БИОХИМИЯ, 2023, том 88, вып. 8, с. 1283 - 1301

УДК 577.1

ГЕНЕРАЦИЯ СУПЕРОКСИДНОГО АНИОН-РАДИКАЛА

В ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОН-ТРАНСПОРТНОЙ ЦЕПИ

Обзор

Федеральный исследовательский центр «Пущинский научный центр биологических исследований

Российской академии наук», Институт фундаментальных проблем биологии РАН,

142290 Пущино, Московская обл., Россия; электронная почта: kozuleva@gmail.com

Поступила в редакцию: 09.05.2023

После доработки 16.06.2023

Принята к публикации 18.06.2023

В обзоре проанализированы имеющиеся в литературе данные о скоростях, характеристиках

и механизмах восстановления молекул O2 до супероксидного анион-радикала на участках фото-

синтетической электрон-транспортной цепи, на которых это восстановление было установлено.

С использованием термодинамических расчетов и результатов недавних работ критически рассмот-

рены имеющиеся предположения о роли компонентов этих участков в данном процессе. Детально

описан процесс восстановления молекул O2 на акцепторной стороне фотосистемы 1, считающей-

ся основным местом этого процесса в фотосинтетической цепи. Рассмотрены аспекты эволюции

фотосинтетического аппарата в контексте контроля утечки электронов к молекуле O2. Обсуждены

причины, ограничивающие применение результатов, полученных с использованием фрагмен-

тов тилакоидных мембран, содержащих отдельные участки фотосинтетической цепи, для оценки

скорости восстановления молекул O2 на этих участках в интактной тилакоидной мембране.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: фотосинтез, фотосинтетическая электрон-транспортная цепь, восстановление кис-

лорода, супероксидный радикал.

DOI: 10.31857/S0320972523080018, EDN: IHTJIQ

ВВЕДЕНИЕ

транспортной цепи (ФЭТЦ)

[1]. Перенос

электронов от компонентов ФЭТЦ к моле-

Молекулярный O₂ - побочный продукт

кулам O₂, сопровождаемый восстановлением

окисления воды в фотосинтезирующих орга-

этих молекул, получил название реакция Ме-

низмах, использующих ее в качестве источ-

лера. Основная функция ФЭТЦ - восстанав-

ника электронов для образования восстано-

ливать NADP⁺, и было проведено громад-

вителя, необходимого в реакциях углеродного

ное количество исследований, чтобы оценить

метаболизма. В то же время компоненты фото-

долю «непроизводительной» реакции Мелера

синтетического аппарата аэробных организ-

в общем переносе электронов по ФЭТЦ в раз-

мов могут вступать в реакции с молекулами O₂.

личных условиях ее функционирования [2].

В 1951 году Алан Мелер обнаружил, что при

Однако важность понимания процессов

освещении тилакоидов образуется пероксид

окисления компонентов ФЭТЦ молекулами O₂

водорода, H₂O₂, и сделал вывод, что молеку-

состоит не только в возможности оценки влия-

лярный O₂ может служить непосредственным

ния реакции Мелера на эффективность фикса-

акцептором электронов от восстановленных

ции CO₂, но и в учете ее роли в осуществлении

этой фиксации. Синтез ATP, используемого

компонентов фотосинтетической электрон-

Принятые сокращения: АФК - активные формы кислорода; Фд - ферредоксин; ФНР - ферредоксин:NADP⁺ окси-

доредуктаза; ФС1 - фотосистема 1; ФС2 - фотосистема 2; ФЭТЦ - фотосинтетическая электрон-транспортная цепь;

DCPIP - 2,6-дихлорфенолиндофенол; DMF - диметилформамид; DNP-INT - динитрофениловый эфир 2-йод-4-нитро-

тимола; Em - среднеточечный редокс-потенциал; PhQ - филлохинон (phylloquinone); PQ - пластохинон (plastoquinone);

QA и QB - первичный и вторичный хиноновые акцепторы фотосистемы 2 соответственно; QO и QR - хинол-окисляющий

(QO-сайт) и хинол-восстанавливающий (QR-сайт) сайты b6f-комплекса соответственно.

* Адресат для корреспонденции.

1283

1284

КОЗУЛЕВА, ИВАНОВ

в реакциях фиксации CO₂, осуществляется за

Здесь и далее термин фотовосстановление O₂

•-

счет протонного градиента на тилакоидной

используется как синоним образования

мембране, возникающего не только при ли-

в ходе переноса электрона от компонентов

нейном транспорте электронов к окисленно-

ФЭТЦ к молекуле O₂. При оценке термодина-

му пиридиннуклеотиду, но и при транспорте

мической возможности восстановления O₂ сле-

электронов к кислороду как к акцептору (так

дует учитывать, что в ФЭТЦ есть компоненты,

называемый псевдоциклический транспорт

растворенные в водной фазе, компоненты,

электронов), и при циклическом электронном

связанные с мембраной, но контактирующие

транспорте, условием которого служит неко-

с водной фазой, а также компоненты, кото-

торый необходимый уровень окисления пула

рые погружены в гидрофобные зоны белков

пластохинона (PQ) (redox poising), который

и мембраны. Среднеточечный редокс-потен-

может обеспечиваться как переносом элек-

циал (E_m) для пары O₂/

•- различен в разных

тронов к акцепторам фотосистемы 1 (ФС1), в

средах: -160 мВ (относительно нормального

частности, реакцией Мелера, так и непосред-

водородного электрода, НВЭ) в воде и при-

ственным окислением пула PQ кислородом

близительно

-550 ÷ -600 мВ

- в диметил-

(см. далее). Важнейшую роль играет процесс

формамиде,

модельном растворителе для

восстановления O₂ в ФЭТЦ в поддержании

мембраны, имеющем диэлектрическую про-

гомеостаза фотосинтезирующей клетки и в

ницаемость 36,7 [10]. То, что

•- на свету мо-

приспособлении всего фотосинтетического

жет возникать в пределах мембран тилакои-

организма к условиям среды вследствие обра-

дов было предположено в работе Takahashi

зования в этом процессе активных форм кис-

и Asada [11] и экспериментально установлено

лорода (АФК), супероксидного анион-радика-

в наших работах в присутствии O₂ как един-

ла (

•-) и пероксида водорода (H₂O₂), которые

ственного конечного акцептора методом ЭПР

служат в этом случае первичными сигналь-

с использованием липофильного цикличе-

ными молекулами в осуществлении адапта-

ского гидроксиламина TMT-H (1-гидрокси-

ционных перестроек метаболизма. Именно

4-изобутирамидо-2,2,6,6-тетраметилпипе-

генерация АФК позволяет ФЭТЦ выступать в

ридиний) [12, 13]. Позже было показано, что

качестве чувствительного датчика таких изме-

светоиндуцированное образование

•- внут-

нений в окружающей среде, как интенсив-

ри тилакоидной мембраны происходит и в

ность света, температура, доступность воды,

присутствии ферредоксина (Фд) + NADP⁺,

засоленность почвы и т.д.

