный раствор липида

ΔA₈₃₀, отражающие редокс состояния P₆₈₀ [10,

смешивали с комплексами апо ФС2 при соот

21-23]. Рис. 1 демонстрирует индуцированные

ношении липид/белок 50 : 1 в течение 30 мин в

вспышкой лазера абсорбционные изменения

темноте. Гель хроматографию на колонке с се

при 830 нм адаптированных к темноте (10 мин)

фадексом G 50 использовали для удаления де

препаратов ФС2, лишенных ионов марганца, в

тергента.

отсутствие (кривая 1) и в присутствии (кривая 2)

Светоиндуцированные абсорбционные из

1 мМ феррицианида калия при pH 6,0.

менения при 830 нм регистрировали с использо

Важно отметить, что в серии 11-15 лазерных

ванием однолучевого дифференциального

вспышек амплитуда и кинетика фотоиндуциро

спектрофотометра, сконструированного в отде

ванного оптического сигнала при 830 нм сохра

ле биоэнергетики НИИ ФХБ им. А.Н. Белозерс

няются практически неизменными. Это позво

кого МГУ. В качестве источника измерительно

ляет сделать заключение о том, что исходное

го света использовали лазерный диод, излучаю

состояние реакционного центра Y_ZР₆₈₀Q_A пол

щий свет с длиной волны 830 нм, в качестве ис

ностью регенерируется в течение темнового ин

точника действующего света - лазер Nd YAG

тервала между вспышками (5 с). Такой вывод

(«Quantel», Франция; длина волны 532 нм, дли

находится в соответствии с данными литерату

тельность импульса

12 нс, интенсивность

ры, указывающими на время рекомбинации па

вспышки 50 мДж).

ры Y^•ZQ₋ (от нескольких десятков до нескольких

Генерацию трансмембранной разности

сотен миллисекунд) [7, 23, 24]. Как видно на

электрических потенциалов (ΔΨ) измеряли с

рис. 1 (кривая 2), в присутствии 1 мМ феррици

помощью прямого электрометрического мето

анида калия амплитуда фотоиндуцированного

да, как описано в работе Drachev et al. [16]. Об

сигнала ΔА₈₃₀ увеличивалась на 35%. Этот эф

разование ΔΨ между разделенными коллодие

фект, скорее всего, объясняется тем, что в ис

вой фосфолипидной мембраной отсеками ячей

ходном препарате апо ФС2 первичный акцеп

ки регистрировали с помощью пары защищен

тор Q_A восстановлен в части РЦ, и, соответ

ных от света хлор серебряных (Ag/AgCl) элект

ственно, первичная фотоиндуцированная пара

родов, расположенных по разные стороны от

Р⁺⁶⁸⁰Q₋ не образуется.

мембраны. В качестве источника света исполь

Исследование кинетики релаксации сигна

зовали лазер Nd YAG («Quantel», Франция).

ла, которая отражает восстановление P⁺⁶⁸⁰, про

Кинетический анализ сигналов проводили

при помощи программы Pluk [19] и Origin

Program Package

(«OriginLab Corporation»,

2 × 10-3

США).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

10-3

В ядерных комплексах ФС2, лишенных ио

нов марганца, восстановление фотоокисленно

го Р₆₈₀может происходить разными путями:

1) путем прямого переноса электрона от редокс

активного тирозина Y_Z; 2) в результате рекомби

нации зарядов между Р⁺⁶⁸⁰ и первичным хинон

ным акцептором Q₋; 3) путем переноса электро

на от цитохрома b₅₅₉ или тирозина Y_D [10, 20].

В этих препаратах, как отмечено выше, Y_Z явля

0,1

0,2

ется основным донором электронов для P⁺⁶⁸⁰, но

теперь Y_Z восстанавливается в результате реком

бинации зарядов Y^•ZQ₋, а не электроном от мар

Рис. 1. Изменения поглощения при 830 нм, индуцирован

ные ненасыщенными лазерными вспышками в комплексах

ганцевого кластера. В апо комплексах ФС2 ци

апо ФС2, которые указывают на окисление (нарастание) и

тохром b₅₅₉ и/или тирозин Y_D находится в окис

восстановление (спад) P₆₈₀ в отсутствие (1) и в присутствии

ленной форме, поэтому третий путь восстанов

1 мМ феррицианида калия (2). Концентрация хлорофил

ления Р⁺⁶⁸⁰ не реализуется [20].

ла - 20 мкг/мл, временной интервал между единичными

вспышками лазера - 5 с. Каждая кривая была получена пу

Образование стабильной радикальной пары

тем усреднения 11-15 кривых. Среда инкубации: 50 мМ

(P⁺⁶⁸⁰Q₋) и кинетику переноса электрона от Y_Z к

Mes (рН 6,0), 15 мМ NaCl, 0,35 М сахарозы, 0,025% ный

P⁺⁶⁸⁰ можно регистрировать, измеряя светоиндуци

додецилмальтозид. Стрелки здесь и далее указывают на мо

рованные абсорбционные изменения при 830 нм,

мент времени, в который происходила вспышка лазера

БИОХИМИЯ том 84 вып. 9 2019

1304

ВИТУХНОВСКАЯ и др.