т.е. в условиях, когда восстановление O₂ про-

Неудивительно поэтому, что много иссле-

исходит одновременно с фотовосстановлени-

дований было посвящено выяснению, с каких

ем NADP⁺ [14].

компонентов ФЭТЦ возможен и с каких пре-

На свету в ФЭТЦ, возможно, функциони-

имущественно происходит перенос электро-

рует более чем один путь восстановления O₂.

нов к молекулам O₂ [3-7]. К настоящему вре-

В таблице приведены представленные в лите-

мени накопились новые данные о механизмах

ратуре скорости образования

•- на основных

восстановления молекул O₂ в ФЭТЦ и воз-

участках ФЭТЦ: фотосистеме 2 (ФС2), ФС1,

никли новые идеи об условиях протекания

в цитохромном b₆ f-комплексе, в стромальном

этого процесса и об изменении в процессе эво-

пуле Фд и мембранном пуле PQ. Далее рас-

люции тех компонентов ФЭТЦ, которые могут

смотрены свойства и особенности каждого из

окисляться кислородом. Настоящий обзор

известных путей восстановления O₂ в ФЭТЦ

посвящен рассмотрению этих новых данных

хлоропластов.

с анализом в каждом случае более ранних ре-

Восстановление O₂ в фотосистеме 2. Боль-

зультатов. Основное внимание уделено восста-

шое число работ посвящено исследованию

новлению O₂ в ФС1, которую принято считать

реакции фотовосстановления кислорода в

главным участком ФЭТЦ, где осуществляется

ФС2 - анализ этих работ приведен в обзо-

этот процесс.

рах [2, 4]. Основная масса этих работ была

проведена с препаратами ФС2 разной степени

целостности: фрагментами тилакоидных мем-

УСЛОВИЯ И ПУТИ

бран, обогащенными ФС2 (BBY-частицами), и

ВОССТАНОВЛЕНИЯ O₂ В ФЭТЦ

комплексами ФС2, в которых отсутствует PQ.

К настоящему времени появился ряд работ, в

Через 20 лет после открытия было показано,

которых удалось приписать

•--генерирую-

что реакция Мелера начинается как одноэлек-

щую активность компонентам нативной ФС2

тронное окисление компонентов ФЭТЦ мо-

в изолированных тилакоидах и даже в листьях.

лекулами O₂ на свету с образованием

•- [8, 9].

Это было достигнуто прежде всего благодаря

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

ВОССТАНОВЛЕНИЕ КИСЛОРОДА В ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

1285

Скорости генерации O•2^- на разных участках фотосинтетической электрон-транспортной цепи высших растений

Скорость

Скорость генерации O•2^-

Структура

генерации O•2

нормализованная на содержание ФС2^g

Фотосистема 2

0,1^a-0,75^b e^- (ФС2 × с)^-1

0,1-0,75 e^- с^-1

Пул пластохинона

2,3 e^- (ФС2 × с)^-1c

2,3 e^- с^-1

Цитохромный b6 f-комплекс

4,5 e^- (b6 f × с)^-1d

1,6 e^- с^-1

Фотосистема 1

3-10 e^- (ФС1 × с)^-1e

1,75-5,8 e^- с^-1

Ферредоксин

0,4-1,4 e^- (ФС1 × с)^-1f

0,2-0,8 e^- с^-1

Примечание. ^a Рассчитано из скорости восстановления цитохрома с в работе Fantuzzi et al. [15].

^b Рассчитано из скорости поглощения O2 в BBY-частицах в работе Khorobrykh и Ivanov [16] с учетом отношения Хлоро-

филл : P680 = 350 [17].

^с Рассчитано из скорости диурон-независимого поглощения O2 в тилакоидах в работе Khorobrykh и Ivanov [16] с учетом

отношения Хлорофилл : P680 = 370 [18].

^d Из работы Baniulis et al. [19].

^e Из работы Kozuleva et al. [20], диапазон скоростей для разных интенсивностей света (от наименьшей к наибольшей

интенсивности).

^f Рассчитано с использованием величин константы окисления Фд кислородом (0,08-0,28 с^-1) [21, 22] и отношения

Фд : ФС1 в хлоропласте, равного 5 [23].

^g Рассчитано с использованием стехиометрии b6 f : ФС2 = 0,35 и ФС1 : ФС2 = 0,58 [24].

визуализации окисленных аминокислотных

молекул токоферола, расположенных вблизи

остатков вблизи кофакторов ФС2 [25-27] -

феофитина и негемового железа, увеличена

экспериментальном подходе, основанном на

генерация

•-, а также обнаруживаются окис-

предположении, что АФК, производимые ко-

ленные аминокислотные остатки вблизи фео-

факторами переноса электронов, могут моди-

фитина [27]. Авторы предположили, что при

фицировать в первую очередь проксимальные

высокой освещенности феофитин продуцирует

остатки в непосредственной близости от места

•-, который в ФС2 дикого типа окисляет близ-

генерации АФК [28]. Однако этот подход не

лежащую молекулу токоферола, а не окружаю-

позволяет проводить какие-либо количествен-

щие аминокислотные остатки. Обычно предпо-

ные оценки скорости образования

•-, тогда

лагают, что в условиях умеренного освещения

как при работе с препаратами ФС2, выделен-

восстановление O₂ феофитином мало вероятно

ными из тилакоидных мембран, возможно

вследствие его короткого времени жизни в вос-

измерить скорость светоиндуцируемой генера-

становленной форме (200-500 пс) при окис-

ции

•- - в таблице приведены величины этой

лении следующим переносчиком электронов в

скорости в BBY-частицах.

ФС2 - молекулой PQ в сайте Q_A [2].

Ряд компонентов ФС2 рассматривают как

Восстановление O₂ прочносвязанным PQ•-

восстановителей O₂. Образование

•- было

в сайте Q_A было предположено, в частности,

зарегистрировано в комплексе D1/D2/цито-

на основании того, что низкие концентра-

хром b559, в котором отсутствовали хиноны в

ции гербицида диурона, ингибитора переноса

сайтах Q_A и Q_B, что позволило предположить,

электронов с Q_A на следующий компонент

что феофитин, первичный акцептор электро-

ФЭТЦ - молекулу PQ в сайте Q_B, стимулиро-

нов в ФС2, может восстанавливать O₂ [29].

вали образование

•- в тилакоидах гороха [30].

Феофитин обладает наиболее низкой величи-

В BBY-комплексах, дополнительно обрабо-

ной E_m среди кофакторов ФС2 (-610 мВ), что

танных для удаления молекул PQ, в которых

достаточно для восстановления O₂ в гидрофоб-

таким образом Q_B-сайт оставался вакантным,

ной части белка, где расположен этот кофак-

генерация

•- была зарегистрирована с помо-

тор и где потенциал пары O₂/

•- близок к этой

щью специфических спиновых ловушек и вос-

величине или даже несколько более положи-

становления экзогенного цитохрома с

[15].

тельный (см. выше). Более того, недавно было

Модифицированные аминокислотные остат-

показано, что в мутанте арабидопсиса vte1 с де-

ки, расположенные ближе к сайту Q_A, были

фицитом биосинтеза токоферола, в котором

также обнаружены в листьях шпината и мутан-

ФС2 лишена двух характерных для дикого типа

та арабидопсиса vte1 [25, 27].

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

1286

КОЗУЛЕВА, ИВАНОВ

Дискуссионным остается, однако, вопрос

пластохинон-связывающем сайте Q_C ФС2 [38],

о термодинамике реакции между O₂ и PQ•-

либо свободный PQ•-, возникающий в реак-

в сайте Q_A. Было показано, что E_m (Q_A/Q_A-) за-

ции конпропорционирования (см. ниже) PQ

висит от наличия бикарбонат-иона вблизи не-

с PQH₂, образующимся при окислении цито-

гемового железа: -70 мВ и -145 мВ в отсутствие

хрома b559 связанным в сайте Q_C пластосе-

и в присутствии HCO₋ соответственно [31]. Ве-

михиноном [2].

личины E_m пары (Q_A/

•-) в присутствии HCO₋

Таким образом, генерация

•- в ФС2 воз-

(-145 мВ) и пары O₂/

•- (-160 мВ - в воде)

можна при окислении феофитина и PQ•- в сай-

близки, что предполагает, что термодинами-

те Q_A (и, возможно, в сайте Q_C). Однако имею-

чески окисление PQ•- в сайте Q_A кислородом,

щиеся в литературе количественные оценки

хотя и не выгодно, но вероятно. Вопрос в том,

этого процесса, полученные для BBY-частиц

можно ли рассматривать E_m (O₂/

•-) в воде,

(0,1 e^- (ФС2 × с)^-1 [15], 0,25 e^- (ФС2 × с)^-1 [39],

поскольку Q_A расположен в достаточно гидро-

0,75 e^- (ФС2 × с)^-1 [16]), указывают на его низ-

фобной части ФС2? Такое предположение не

кую эффективность. Некоторые оценки могут

исключено, поскольку Q_A контактирует с вод-

быть даже завышены, поскольку получены

ными каналами, по которым, в частности, по-

для BBY-комплексов, в которых сохраняется

ступает HCO₋ к негемовому железу [15, 32], и

от 2 до 3 свободных молекул PQ на один реак-

в этой области много полярных и ионогенных

ционный центр ФС2, и эти молекулы, будучи

•-

аминокислотных остатков. Таким образом,

восстановленными, могут восстанавливать

восстановление O₂ прочносвязанным PQ•- в

(см. далее). С другой стороны, в некоторых ра-

сайте Q_A выглядит более благоприятным, когда

ботах [15, 39] экспериментальные условия пре-

HCO₋ присутствует на акцепторной сторо-

пятствовали надежной количественной оценке

не ФС2. Однако в условиях, когда стабильный

генерации

•- вследствие использования сре-

PQ•- в сайте Q_A индуцирует высвобождение

ды с низкими величинами pH, при которых

HCO₋, скорость образования

•- увеличивает-

скорость спонтанной дисмутации

•- высока,

ся [15]. На основании этого был сделан вывод,

и практически невозможно обеспечить при-

что присутствие HCO₋ ограничивает доступ O₂

сутствие ловушек для

•- в концентрации,

к сайту Q_A. Fantuzzi et al. [15] предполагают,

обеспечивающей регистрацию всех

•-, гене-

что до

•- восстанавливается молекула O₂, свя-

рируемых в исследуемой системе [40]. В боль-

занная с негемовым железом, что повышает

шинстве экспериментов с ФС2-частицами O₂

величину E_m (O₂/

•-).

был единственным акцептором электронов от

Восстановление O₂ в сайте Q_B термодина-

кофакторов ФС2, но даже при этом скорость

мически маловероятно, т.к. E_m (PQ/PQ•-) в

образования

•- оказывалась весьма низкой.

Q_B-сайте равен +90 мВ [33]. И действительно,

На основании этого не представляется вероят-

•-

даже при обработке BBY-частиц сильным све-

ным, что реальный вклад ФС2 в генерацию

том, вызывающим фотоингибирование, не

в хлоропластах может быть высоким.

было зарегистрировано появление окислен-

Восстановление O₂ в пуле пластохинона ти-

ных аминокислотных остатков в сайте Q_B [26].

лакоидной мембраны. O₂-зависимое окисление

Вероятно, в этом сайте генерации

•- не про-

пула PQ, наблюдаемое в темноте после осве-

исходит.

щения тилакоидов [41], предполагало возмож-

В литературе на основании сопряжения

ность переноса электронов от компонентов

восстановления молекул O₂ с окислением ци-

этого пула к молекулам O₂. Светоиндуциро-

тохрома b559, входящего в комплекс ФС2 и

ванная генерация

•- была продемонстриро-

участвующего в циклическом транспорте элек-

вана в изолированных тилакоидах гороха в

тронов вокруг ФС2, предполагается восста-

присутствии динитрофенил-2-йод-4-нитроти-

новление O₂ этим цитохромом [34, 35], нахо-

мола (DNP-INT), высокоэффективного кон-

дящимся в низкопотенциальной форме (E_m =

курентного ингибитора окисления PQH₂ в

= -40 ÷ +80 мВ) [36] или в очень низкопотен-

хинол-окисляющем сайте (Q_O-сайте) b₆ f-ком-

циальной форме (E_m = -150 ÷ -200 мВ) [37].

плекса [16, 30], т.е. в условиях, предполагаю-

Однако восстановление O₂ даже низкопотен-

щих, что только ФС2 и компоненты пула PQ

циальными формами цитохрома b559 термоди-

могут восстанавливать O₂. В работе Khorobrykh

намически невыгодно вследствие его располо-

и Ivanov [16] было показано, что BBY-частицы

жения в гидрофобной зоне белка, где величина

генерировали

•- с гораздо меньшей скоро-

E_m пары O₂/

•- существенно ниже этих вели-

стью, чем тилакоиды в присутствии DNP-INT

чин. Было предположено, что восстановите-

(см. таблицу). Это указывало на то, что на свету

лем O₂ выступает либо PQ•-, который образу-

генераторами

•- в тилакоидах были молекулы

ется при окислении PQH₂ цитохромом b559 в

пула PQ. На основании сходства зависимостей

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

ВОССТАНОВЛЕНИЕ КИСЛОРОДА В ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

1287

увеличения генерации

•- в пуле PQ при уве-

выше возможный источник свободного PQ•-.

личении pH от 5,0 до 6,5 [16] и уменьшения в

Поэтому представляется вероятным, что мак-

этом диапазоне разности редокс-потенциалов

симальные скорости образования

•-, наблю-

пары PQ/PQ•- и пары O₂/

•- (в воде) вплоть

даемые в обработанных DNP-INT тилакоидах

до отрицательных значений было предполо-

(таблица), могут быть занижены из-за исполь-

жено [3, 16], что

•- образуется в реакции O₂

зования ингибиторов ферментативного окис-

с молекулами свободного PQ•- на границах

ления PQH₂. Не исключено, что скорости гене-

мембраны с водной фазой.