Влияние ацетата натрия и хлорида аммония на кинетику рекомбинации сигнала ΔA₈₃₀

СH₃COONa

NH₄Cl

Концентрация, мМ

время, мкс

амплитуда, %

время, мкс

амплитуда, %

100

200

1,4

250

1,3

Примечание. Данные представлены для контрольных образцов (без добавок) с двумя кинетическими компонентами, ха

рактеризующимися характерными временами τ₁ ~ 7 и τ₂ ~ 31 мкc и относительными вкладами ~54 и 37% соответственно.

Время (мкс) отражает скорости восстановления фотоокисленного Р₆₈₀ от тирозина Y_Z, а амплитуды отдельных кинетичес

ких фаз (%) - относительные вклады фаз в кинетику спада оптического сигнала.

демонстрировало наличие двух экспоненциаль

увеличению скорости переноса электронов с Y_Z

ных компонент с характерными временами (τ)

на P⁺⁶⁸⁰ (таблица). Следует отметить, что исполь

~7 и 31 мкс и амплитудами ~54 и 37% соответ

зование большой концентрации NH₄Cl может

ственно (рис. 1, кривая 2; таблица). Эти компо

приводить к развитию побочных эффектов,

ненты отражают прямой перенос электрона от

вызванных анионами Cl^-, которые появляются в

тирозина Y_Z к P⁺⁶⁸⁰ [5, 10, 24] и позволяют пред

результате диссоциации этого соединения. Та

положить наличие двух различных популяций

кие эффекты были изучены ранее в случае

центров ФС2, вероятно, отличающихся друг от

мембранных фрагментов ФС2 с функциональ

друга характером взаимодействия между Y_Z и

но активным КОВ [25, 26]. В случае препаратов

H190 (см. обсуждение ниже).

ФС2, лишенных КОВ и трех периферических

На рис. 2 представлены результаты изучения

белков (образцы, обработанные Tris HCl), до

влияния слабых кислот и NH₄Cl на кинетику

бавление NaCl в концентрации до 400 мМ в сре

переноса электрона между Y_Z и P⁺⁶⁸⁰ в образцах

ду инкубации не влияло на кинетику спада оп

апо ФС2 в растворе (в присутствии 0,03% детер

тического сигнала (данные не приведены). По

гента). На рис. 2, а показано влияние ацетата

лученные результаты свидетельствуют о том, что

натрия на светоиндуцированные абсорбцион

наблюдаемое ускорение кинетики оптического

ные изменения при 830 нм, которые отражают

сигнала в присутствии NH₄Cl обусловлено вли

окисление (нарастание) и восстановление

янием аммония (см. далее). Отметим, что при

(спад) P₆₈₀. Кинетический анализ спада сигнала

одинаковых скоростях восстановления фото

ΔA₈₃₀показал наличие экспоненциальных ком

окисленного Р₆₈₀ от тирозина Y_Z относительный

понент с τ₁ ~ 5 мкс и τ₂ ~ 16 мкс при добавлении

вклад фаз в кинетику спада оптического сигнала

50 мМ ацетата натрия (кривая 2) и τ₁ ~ 1 мкс и

различен в присутствии ацетата натрия и хлори

τ₂ ~ 7 мкс при добавлении 200 мМ ацетата нат

да натрия (таблица). Однако в настоящее время

рия (кривая 3). Таким образом, перенос элек

однозначное объяснение этого различия отсут

трона от тирозина Y_Z к P⁺⁶⁸⁰ ускоряется при увели

ствует.

чении концентрации ацетата натрия (таблица).

Влияние другой слабой кислоты, формиата,

Влияние NH₄Cl на реакцию переноса электро

на кинетику сигнала ΔA₈₃₀, отражающее восста

на на донорной стороне комплексов апо ФС2 по

новление фотоокисленного Р₆₈₀ в результате пе

казано на рис. 2, б. Видно, что добавление 50 мМ

реноса электрона от тирозина Y_Z, показано на

NH₄Cl (кривая 2) ускоряло спад сигнала ΔA₈₃₀,

рис. 2, в. Добавление формиата натрия до кон

который характеризуется временами τ₁ ~ 4 мкс и

центрации 200 мМ никак не влияло на кинетику

τ₂ ~ 17 мкс (таблица). Как и в случае с ацетатом

спада (кривая 1), в то время как при концентра

натрия, дальнейшее увеличение концентрации

ции 250 мМ наблюдалось ее ускорение, но в

NH₄Cl (кривая 3) в среде инкубации привело к

меньшей степени (кривая 2).

БИОХИМИЯ том 84 вып. 9 2019

ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНА В КОМПЛЕКСЕ апо ФС2

1305

Добавление азида натрия до концентрации

мощью электрометрии. В препаратах апо ФС2

50 мМ не влияло на амплитуду и кинетику спада

вспышка света приводит к образованию ΔΨ,

сигнала ΔA₈₃₀ (рис. 2, г, кривая 1), в то время как

обусловленной разделением зарядов РЦ между

при большей концентрации (100 мМ) наблюда

Р₆₈₀ и Q_A, за которым следует перенос электрона

лось значительное падение амплитуды сигнала

от редокс активного тирозина Y_Z к P⁺⁶⁸⁰. Наблю

без изменения кинетики спада (рис. 2, г, кри

даемый спад фотоэлектрического ответа обус

вая 2). Вероятно, в этих условиях может не про

ловлен рекомбинацией зарядов между Q₋ и Y^•Z

исходить полного восстановления P⁺⁶⁸⁰ в интер

(рис. 3, а). Помимо быстрой фазы генерации

вале между вспышками.