рации

•- в пуле PQ интактных хлоропластов

Источником свободного PQ•- в тилакои-

выше, чем измеренные в работе Khorobrykh

дах на свету может быть, во-первых, реак-

и Ivanov [16].

ция конпропорционирования PQH₂ + PQ →

Восстановление O₂ в цитохромном b₆ f-ком-

→ 2PQ•- + 2H⁺. В работе Mubarakshina и Iva-

плексе. Образование

•- было показано в изо-

nov [3] была рассчитана стационарная концен-

лированных b₆ f-комплексах (PQH₂-пласто-

трация PQ•-, образующегося в этой реакции в

цианин оксидоредуктаза), к которым были

пуле PQ, и она хорошо совпадала с расчетной

добавлены восстановленный децилпластохи-

концентрацией PQ•-, необходимой для обеспе-

нон и пластоцианин в качестве донора и акцеп-

чения скоростей образования

•-, наблюдав-

тора электронов соответственно [19], причем

шихся в работе Khorobrykh и Ivanov [16]. Сле-

параллельно регистрировали восстановление

дует заметить, что в случае появления PQ•- в

пластоцианина. Авторы предположили, что

реакции конпропорционирования максималь-

наиболее вероятным источником

•- в этой

ные скорости генерации

•- в пуле PQ должны

системе может быть PQ•-, который образуется

наблюдаться в условиях, когда пул наполовину

в Q_O-сайте после одноэлектронного окисле-

восстановлен, а при высокой освещенности,

ния PQH₂ [19]. В данной работе было найдено,

когда пул PQ практически полностью восста-

что в изолированном b₆ f-комплексе скорость

новлен, содержание PQ•- в результате этой ре-

образования супероксидного анион-радикала

акции существенно уменьшается. Во-вторых,

в процентах от скорости электронного транс-

свободный PQ•- может образовываться также

порта была почти на порядок выше, чем в

в результате окисления PQH₂ пероксидом во-

изолированном митохондриальном bc₁-ком-

дорода и супероксидным радикалом, образую-

плексе. В работе Tikhonov [45] было оценено,

щимися как в самом пуле PQ [16], так и на дру-

что в Q_O-сайте b₆ f-комплекса E_m (PQ/PQ•-)

гих участках ФЭТЦ, в первую очередь в ФС1

достаточно низкий (-280 мВ) и его реакция с

при сильном освещении [42]. В-третьих, по-

O₂ термодинамически возможна.

тенциальным источником свободного PQ•- в

Первый кофактор высокопотенциальной

пуле может быть неполное окисление PQH₂ в

ветви кофакторов b₆ f-комплекса, Fe₂-S₂-клас-

хинол-окисляющем (Q_O) сайте b₆ f-комплекса с

тер Риске, принимающий первый электрон

последующим высвобождением PQ•- из этого

при окислении PQH₂ в Q_О-сайте, обладает

комплекса. Возможность выхода семихинона

высоким E_m (+330 мВ), вследствие чего его

из сайта окисления хинола в bc₁-комплексе и

окисление O₂ термодинамически неблагопри-

восстановления им молекул O₂ была предпо-

ятно. Было предположено [19] участие в гене-

ложена в работе Forquer et al. [43].

рации

•- низкопотенциального гема цито-

Учитывая описанное выше, можно по-

хрома b₆ (b_6L), первого кофактора низкопотен-

лагать, что количественные оценки вклада

циальной ветви кофакторов b₆ f-комплекса, ко-

пула PQ, получаемые с применением инги-

торый принимает второй электрон при окис-

биторов ферментативного окисления PQH₂,

лении PQH₂ в Q_О-сайте и обладает довольно

не отражают восстановление O₂ в пуле PQ в

отрицательным E_m (-150 мВ) [46]. Окислен-

хлоропластах. Во-первых, практически пол-

ные остатки аминокислот были обнаружены

ное восстановление пула PQ в присутствии

в Q_O-сайте [28], что могло указывать на воз-

DNP-INT наблюдается при существенно более

можность образования там

•-. Однако точная

низких интенсивностях света, чем при функ-

интерпретация реакций, приводящих к окис-

ционировании полной ФЭТЦ [44]. Во-вторых,

лительным модификациям, затруднена, по-

применение DNP-INT или другого ингибито-

скольку b₆ f-комплекс содержит молекулу хло-

ра окисления PQH₂ в b₆ f-комплексе блокирует

рофилла a, способную продуцировать ¹O₂ [47],

поток электронов по цепи и минимизирует об-

и Fe₂-S₂-кластер белка Риске, который, подоб-

разование

•- в ФС1, а также в b₆ f-комплексе.

но другим Fe-S-кластерам [48], потенциально

В-третьих, ингибиторы в насыщающей кон-

может катализировать образование HO^• из

центрации предотвращают окисление PQH₂

молекул H₂O₂. ¹O₂ и HO^• обладают большей

в Q_O-сайте и исключают третий описанный

реакционной способностью, чем

•-, и могут

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

1288

КОЗУЛЕВА, ИВАНОВ

модифицировать аминокислотные остатки с

Значения K_m(O₂) для хлоропластов и целых

большей эффективностью, чем

•-.

клеток (50-95 мкМ) были на порядок выше,

Роль ферредоксина в восстановлении O₂.

чем K_m(O₂) для тилакоидов (3-10 мкМ). Оче-

Стромальный белок Фд содержит один кластер

видным выводом из такого сравнения было

Fe₂-S₂ и обладает низким E_m (-420 мВ), что по-

то, что Фд - тот самый добавочный сайт вос-

зволяло бы ему в восстановленной форме быть

становления O₂ в более сложных структурах.

эффективным восстановителем O₂ до

•- в вод-

Однако ситуация более сложна, чем кажется на

ной фазе. Однако образование

•- с участием

первый взгляд.

Фд происходит с малыми скоростями: кон-

Во-первых, есть вопросы относительно ис-

станта скорости первого порядка окисления

пользуемых при сравнении величин K_m(O₂) для

восстановленного Фд молекулярным O₂ низ-

разных структур. Прежде всего, рассматривать

ка - 0,08-0,28 с^-1 [21, 22, 49]. Это, очевидно,

ФС1 как единственный сайт фотовосстанов-

является следствием структуры железосерного

ления O₂ в проводившихся экспериментах с

активного центра белка; хиноны с близкими

изолированными тилакоидами, вероятно, не

величинами E_m пары Q/Q•- имеют констан-

совсем корректно. Значение K_m(O₂) для фото-

ты скорости восстановления O₂ примерно

восстановления O₂ в ФС1 (3 мкМ), полученное

на 6 порядков выше [10]. Учитывая величины

в работе Asada и Nakano [55], было очевидно

констант скоростей реакции и соотноше-

занижено вследствие использования 2,6-ди-

ние Фд : ФС1 в хлоропластах высших расте-

хлорфенолиндофенола (DCPIP) в качестве

ний [23], скорость Фд-зависимого фотовосста-

искусственного донора электронов к ФС1 [56]

новления O₂ в хлоропласте не превышает 10%

(подробнее см. ниже). С другой стороны, сомни-

от максимальной скорости фотовосстановле-

тельна и надежность разграничения реакции

ния O₂ в ФС1 (таблица).