ΔΨ, обусловленной разделением зарядов между

Влияние вышеперечисленных экзогенных

P₆₈₀ и Q_A,в кинетике генерации ΔΨ наблюдается

соединений на прямой перенос электрона меж

дополнительная миллисекундная электроген

ду тирозином Y_Z и фотоокисленным P₆₈₀было

ная фаза (~17% от общей амплитуды), обуслов

также изучено с помощью прямого электромет

ленная электрогенным восстановлением P⁺⁶⁸⁰ от

рического метода. На рис. 3, а показаны фото

тирозина Y_Z (рис. 3, б, кривая 1). Кинетический

электрические сигналы комплексов апо ФС2,

анализ этой дополнительной электрогенной фа

реконструированных в фосфолипидную липо

зы выявил компоненты с τ₁ ~ 1 и τ₂ ~ 14 мкс с

сомальную мембрану, в ответ на единичные ла

равными вкладами. При этом разница в скорос

зерные вспышки. Светозависимый перенос за

ти реакции переноса электрона от Y_Zк P⁺⁶⁸⁰ меж

рядов в РЦ сопровождается образованием

ду комплексом апо ФС2, встроенным в липосо

трансмембранной разности электрических по

мальную мембрану (электрометрические дан

тенциалов. Отрицательный знак ΔΨ указывает

ные), и апо ФС2 в растворе с детергентом (оп

на то, что донорная сторона РЦ ФС2 располо

тические данные), вероятно, связана с действи

жена на внешней поверхности протеолипосо

ем липидов в протеолипосомах, которые способ

мальной мембраны [18, 27, 28]. Именно такая

ствуют оптимальной конформации для эффек

асимметричная ориентация (> 90%) апо ФС2 в

тивного функционирования РЦ ФС2 [28, 29].

липосомах позволяет изучить механизм взаимо

Здесь же хотелось отметить, что с помощью пря

действия между Y_Z и экзогенными соединения

мого электрометрического метода можно выя

ми при однократном срабатывании РЦ с по

вить не только кинетики отдельных электроген

Рис. 2. Изменения поглощения при 830 нм, индуцированные ненасыщенными лазерными вспышками в комплексах апо

ФС2: а - в отсутствие (1) и в присутствии 50 мМ (2) и 200 мМ (3) ацетата натрия; б - в отсутствие (1) и в присутствии

50 мМ (2) и 250 мМ (3) NH₄Cl; в - в присутствии 200 мМ (1) и 250 мМ (2) формиата натрия; г - в присутствии 50 мМ (1)

и 100 мМ (2) азида натрия. Условия - как на рис. 1

7 БИОХИМИЯ том 84 вып. 9 2019

1306

ВИТУХНОВСКАЯ и др.

−1,0

-1,2

0,01

0,02

0,03

Время, мс

Рис. 3. а - Фотоэлектрический ответ, индуцированный вспышкой лазера, в протеолипосомах, содержащих апо КОВ;

б - фотоэлектрические ответы в отсутствие (1) и в присутствии 250 мМ NH₄Cl (2). Врезка показывает увеличенный на

чальный участок кривой 2 для выявления быстрой фазы. Условия - как на рис. 1

ных реакций в РЦ ФС2, но также и расстояния

ФС2 [4, 10, 18]. Считается, что в таких препара

между редокс центрами [24, 28].

тах Y_Z расположен в гидрофильном окружении

Добавление 250 мМ NH₄Cl (рис. 3, б, кривая 2)

и контактирует с водной фазой. При этом неко

к инкубационной среде привело к изменению

торые вещества (марганец, аскорбат, 1,5 дифе

кинетики дополнительной субмиллисекундной

нилкарбазид, бензидин, гидроксиламин, гидра

фазы нарастания ΔΨ, что может быть связано со

зин), а также ряд редокс медиаторов

значительным ускорением скорости переноса

(N,N,N'N' тетраметил п фенилендиамин,

электрона между Y_Z и P⁺⁶⁸⁰ в протеолипосомах с

2,3,5,6 тетраметил п фенилендиамин, 2,6 ди

апо ФС2. Аналогичный эффект наблюдался в

хлорфенилиндофенол, феназинметосульфат)

присутствии 200 мМ ацетата натрия (данные не

обладают способностью выступать в роли доно

приведены). Если представить, что кинетика пе

ров электронов для окисленного Y_Z в отсутствие

реноса электрона, как в случае апо ФС2 в раст

марганцевого кластера [28].

воре в присутствии ацетата или аммония, уско

Что касается соединений, используемых в

ряется в 5 раз, то в аналогичных условиях в про

представленной работе, следует отметить следу

теолипосомах кинетические компоненты с ха

ющее: ацетат (CH₃COO^-) в белковой глобуле

рактерными временами 1 и 14 мкс могут оказать

ФС2 связывается с негемовым железом на ак

ся намного короче, ~0,2 и 3 мкс. Кинетическим

цепторной стороне, а также на донорной сторо

анализом удается выявить только медленную

не между Mn кластером и Y_Z [26, 31]. В этих ус

(3 мкс) компоненту (см. врезку). Следует отме

ловиях наблюдается замедление реакций пере

тить, что временное разрешение прямого элект

носа электрона между Q_A и Q_B и восстановление

рометрического метода составляет ~0,20-0,25 мкс.