Мелера и других реакций, потребляющих O₂ в

Однако долгое время Фд рассматривали

более сложных структурах: митохондриаль-

в качестве основного участника фотовосста-

ное дыхание, оксигеназная реакция Рубиско

новления O₂ в хлоропластах [50] на основа-

(фотодыхание), окисление пула PQ пластид-

нии многократно наблюдавшихся значительной

ной терминальной оксидазой (хлородыхание),

•-

стимуляции поглощения O₂ и образования

поглощение кислорода вследствие образова-

при его добавке к изолированным тилакоидам

ния ¹O₂ и перекисного окисления липидов,

шпината/гороха/арабидопсиса, лишенным в

восстановление O₂ до воды с участием белков,

процессе выделения стромальных компонен-

содержащих в контакте с флавиновой груп-

тов [14, 51, 52]. При этом в таких эксперимен-

пой два атома железа (flavodiiron proteins, Flvs

тах отношение Фд к ФС1 было на 3 порядка

или FDPs), которые отсутствуют у покрыто-

выше, чем in vivo, что при медленном окисле-

семенных, но присутствуют в цианобактериях,

нии восстановленного Фд приводило к его на-

зеленых водорослях и остальных высших расте-

коплению в значительных количествах, обес-

ниях. Таким образом, в зависимости от иссле-

печивающих наблюдаемую высокую скорость

дованного организма и условий, в которых про-

восстановления O₂. Добавка NADP⁺, основно-

водились измерения, полученные K_m(O₂) могут

го акцептора электронов от восстановленно-

отражать далеко не только реакцию Мелера.

го Фд, существенно снижала вклад последнего

Во-вторых, помимо расположенного в

в генерацию

•- тилакоидами [14, 53]. Очевид-

строме хлоропластов Фд, другие стромаль-

но, эффективность регенерации NADP⁺ в ци-

ные компоненты могут участвовать в непо-

кле Кальвина-Бенсона-Бассема определяет

средственном фотовосстановлении O₂ in vivo.

вклад Фд в продукцию

•- in vivo вследствие

В литературе возникали предположения о

изменения количества молекул восстановлен-

роли нитритредуктазы, восстанавливаемой Фд

ного Фд, доступных окислению кислородом.

глутаматсинтазы [57] и монодегидроаскорбат-

В литературе были попытки оценить уча-

редуктазы [58]. Вклад этих белков в восстанов-

стие Фд в восстановлении O₂ в хлоропластах

ление O₂ на свету может повлиять на измеряе-

(т.е. при нативном отношении Фд : ФС1) путем

мую величину K_m(O₂) для интактных систем,

сравнения констант Михаэлиса K_m(O₂), изме-

но этот вклад в данный процесс пока не опре-

ренных для реакции Мелера в изолированных

делен, поскольку указанные исследования

тилакоидах и в интактных хлоропластах/клет-

не получили дальнейшего развития. Скорее

ках/листьях. Этот подход подробно описан в

всего, эти ферменты могут участвовать в вос-

работе Asada [54] и основывается на предпо-

становлении O₂ только в условиях дефицита их

ложении, что более высокая величина K_m(O₂)

специфических субстратов [57].

в более сложных структурах отражает рабо-

Таким образом, сравнение K_m(O₂) для раз-

ту нескольких сайтов фотовосстановления O₂.

ных структур с целью выявления вклада Фд

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

ВОССТАНОВЛЕНИЕ КИСЛОРОДА В ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

1289

в восстановление O₂ в хлоропластах представ-

тока электронов от Фд к b₆ f-комплексу может

ляет собой подход, с помощью которого сложно

влиять на время жизни PQ•- в Q_O-сайте и на

сделать надежные выводы. К тому же количе-

вероятность его реакции с O₂ (см. выше).

ственная оценка путей фотовосстановления O₂

Восстановление O₂ в фотосистеме 1. Эта

в суспензии тилакоидов гороха в присут-

фотосистема давно была признана основным

ствии Фд показала, что увеличение концентра-

участком ФЭТЦ в процессе генерации

•- в ре-

ции Фд стимулировало не только восстанов-

акции Мелера (см. [63] и ссылки в ней), и дей-

ление O₂ с участием восстановленного Фд, но

ствительно, из всех компонентов ФЭТЦ она

и восстановление O₂ мембранными компо-

характеризуется наиболее высокими скоро-

нентами [49, 53]. Для объяснения последнего

стями фотовосстановления O₂ (таблица). В ли-

эффекта было предположено, что увеличение

тературе, однако, приводятся противоречивые

оттока электронов из ФС1 к Фд при увеличе-

оценки ее активности. Наиболее ярко это про-

нии его концентрации может изменять соот-

является при сравнении констант скорости ре-

ношение путей прямого переноса электронов

акции восстановления кислорода в ФС1 (k₂),

и рекомбинации зарядов в ФС1 таким обра-

опубликованных в разных работах. Диапазон

зом, что концентрация восстановленных форм

имеющихся в литературе величин k₂ аномаль-

промежуточных акцепторов этой фотосисте-

но широкий: от 7 × 10² М^-1 ⋅ с^-1 до 10⁷ М^-1 ⋅ с^-1.

мы - филлохинона в сайте A₁ и железосерного

Хронологически первая оценка k₂

центра F_X - возрастает, и поток электронов от

(10⁷ М^-1 ⋅ с^-1) была получена для тилакоидов

них к O₂ увеличивается [53]. Альтернативным

шпината, в которых ФС1 функционировала

предположением может быть то, что Фд запу-

изолированно (т.е. диурон был добавлен для

скает или стимулирует некий путь фотовосста-

ингибирования активности ФС2, а для восста-

новления O₂ в тилакоидах, который не активен

новления P

700

добавляли искусственные доно-

или мало активен в отсутствие Фд. Напри-

ры электронов) [55]. Однако эта оценка близка

мер, таким путем может быть восстановле-

к константе скорости восстановления метил-

ние O₂ с участием мембраносвязанной ферре-

виологена терминальными кофакторами ФС1

доксин:NADP⁺ оксидоредуктазы (ФНР), кото-

(1,5 × 10⁷ М^-1 ⋅ с^-1; [64]), что предполагает сход-

рая получает электроны от ФС1 только в при-

ную эффективность O₂ и метилвиологена как

сутствии Фд. Известно, что экзогенная добавка

непосредственных акцепторов электронов

ФНР к тилакоидам стимулирует восстановле-

от ФС1, что мало вероятно, поскольку метил-

ние O₂ [14, 58]; однако недавние эксперимен-

виологен очень существенно увеличивает ско-

тальные результаты свидетельствуют против

рость переноса электронов «через» ФС1 [42,

того, что ФНР может заметным образом участ-

56]. Величина 10⁷ М^-1 ⋅ с^-1, вероятно, завыше-

вовать в восстановлении O₂ в тилакоидах [14].