Y^•Z (особенно переход S₂Y^•Z → S₃Y_Z). Замедление

Таким образом, данные, полученные с по

реакции на акцепторной стороне РЦ, вероятно,

мощью прямого электрометрического метода,

обусловлено нарушением путей протонирова

подтверждают наличие двух кинетических ком

ния дважды восстановленной формы Q_B (Q_2-).

понент реакции Y_Z → P⁺⁶⁸⁰, наблюдаемых в мик

Методом измерения модуляции сигнала элект

росекундном диапазоне с помощью импульсной

ронного спинового эха в образцах апо ФС2 не

абсорбционной спектрометрии по сигналу

было выявлено связи между Y^•Z и ацетатом [32],

ΔA₈₃₀.

однако это не исключает влияния ацетата на

Несколько слов о структурных особеннос

близлежащее окружение Y_Z-H190.

тях: удаление кластера Mn₄CaO₅ не приводит к

Двойной электрон электронный резонанс,

заметному движению субъединиц CP43, CP47,

детектируемый методом ЯМР, показал, что при

D1, D2 или доменов ни в донорной области, ни

рН 7,5 в NH₄Cl обработанных ядерных комплек

в области α спиралей, пронизывающих мембра

сах ФС2 из цианобактерий NH₃ связывается в ка

ну, ни с акцепторной стороны ФС2 [30]. Не

честве терминального лиганда с Mn₄в КОВ [33,

большие структурные изменения в препаратах

34]. Следует отметить, что NH₄Cl при нейтраль

апо ФС2 наблюдаются только на участке белка

ных и кислых значениях рН находится в основ

вблизи кластера Mn₄CaO₅. С другой стороны,

ном в форме NH₄₊, в то время как в относитель

также известно, что свойства Y_Z в комплексах

но гидрофобной части белка апо ФС2 (в част

ФС2, лишенных марганцевого кластера, могут

ности, вблизи тирозина Y_Z) присутствуют нейт

радикально отличаться от таковых в интактной

ральные молекулы NH₃[35, 36]. Что касается

БИОХИМИЯ том 84 вып. 9 2019

ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНА В КОМПЛЕКСЕ апо ФС2

1307

концентрации NH₃ в используемой нами среде,

связи между Y_Z и H190 составляет 2,8 Å. Кроме

то, исходя из расчета степени протолиза реакции

того, было показано [39, 40], что в образцах апо

NH₊ + H₂O → NH₃ + H₃O⁺, она составляет

ФС2 кольцо Y_Z становится более подвижным в

~25 мкМ (концентрация РЦ в случае оптических

связи с появлением доступности молекул воды

измерений в растворе составляет ~0,4 мкМ, а в

вокруг тирозина. Поскольку Y_Z протонируется в

случае протеолипосом ~0,04 мкМ). Кроме того,

восстановленном состоянии и депротонируется

рК для NH₄Cl (рК_α 9,24) в среде измерения может

в окисленном состоянии (Y^•Z), окисление этого

быть сдвинута в кислую сторону, и, соответствен

тирозина включает перенос как электрона, так и

но, концентрация NH₃ может быть еще больше.

протона. Скорость окисления Y_Z увеличивается

Известно, что при добавлении еще одной не

с ростом pH, и предполагается, что H190 при

большой карбоновой кислоты - формиата, как

низких значениях рН протонирован и должен

и в случае ацетата, происходит замедление реак

быть депротонирован прежде, чем сможет при

ции переноса электрона между Q_A и Q_B и восста

нять протон от Y_Z[7]. Hays et al. [7, 41] предпола

новление Y^•Z [31]. В отличие от CH₃COO^- и NH₃,

гают, что окисление Y_Z при низких значениях

данные, полученные на Mn лишенных мемб

pH может быть объяснено тем, что Y^•Z имеет не

ранных фрагментах ФС2 и ядерных комплексах

сколько H связывающих партнеров.

ФС2 с использованием ¹³C формиата, и сравне

Таким образом, в препаратах ФС2, лишен

ние спектров Y^•D/Y_D с помощью ИК Фурье

ных ионов марганца, СH₃COO^- и NH₃ способны

спектроскопии позволили предположить, что

ускорять восстановление P₆₈₀, возможно, при

формиат, возможно, связывается вблизи Arg294

нимая протон при окислении Y_Z [7, 41]. Ранее

в субъединице D2 и существенно влияет на

было показано [7], что небольшие органические

свойства Y_D [37]. Однако влияние формиата, хо

основания, такие как имидазол или этанол

тя и в меньшей степени по сравнению с ацета

амин, сдвигающие значение pK для Y_Z в комп

том или аммонием, на кинетику спада сигнала

лексах ФС2 из мутанта D1 H190 цианобактерии

ΔА₈₃₀ при концентрации 250 мМ может свиде

Synechocystis sp. PCC 6803, способны принимать

тельствовать в пользу его участия в процессе

фенольный протон, тем самым эти соединения

депротонирования на участке Y_Z-H190.

стимулируют быстрое восстановление P⁺⁶⁸⁰. Ус

Отсутствие влияния азида (N_–/HN₃) на ки

корение восстановления P⁺⁶⁸⁰ замещенными

нетику переноса электрона на донорной сторо

имидазолами, гистидином, Tris HCl и 1,4 диа

не апо ФС2 не может быть однозначно объясне

забицикло[2.2.2]октаном также наблюдалось в

но. Можно предполагать, что радикал N_3-, кото

апо ФС2 частицах из цианобактерии дикого

рый является ингибитором реакции переноса

типа [41].

электрона между Y_Z и Q_A в ФС2, обработанной

Двухфазная природа дополнительной элект

Tris HCl, не формируется в условиях одиночно

рогенной фазы (τ₁ ~ 1 мкс и τ₂ ~ 14 мкс при

го оборота фермента [38].

pH 6,0) в кинетике фотоэлектрического ответа

Следует отметить, что несмотря на близкие

(~17% от общей электрогенной фазы) (рис. 3, б,

значения рК для ацетата натрия (4,75), азида

кривая 1) позволяет предположить, что сущест

натрия (4,6) и формиата натрия (3,75), влияние

вуют две популяции РЦ, отличающиеся друг от

этих соединений на кинетику реакции переноса

друга характером взаимодействия между Y_Z и

электрона на донорной стороне РЦ, а именно

H190. В препаратах ФС2, лишенных марганце

между Y_Z и фотоокисленным P₆₈₀, является раз

вого кластера, тирозин Y_Z находится в более

личным, в то время как действие ацетата натрия

гидрофильном окружении, и вокруг Y^•Z может

(рК 4,75) и хлорида аммония (рК_α 9,24) - схо

образовываться сеть дополнительных водород

жим. Вероятно, существенную роль играют

ных связей, в отличие от Y_D[39, 42-44]. Отме

структурные особенности каждого из этих сое

тим, что прямая электрометрия - чувствитель

динений.

ный метод, который позволяет регистрировать

Как было указано выше, перенос электрона

кинетику внутрибелкового переноса заряда на

от редокс активного остатка тирозина Y_Z к фо

расстояние > 0,5 Å в направлении, перпендику

тоокисленному P₆₈₀ сильно замедляется при уда

лярном плоскости мембраны, и определять от

лении ионов марганца из комплекса ФС2. Од

носительный вклад отдельных электрогенных

ним из возможных объяснений является разрыв

реакций (диэлектрически взвешенные расстоя

водородной связи между тирозином Y_Z и амино

ния между кофакторами) в суммарную ΔΨ [16,

кислотным остатком H190. Сильная водородная

24, 27]. Поэтому следует отметить, что обе эти

связь длиной 2,4 Å [3] существует между Y_Z и

компоненты (τ₁и τ₂) с равным вкладом в допол

H190 в субъединице D1 в препаратах ФС2 с ак

нительную электрогенную фазу обусловлены

тивным комплексом окисления воды, в то время

векторным электрогенным переносом электро

как для препаратов апо ФС2 длина водородной

на между Y_Z и Р⁺⁶⁸⁰. Ранее Hays et al. [7] предполо

БИОХИМИЯ том 84 вып. 9 2019

1308

ВИТУХНОВСКАЯ и др.

жили, что более медленные субмиллисекундные

зогенными соединениями (включая синтети

фазы восстановления Р⁺⁶⁸⁰ отражают депротони

ческие марганец содержащие), способными

рование D1 H190 в РЦ.

осуществлять фоторазложение воды, и окислен

Стимуляция скорости переноса электрона

ным тирозином Y_Z в комплексах ФС2, лишен

между Y_Z и P⁺⁶⁸⁰ в образцах ФС2 с неактивным

ных марганцевого кластера.

КОВ ацетатом (СH₃COO^-) и NH₃ (настоящая

работа), а также в присутствии органических ос

нований, таких как имидазол, гистидин или эта

Финансирование. Работа выполнена при под

ноламин [7, 41], в зависимости от концентрации

держке Российского научного фонда (проект 17

свидетельствует в пользу связывания этих моле

14 01323) и Российского фонда фундаменталь

кул вблизи домена Y_Z-H190 в белковой глобуле.

ных исследований (АААА А19 119012990175 9)

Очевидно, что все эти соединения, которые от

в рамках госзадания «Химико физические меха

личаются друг от друга по размеру молекул и хи

низмы взаимодействия интенсивного лазерного

мической структуре, способны взаимодейство

излучения с биологическими системами».

вать с Y_Z или H190 в качестве протонного «ак

Благодарности. Авторы работы выражают

цептора».

благодарность за обсуждение результатов и цен

ные комментарии А.Ю. Семенову.

Таким образом, двухфазная кинетика реак

Конфликт интересов. Авторы заявляют об

ции восстановления P⁺⁶⁸⁰ на донорной стороне

отсутствии конфликта интересов.

реакционного центра была впервые выявлена с

Соблюдение этических норм. Настоящая

помощью оптической спектроскопии и элект

статья не содержит описания каких либо иссле

рометрии. Полученные данные важны для по

дований с участием людей и использованием

нимания механизма взаимодействия между эк животных в качестве объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Ferreira, K.N., Iverson, T.M., K. Maghlaoui., Barber, J.,

plasts, Biochim. Biophys. Acta, 590, 353-359, doi: 10.1016/

and Iwata, S. (2004) Architecture of the photosynthetic

0005 2728(80)90206 6.

oxygen evolving center, Science,

303,

1831-1838,

10. Buser, C.A., Thompson, L.K., Diner, B.A., and Brudvig, G.W.

doi: 10.1126/science.1093087.