на, и причина переоценки может быть связана

•-

В этой работе образование мембранного

с использованием в работе Asada и Nakano [55]

измеряли в тилакоидах арабидопсиса, выде-

восстановленного DCPIP в качестве донора

ленных из растений дикого типа и мутанта,

электронов для P

700

. С использованием изо-

дефицитного по изоформе ФНР1 [59], для ко-

лированных комплексов ФС1 из Synechocystis

торого характерно отсутствие ФНР в изолиро-

и тилакоидов гороха показано, что DCPIP

ванных тилакоидах [60]. Оказалось, что скоро-

функционирует как редокс-медиатор между

сти образования

•- в мембране в присутствии

ФС1 и O₂ аналогично метилвиологену, т.е. вос-

и в отсутствие Фд были одинаковыми у обоих

становленная форма DCPIP на акцепторной

генотипов, что исключает непосредственное

стороне ФС1 эффективно окисляется кисло-

участие ФНР в образовании

•- в тилакоидах

родом [56, 65]. Поэтому оценки k₂ и других ха-

дикого типа.

рактеристик реакции ФС1 с O₂ (например,

Другим сайтом восстановления O₂, который

K_m(O₂)) с использованием DCPIP содержат

получает дополнительные электроны в при-

ошибку, поскольку отражают сумму реакций

сутствии Фд, может быть цитохромный b₆ f-

фотовосстановления O₂ кофакторами ФС1 и

комплекс. Ряд авторов рассматривают этот

восстановленным DCPIP.

комплекс как Фд-PQ оксидоредуктазу, кото-

Самые низкие значения для k₂ (7,2 × 10² и

рая функционирует в циклическом транспор-

6,1 × 10³ М^-1 ⋅ с^-1) представлены в работе Kho-

те электронов вокруг ФС1 [61, 62]. В рамках

robrykh и Tyystjärvi [66] и были рассчитаны

этой модели Фд донирует один электрон для

на основе экспериментальных данных, полу-

восстановления PQ в хинон-восстанавливаю-

ченных в экспериментах с тилакоидами горо-

щем (Q_R) сайте, тогда как второй электрон

ха [42]. Однако скорости восстановления O₂

поступает из Q_О-сайта. Если такой путь функ-

в работе Khorobrykh et al. [42] были измерены

ционирует, то не исключено, что наличие при-

при атмосферном содержании O₂, что является

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

290

КОЗУЛЕВА, ИВАНОВ

насыщающей концентрацией для реакции

ло к экстракции всех молекул пула PQ и од-

восстановления O₂ в ФС1, тогда как для кор-

ной молекулы PhQ из ФС1, расположенной в

ректной оценки константы скорости реакции

А-ветви (PhQ_A). В таких мембранах отсутство-

необходимо использование субстрата в лими-

вало поглощение O₂ в ответ на вспышки света.

тирующих скорость концентрациях, т.е. в дан-

Добавка PhQ в виде витамина K приводила к

ном случае, когда скорость восстановле-

появлению поглощения O₂, однако только в

ния O₂ зависит от его концентрации. Именно

ответ на первую вспышку света. Авторы пред-

так были проведены измерения в работах

положили, что обработка гексаном модифи-

Asada и Nakano [55], Takahashi и Asada [67] и

цировала А₁-сайт таким образом, что его срод-

Kozuleva et al. [20].

ство к PhQ уменьшилось [68].

Самые недавние величины k₂ (0,6 × 10⁵-

Восстановление O₂ с участием PhQ в на-

3,7 × 10⁵ М^-1 ⋅ с^-1; диапазон по интенсивности

тивных комплексах ФС1 при стационарном

света; см. ниже) были получены с использова-

освещении впервые изучили на примере ком-

нием природного донора электронов для ФС1,

плексов, выделенных из цианобактерии Syne-

пластоцианина [20]. Более того, эти величи-

chocystis sp. PCC 6803 [69], предполагая, что

ны получены и в присутствии Фд, ФНР и

состав кофакторов переноса электронов ФС1

NADP⁺, когда терминальные акцепторы ФС1

и аминокислотное окружение в A₁-сайте от-

восстанавливали O₂ одновременно с фото-

носительно консервативно у цианобактерий,

восстановлением Фд с последующим пере-

водорослей и высших растений. В работе ис-

носом электронов к NADP⁺, т.е. в услови-

пользовали дикий штамм и штамм с заблоки-

ях, близких к физиологическим. В отсутствие

рованным биосинтезом PhQ (мутация menB).

Фд величины k₂ не изменялись существенно.

Ранее было показано, что в A₁-сайты мутанта

Таким образом, величины k₂ и скорость вос-

встраивались молекулы PQ, вследствие чего

становления O₂, измеренная при атмосфер-

величина E_m (Q/Q•-) увеличивалась на ~100 мВ

ном содержании O₂, представленные в работе

относительно величины в диком штамме, что

Kozuleva et al. [20], являются наиболее близ-

приводило к 1000-кратному увеличению вре-

кими характеристиками восстановления O₂

мени жизни семихинона в обеих ветвях [70].

в ФС1 in vivo.

Комплексы ФС1 из мутанта показывали за-

Какие кофакторы ФС1 могут восстанавли-

метно более низкие скорости фотовосста-

вать O₂? Долгое время считали, что электроны

новления O₂ по сравнению с комплексами из

переносятся на O₂ от терминальных кофак-

дикого штамма [69], что было объяснено боль-

торов ФС1, Fe₄-S₄-кластеров F_A/F_B, распо-

шей способностью PhQ•- в А₁-сайтах дикого

ложенных в субъединице PsaC на стромальной

типа восстанавливать O₂ по сравнению с PQ•-

стороне комплекса ФС1 [9, 64]. Позже стало

в сайтах мутанта и, соответственно, свидетель-

ясно, что промежуточные кофакторы пере-

ствовало об их ведущей роли в восстановле-

носа электронов ФС1 также вносят свой вклад

нии O₂ в ФС1.

в продукцию

•-. Было, в частности, пока-

Выявление вклада отдельных кофакторов

зано при изучении индуцированного светом

переноса электронов ФС1 стало возможным

H₂O₂-зависимого йодирования белков тилако-

благодаря исследованию влияния интенсив-

идной мембраны, что в течение первых секунд

ности света на величину k₂ для комплек-

освещения восстановление O₂ осуществляется

са ФС1, выделенного из одноклеточной водо-

кофакторами белков PsaA и PsaB, в то время

росли Chlamydomonas reinhardtii

[20]. Было

как более длительное освещение приводит к

показано увеличение кажущейся величины k₂

появлению H₂O₂ в других частях тилакоидов,

с увеличением интенсивности света, что было

включая белковую область вблизи F_A/F_B [11].

интерпретировано как свидетельство функ-

Авторы предположили, что O₂ восстанавлива-

ционирования нескольких участков фотовос-

ется предшествующим кластерам F_A/F_B в цепи

становления O₂ в ФС1, каждый из которых

переноса электронов кластером F_X, располо-

характеризуется своей константой скорости

женным между субъединицами PsaA и PsaB.