(1990) Electron transfer reactions in manganese depleted

Guskov, A., Kern, J., Gabdulkhakov, A., Broser, M.,

photosystem II, Biochemistry, 29, 8977-8985, doi: 10.1021/

Zouni, A., and Saenger, W. (2009) Cyanobacterial photo

bi00490a014.

system II at 2.9 Å resolution and the role of quinones,

11. Krieger, A., Rutherford, A.W., and Johnson, G.N. (1995)

lipids, channels and chloride, Nat. Struct. Mol. Biol., 16,

On the determination of redox midpoint potential of the

334-342, doi: 10.1038/nsmb.1559.

primary quinone electron acceptor, Q_A, in photosystem II,

Umena, Y., Kawakami, K., Shen, J. R., and Kamiya, N.

Biochim. Biophys. Acta, 1229, 193-201, doi: 10.1016/

(2011) Crystal structure of oxygen evolving photosystem II

0005 2728(95)00002 Z.

at a resolution of

1.9 Å, Nature,

473,

55-60,

12. Shibamoto, T., Kato, Y., Sugiura, M., and Watanabe, T.

doi: 10.1038/nature09913.

(2009) Redox potential of the primary plastoquinone elec

Tommos, C., and Babcock, G.T. (2000) Proton and hydro

tron acceptor Q_A in photosystem II from Thermosynecho

gen currents in photosynthetic water oxidation, Biochim.

coccus elongatus determined by spectroelectrochemistry,

Biophys. Acta, 1458, 199-219, doi: 10.1016/S0005

Biochemistry, 48, 10682-10684, doi: 10.1021/bi901691j.

2728(00)00069 4.

13. Ido, K., Gross, G.M., Guerrero, F., Sedoud, A., Lai, T.L.,

Renger, G. (2004) Coupling of electron and proton trans

Ifuku, K., Rutherford, A.W., and Krieger Liszkay, A.

fer in oxidative water cleavage in photosynthesis, Biochim.

(2011) High and low potential forms of the Q_A quinone

Biophys. Acta, 1655, 195-204, doi: 10.1016/j.bbabio.2003.

electron acceptor in photosystem II of Thermosynechococ

07.007Get.

cus elongatus and spinach, J. Photochem. Photobiol. B, 104,

Styring, S., Sjoholm, J., and Mamedov, F. (2012) Two

154-157, doi: 10.1016/j.jphotobiol.2011.02.010.

tyrosines that changed the world: Interfacing the oxidizing

14. Allakhverdiev, S.I., Tsuchiya, T., Watabe, K., Kojima, A.,

power of photochemistry to water splitting in photosys

Los, D.A., Tomo, T., Klimov, V.V., and Mimuro, M. (2011)

tem II, Biochim. Biophys. Acta, 1817, 76-87, doi: 10.1016/

Redox potentials of primary electron acceptor quinone

j.bbabio.2011.03.016.

molecule (Q_A)^- and conserved energetics of photosystem II

Hays, A.M., Vassiliev, I.R., Golbeck, J.H., and Debus, R.J.

in cyanobacteria with chlorophyll a and chlorophyll d,

(1999) Role of D1 His190 in the proton coupled oxidation

Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108, 8054-8058, doi: 10.1073/

of tyrosine Y_Z in manganese depleted photosystem II,

pnas.1100173108.

Biochemistry, 38, 11851-11865, doi: 10.1021/bi990716a.

15. Drachev, L.A., Jasaitis, A.A., Kaulen, A.D., Kondrashin, A.A.,

Babcock, G.T., and Sayer, K. (1975) A rapid, light induced

Liberman, E.A., Nemecek, I.B., Ostroumov, S.A.,

transient in electron paramagnetic resonance signal II acti

Semenov, A.Y., and Skulachev, V.P. (1974) Direct measure

vated upon inhibition of photosynthetic oxygen evolution,

ment of electric current generation by cytochrome oxidase,

Biochim. Biophys. Acta, 376, 315-328, doi: 10.1016/0005

H⁺ ATPase and bacteriorhodopsin, Nature, 249, 321-324,

2728(75)90024 9.

doi: 10.1038/249321a0.

Conjeaud, H., and Mathis, P. (1980) The effects of pH on

16. Drachev, L.A., Kaulen, A.D., Semenov, A.Yu., Severina, I.I.,

the reductions kinetics of P 680 in Tris treated chloro

and Skulachev, V.P. (1979) Lipid impegnated filters as a

БИОХИМИЯ том 84 вып. 9 2019

ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНА В КОМПЛЕКСЕ апо ФС2

1309

tool for studying the electric current generating proteins,

31.

Shevela, D., Klimov, V., and Messinger, J.

(2007)

Anal. Biochem.,

96,

250-262, doi:

10.1016/0003

Interactions of photosystem II with bicarbonate, formate

2697(79)90580 3.

and acetate, Photosynth. Res., 94, 247-264, doi: 10.1007/

17.

Haag, E., Irrgang, K. D., Boekema, E.J., and Renger, G.

s11120 007 9200 2.

(1990) Functional and structural analysis of photosystem II

32.

Clemens, K.L., Force, D.A., and Britt, R.D.

(2002)

core complexes from Haag spinach with high oxygen evo

Acetate binding at the photosystem II oxygen evolving

lution capacity, Eur. J. Biochem., 189, 47-53, doi: 10.1111/

complex: an S2 state multiline signal ESEEM study, J. Am.

j.1432 1033.1990.tb15458.x.

Chem. Soc., 124, 10921-10933, doi: 10.1021/ja012036c.

18.

Gopta, O.A., Tyunyatkina, A.A., Kurashov, V.N.,

33.

Hou, L. H., Wu, C. M., Huang, H. H., and Chu, H. A.

Semenov, A.Y., and Mamedov, M.D. (2008) Effect of redox

(2011) Effects of ammonia on the structure of the oxygen

mediators on the flash induced membrane potential gener

evolving complex in photosystem II as revealed by light

ation in Mn depleted photosystem II core particles, Eur.

induced FTIR difference spectroscopy, Biochemistry, 50,

Biophys. J., 37, 1045-1050, doi: 10.1007/s00249 007

9248-9254, doi: 10.1021/bi200943q.

0231 6.

34.

Marchiori, D.A., Oyala, P.H., Debus, R.J., Stich, T.A.,

19.

Kalaidzidis, Ya.L., Gavrilov, A.V., Zaitsev, P.V.,

and Britt, R.D. (2018) Structural effects of ammonia bind

Kalaidzidis, A.L., and Korolev, E.V. (1997) PLUK - an

ing to the Mn₄CaO₅cluster of photosystem II, J. Phys.

environment for software development, Program. Comput.

Chem. B, 122, 1588-1599, doi: 10.1021/acs.jpcb.7b11101.

Software, 23, 206-212.

35.

Gerhard, V. (1980) The effect on ammonium chloride on

20.

Kaminskaya, O., Kurreck, J., Irrgang, K.D., Renger, G.,

the kinetics of the back reaction of photosystem II in

and Shuvalov, V.A. (1999) Redox and spectral properties of

Chlorella fusca and in chloroplasts in the Presence of

cytochrome b559 in different preparations of photosys

3 (3,4 dichlorophenyl) 1,1 dimethylurea, Z. Naturforsch.,

tem II, Biochemistry, 38, 16223-16235, doi: 10.1007/

35, 451-460, doi: 10.1515/znc 1980 5 616.

s00249 015 1082 1.

36.

Kleiner, D. (1981) The transport of NH₃and NH₄₊ across

21.

Van Best, J.A., and Mathis, P. (1978) Apparatus for the

biological membranes, Biochim. Biophys. Acta, 639,

measurement of small absorption change kinetics at

41-52, doi: 10.1016/0304 4173(81)90004 5.

820 nm in the nanosecond range after a ruby laser flash,

37.

Hienerwadel, R., Gourion Arsiquaud, S., Ballottari, M.,

Rev. Sci. Instrum., 49, 1332, doi: 10.1063/1.1135579.

Bassi, R., Diner, B.A., and Berthomieu, C. (2005) Formate

22.

Renger, G., Volker, M., and Weiss, W. (1984) Studies on the

binding near the redox active tyrosine D in photosystem II:

nature of the water oxidizing enzyme. I. The effect of

consequences on the properties of tyrD, Photosynth. Res.,

trypsin on the system II reaction pattern in inside out thy

84, 139-144, doi: 10.1007/s11120 005 0637 x.

lakoids, Biochim. Biophys. Acta, 766, 582-591, doi: 10.1016/

38.

Kawamoto, K., Mano, J., and Asada, K.

(1995)

0005 2728(84)90118 X.

Photoproduction of the azidyl radical from the azide anion

23.

Gadjieva, R., Eckert, H. J., and Renger, G.

(2000)

on the oxidizing side of photosystem II and suppression of

Photoinhibition as a function of the ambient redox poten

photooxidation of tyrosine Z by the azidyl radical, Plant

tial in Tris washed PS II membrane fragments, Photosynth.

Cell Physiol., 36, 1121-1129, doi: 10.1093/oxfordjournals.

Res., 63, 237-248, doi: 10.1023/A:1006427408083.

pcp.a078856.

24.

Semenov, A., Cherepanov, D., and Mamedov, M. (2008)

39.

Force, D.A., Randall, D.W., Britt, R.D., Tang, X.S., and

Electrogenic reactions and dielectric properties of photo

Diner, B.A. (1995) 2H ESE ENDOR study of hydrogen

system II, Photosynth Res., 98, 121-130, doi: 10.1007/

bonding to the tyrosine radicals Y^•D and Y^•Z of photo

s11120 008 9377 z.

system II, J. Am. Chem. Soc.,

117,

10547-10554,

25.

Tsuno, M., Suzuki, H., Kondo, T., Mino, H., and

doi: 10.1021/ja00155a032.

Noguchi, T. (2011) Interaction and inhibitory effect of

40.

Tommos, C., Tang, X.S., Warncke, K., Hoganson, C.W.,

ammonium cation in the oxygen evolving center of photo

Styring, S., McCracken, J., Diner, B.A., and Babcock, G.T.

sytem II, Biochemistry, 50, 2506-2514, doi: 10.1021/

(1995) Spin density distribution, conformation, and hydro

bi101952g.

gen bonding of the redox active tyrosine Y_Z in photosystem II

26.

Lovyagina, E.R., and Semin, B.K. (2016) Mechanism of

from multiple electron magnetic resonance spectroscopies:

inhibition and decoupling of oxygen evolution from elec

Implications for photosynthetic oxygen evolution, J. Am.

tron transfer in photosystem II by fluoride, ammonia and

Chem. Soc., 117, 10325-10335, doi: 10.1021/ja00146a017.

acetate, J. Photochem. Photobiol. B, 158, 145-153,

41.