этого процесса и достигает максимальной эф-

Было выдвинуто предположение об уча-

фективности при характерной для него интен-

стии в восстановлении O₂ молекул филло-

сивности света. Экспериментальный анализ

хинона (PhQ) [68] - вторичного кофактора

с использованием метилвиологена, высоко-

переноса электронов, который расположен

эффективного акцептора электронов от тер-

в A₁-сайтах двух псевдосимметричных вет-

минальных кофакторов ФС1, показал, что

вей кофакторов в ФС1, A и B, и предшествует

участие терминальных кофакторов F_A/F_B в вос-

кластеру F_X. В этой работе тилакоидные мем-

становлении O₂ насыщается при низкой интен-

браны обрабатывали гексаном, что приводи-

сивности света, т.е. при этой интенсивности

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

ВОССТАНОВЛЕНИЕ КИСЛОРОДА В ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

1291

заполняются электронами кластеры F_A/F_B.

остатка в непосредственной близости от PhQ

Увеличение кажущейся k₂ при увеличении

в B-ветви (PhQ_B). Однако интерпретация

интенсивности света связано с увеличением

этих результатов затруднена из-за расположе-

вклада в восстановление O₂ предшествующих

ния хлоринового кольца молекулы хлоро-

кофакторов переноса электронов в ФС1 при

филла a между PhQ_B и этими остатками [72].

их заполнении электронами. Вопрос о роли F_X

Можно предположить, что

•-, продуцируе-

и PhQ был решен с помощью последователь-

мый кластерами F_A/F_B, легко диффундирует

ного удаления Fe₄-S₄-кластеров путем специ-

из белка PsaC в строму (кластер F_B находится

альных обработок: удаление F_A/F_B приводило к

на расстоянии 3-4 Å от поверхности PsaC) и

небольшому снижению скорости восстановле-

не модифицирует аминокислотные остатки.

ния O₂ в широком диапазоне интенсивностей

Возможно, что

•- из A₁-сайтов также эффек-

света, тогда как дополнительное удаление F_X,

тивно диффундирует на стромальную сторону

в результате чего PhQ в А₁-сайтах оказывался

мембраны, не вступая в реакции с близлежа-

терминальным кофактором, приводило к су-

щими аминокислотными остатками, - нали-

щественной стимуляции восстановления O₂.

чие водных полостей, ведущих из A₁-сайтов,

Последнее соответствовало предположению

было показано для ФС1 из цианобактерии

о ключевой роли PhQ в восстановлении O₂.

Synechocystis sp. PCC 6803 [73].

Комплексы ФС1, выделенные из мутанта

Необходимо отметить, что скорость гене-

PsaA-F689N C. reinhardtii, в которых Phe в по-

рации

•- в изолированных комплексах ФС1

зиции 689 белка PsaA заменен на Asn, вслед-

(таблица) может не вполне отражать реальную

•-

ствие чего увеличивалось время жизни Ph

•--генерирующую активность ФС1 в тила-

с 0,25 мкс до 17 мкс [71], характеризовались

коидах и хлоропластах. Восстановление O₂

гораздо более высокими скоростями фотовос-

в изолированных комплексах ФС1 из Syne-

становления O₂ в широком диапазоне интен-

chocystis [69] и C. reinhardtii [20] не достигало

сивностей света [20]. Эти данные также указы-

насыщения с увеличением освещенности в

вают на увеличение вклада PhQ•- в генерацию

широком диапазоне интенсивностей света

•- в ФС1 при увеличении освещенности.

(до 2000 мкмоль фотонов/(м2 ⋅ с), тогда как

Таким образом, в изолированных ком-

восстановление O₂ изолированно функциони-

плексах ФС1 активны два участка восстанов-

рующей ФС1 в тилакоидах высших растений (в

ления O₂: терминальные кластеры F_A/F_B и PhQ

присутствии диурона и искусственных доно-

в форме семихинонов в A₁-сайтах. Вклад каж-

ров электронов) имело тенденцию к насыще-

дого участка зависит от условий. При низкой

нию при 500-600 мкмоль фотонов/(м² ⋅ с) [42,

интенсивности света присутствие Фд, ФНР

65]. С одной стороны, это противоречие может

и NADP⁺ снижало скорость фотовосстанов-

быть связано с внесением таких редокс-медиа-

ления O₂, поскольку отток электронов от ФС1

торов, как N,N,N′,N′-тетраметил-п-фенилен

уменьшал накопление электронов на класте-

диамин (TMФД) и аскорбат натрия для под-

рах F_A/F_B [20]. В то же время присутствие Фд,

держания активности ФС1 в тилакоидах.

ФНР и NADP⁺ не подавляло фотовосстановле-

Окисленные формы этих соединений могут

ние O₂, наблюдаемое при высокой интенсив-

акцептировать электроны от терминальных

ности света, что указывало на то, что именно

кофакторов ФС1 [74-76], что должно умень-

PhQ ответственны за восстановление O₂ в усло-

шать накопление электронов на кофакто-

виях параллельного транспорта электронов

рах ФС1. С другой стороны, в изолированных

к NADP⁺ в этих условиях.

комплексах ФС1 могут отсутствовать какие-то

Удивительно, но подход, основанный на

регуляторные компоненты, определяющие

обнаружении окисленных модифицирован-

•--генерирующую активность ФС1 в тила-

ных аминокислотных остатков, который был

коидах. В частности, существование белка, ре-

успешно применен для определения

•--гене-

гулирующего восстановление O₂ в ФС1, было

рирующей активности кофакторов ФС2 и b₆ f-

предположено на основе сравнения влияния

комплекса (см. выше), оказался малопригод-

условий короткого и длинного дня на реакцию

ным для визуализации образования

•- в ФС1.

Мелера в растениях табака [77]. Оказалось, что

Окисленные остатки не были обнаружены

условия короткого дня способствуют более вы-

в непосредственной близости от кластеров

сокой скорости ФС1-зависимого фотовосста-

FA/FB в комплексах ФС1 шпината, выращенного

новления O₂ в тилакоидах и листьях. Авторы

в полевых условиях [72]. Также не обнаруже-

предположили, что некий белок связывается

но модифицированных остатков в непосред-

с ФС1 в условиях короткого дня и облегчает

ственной близости от F_X и PhQ_A [72]. Напро-

диффузию O₂ к месту его фотовосстановле-

тив, были обнаружены два модифицированных

ния, стимулируя генерацию

•-. Также было

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

1292

КОЗУЛЕВА, ИВАНОВ

показано, что субъединица PsaE, которая вме-

дуктивного транспорта электронов. Величины

сте с субъединицами PsaC и PsaD образует

E_m пластоцианина и цитохрома c₆, доноров

докинг-сайт для Фд, может определять утечку

электронов к ФС1, достаточно высоки, чтобы

электронов к O₂ [78].

не рассматривать их реакцию с O₂, однако Фд

В работе Michelet и Krieger-Liszkay [77]

и компоненты пула PQ даже в современных

было предположено, что гипотетическим бел-

ФЭТЦ обладают достаточно низкими потен-

ком, регулирующим фотовосстановление O₂

циалами для генерации

•-, что наблюдается

в ФС1, может быть также ФНР. Было пока-

экспериментально (см. выше).