Hays, A.M., Vassiliev, I.R., Golbeck, J.H., and Debus, R.J.

doi: 10.1016/j.jphotobiol.2016.02.031.

(1998) Role of D1 His190 in proton coupled electron

27.

Haumann, M., Mulkidjanian, A., and Junge, W. (1997)

transfer reactions in photosystem II: a chemical comple

Electrogenicity of electron and proton transfer at the oxi

mentation study, Biochemistry,

37,

11352-11365,

dizing side of photosystem II, Biochemistry,

36,

doi: 10.1021/bi980510u.

9304-9315, doi: 10.1021/bi963114p.

42.

Berthomieu, C., Hienerwadel, R., Boussac, A., Breton, J.,

28.

Mamedov, M.D., Kurashov, V.N., Cherepanov, D.A., and

and Diner, B. (1998) Hydrogen bonding of redox active

Semenov, A.Yu. (2010) Photosystem II: where does the

tyrosine Z of photosystem II probed by FTIR difference

light induced voltage come from? Front. Biosci., 15,

spectroscopy, Biochemistry, 37, 10547-10554, doi: 10.1021/

1007-1017, doi: 10.2741/3658.

bi980788m.

29.

Petrova, I.O., Kurashov, V.N., Semenov, A.Yu., and

43.

Diner, B.A., Force, D.A., Randall, D.W., and Britt, R.D.

Mamedov, M.D. (2011) Mn depleted/reconstituted pho

(1998) Hydrogen bonding, solvent exchange, and coupled

tosystem II core complexes in solution and liposomes,

proton and electron transfer in the oxidation and reduction

J. Photochem. Photobiol. B, 104, 372-376, doi: 10.1016/

of redox active tyrosine Y_Zin Mn depleted core complexes

j.jphotobiol.2011.03.004.

of photosystem II, Biochemistry,

37,

17931-17943,

30.

Zhang, M., Bommer, M., Chatterjee, R., Hussein, R.,

doi: 10.1021/bi981894r.

Yano, J., Dau, H., Kern, J., Dobbek, H., and Zouni, A.

44.

Campell, K.A., Peloquin, J.M., Diner, B.A., Tang, X.S.,

(2017) Structural insights into the light driven auto assem

Chisholm, D.A., and Britt, R.D. (1997) The τ nitrogen of

bly process of the water oxidizing Mn₄CaO₅ cluster in

D2 histidine 189 is the hydrogen bond donor to the tyrosine

photosystem II, eLife,

6, e26933, doi:

10.7554/

radical Y^•D of photosystem II, J. Am. Chem. Soc., 119,

eLife.26933.

4787-4788, doi: 10.1021/ja9706155.

БИОХИМИЯ том 84 вып. 9 2019

1310

ВИТУХНОВСКАЯ и др.

ELECTRON TRANSFER ON THE DONOR SIDE

OF MANGANESEQDEPLETED PHOTOSYSTEM II

L. A. Vitukhnovskaya^1,2, E. V. Fedorenko³, and M. D. Mamedov¹*

¹ Belozersky Institute of Physico Chemical Biology, Lomonosov Moscow State University,

119992 Moscow, Russia; E mail: mahirmamedov@yandex.ru

² Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, 119334 Moscow, Russia

³ Moscow Institute of Physics and Technology, 141701 Dolgoprudny, Moscow Region, Russia

Received April 10, 2019

Revised June 5, 2019

Accepted June 5, 2019

After removal of the manganese ions, which are responsible for light driven splitting of water, a redox active tyrosine

Y_Z (tyrosine 161 of the D1 subunit) is still the dominant electron donor to photooxidized chlorophyll P₆₈₀ (P⁺⁶⁸⁰) in

reaction center of photosystem 2 (PS2). P⁺⁶⁸⁰ reduction by tyrosine Y_Z under single turnover flashes has been investi

gated in Mn depleted PS2 core complexes (apo PS2) in the presence of weak acids and NH₄Cl. Using kinetic analy

sis of light induced absorption changes at 830 nm (reflecting P₆₈₀ redox transitions) at pH 6.0, it was shown that P⁺⁶⁸⁰

reduction is well approximated by two kinetic components with characteristic times (τ) ~7 and 31 мs and relative con

tributions ~54 and ~37%, respectively. In contrast to the slight effect of sodium formate (200 mM), addition of sodi

um acetate and NH₄Cl increased the rate of electron transfer between Y_Z and P⁺⁶⁸⁰ ~5 fold. The assumption that direct

electron transfer from Y_Z to P⁺⁶⁸⁰ has biphasic kinetics that probably reflects the presence of two different populations

of PS2 centers is confirmed by data obtained using the direct electrometric technique on proteoliposomes with apo

PS2. It is demonstrated that the submillisecond two phase kinetics of the additional electrogenic phase in the kinet

ics of the photoelectric response, due to electron transfer between Y_Z and P⁺⁶⁸⁰, is significantly accelerated in the pres

ence of acetate or ammonia. The obtained results are important for understanding the mechanism of interaction

between exogenous compounds, including synthetic manganese containing ones capable of photo splitting of a water

molecule, and oxidized tyrosine Y_Z in PS2 complexes lacking a manganese cluster.

Keywords: photosystem 2, reaction center, apo PS2, absorption changes, photoelectric response, acetate, ammonia

БИОХИМИЯ том 84 вып. 9 2019