зано, что ФНР и ФС1, выделенные из C. rein-

Конечный продукт световых стадий фото-

hardtii, взаимодействуют друг с другом в сте-

синтеза, восстановленный Фд, служит доно-

хиометрии 1/1, в частности с вовлечением

ром электронов не только для восстановле-

субъединицы PsaE [79], и авторы предполо-

ния NADP⁺, но и для других метаболических

жили, что ФНР может функционировать как

путей в хлоропласте [87]. Для реализации этих

субъединица ФС1. Связывание ФНР с ФС1

путей восстановленный Фд должен диффунди-

через субъединицу PsaE было также показано

ровать в строме хлоропласта. Очевидно, это тре-

для ячменя [80]. У высших растений основны-

бует низкой эффективности реакции Фд с O₂.

ми белками, связывающими ФНР, являются

У современных фототрофов с оксигенным ти-

TROL и Tic62 [81, 82]. Однако в случае нару-

пом фотосинтеза простетической группой Фд

шения взаимодействия с Tic62 и TROL ФНР

служит кластер Fe₂-S₂, который достаточно

может взаимодействовать с альтернативными

глубоко погружен в белок. В современных

более слабыми сайтами связывания на тила-

фототрофах с аноксигенным фотосинтезом,

коидной мембране, в том числе и с ФС1 [60].

имеющих реакционные центры I-го типа, роль

Возможно, что присоединение ФНР к ФС1 мо-

акцептора электронов выполняет Фд с двумя

жет влиять на диффузию O₂ к кофакторам ФС1

кластерами Fe₄-S₄, один из которых распо-

и/или инициировать перераспределение путей

ложен практически на поверхности белка [83],

восстановления O₂ внутри ФС1.

вследствие чего он доступен для молекул O₂.

Предполагается [83, 84], что погружение клас-

тера вглубь белка ограничивает доступ к нему

ЭВОЛЮЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ

молекул O₂ и уменьшает вероятность пере-

носа электрона на O₂. Таким образом, замена

Эффективный перенос электронов от ком-

дикластерного Fe₄-S₄ Фд на монокластерный

понентов ФЭТЦ к O₂ приводит к избыточному

Fe₂-S₂ Фд с относительно глубоко погружен-

образованию таких АФК, как

•-, H₂O₂, -HO^•,

ным в белок кластером при эволюции фото-

а также уменьшает квантовый выход световых

трофов могла быть вызвана адаптацией к

реакций фотосинтеза. ФЭТЦ оксигенных фо-

функционированию в присутствии O₂.

тотрофов в современном виде сформировалась

В современной ФЭТЦ дикластерный Фд

в условиях постоянной продукции O₂ на свету.

сохранился в виде субъединицы PsaC, которая

Логично предполагать, что минимизация ре-

несет 2 Fe₄-S₄-кластера, являющихся кофакто-

акций компонентов ФЭТЦ с O₂ была одним из

рами ФС1 - промежуточный F_A и терминаль-

направлений эволюции фотосинтетического

ный F_B, который восстанавливает мобильный

аппарата. Эволюция различных фотосинтети-

монокластерный Фд. Быстрый отток электро-

ческих комплексов в контексте возникнове-

нов от F_B к O₂ нежелателен, поскольку может

ния кислородной атмосферы была предметом

снижать эффективность восстановления Фд,

нескольких недавних обзоров [6, 83-86], в

которая зависит от диффузионного обмена

которых много внимания уделяется уменьше-

восстановленного Фд на окисленный на акцеп-

нию вероятности образования синглетного

торной стороне ФС1. Более высокий E_m (F_A/F₋)

кислорода (¹O₂), что, несомненно, было одним

по сравнению с таковым для F_B обеспечива-

из направлений в эволюции фотосинтетиче-

ет более долгое время пребывания электрона

ского аппарата. В этом обзоре мы рассмотрим

на F_A, чем на F_B [88, 89]. Таким образом, инвер-

изменения, которые могли происходить в фо-

сия редокс-потенциалов F_A и F_B может быть

тосинтетическом аппарате для минимизации

эволюционной адаптацией для минимизации

непродуктивной утечки электронов к O₂ и из-

восстановления O₂ кофактором F_B в отсут-

лишнего образования

•-.

ствие Фд [83, 84]. Кофактор F_A погружен в бе-

На наш взгляд, эволюционные изменения

лок и находится в области с достаточной низ-

должны были затронуть в первую очередь пулы

кой диэлектрической проницаемостью

[90].

мобильных переносчиков, поскольку их вос-

Повышение его E_m также уменьшило термоди-

становленное состояние необходимо для про-

намическую вероятность его реакции с O₂.

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

ВОССТАНОВЛЕНИЕ КИСЛОРОДА В ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

1293

В энергопреобразующих мембранах самых

ство ФНР к Фд может быть близким [94].

первых организмов в качестве липораство-

Высокая каталитическая активность дости-

римого мобильного переносчика протонов и

гается за счет конформационных изменений,

электронов, по всей видимости, функциони-

вызванных связыванием NADP⁺, которые зна-

ровал менахинон, который и по сей день при-

чительно облегчают как окисление Фд [95],

сутствует у ряда анаэробных фототрофов [91].

так и диссоциацию окисленных молекул Фд

Потенциалы редокс-пар (Q/Q•-) и (Q/QH₂)

из комплекса с ФНР [96]. Такое повышение

менахинона примерно на 100 и 180 мВ ниже,

каталитической активности ФНР, по-види-

чем соответствующих пар PQ, т.е. восстанов-

мому, понижает вероятность как окисления

ленные формы менахинона значительно легче

семихинонной формы ФАД кислородом, так

окисляются O₂, нежели формы PQ. Поэтому в

и образования комплекса Фд/ФНР^- в отсут-

присутствии O₂ менахиноны ниже по эффек-

ствие NADP⁺.

тивности в качестве переносчиков электронов

PQ•- образуется при однократном вос-

от реакционных центров II-го типа к цито-

становлении PQ в Q_B-сайте ФС2 и Q_R-сайте

хромным комплексам bc-типа, чем такие вы-

b₆ f-комплекса. По всей видимости, в сайте Q_B

сокопотенциальные хиноны, как PQ или уби-

ФС2 проблема уменьшения утечки электронов

хинон. Таким образом, эволюционная замена

на молекулы O₂ решается на термодинамиче-

в мембранах организмов с оксигенным типом

ском уровне за счет высокого E_m (Q_B/

•-) -

фотосинтеза менахинона на PQ, хинон с более

+90 мВ [33], вследствие чего реакция

•- с O₂

положительной величиной E_m, представляется

термодинамически невыгодна даже в водной

важным этапом оптимизации фотосинтетиче-

фазе. В Q_R-сайте b₆ f-комплекса не показано

ского аппарата к условиям кислородной атмо-

образование PQ•-, хотя появление семихи-

сферы.

нона было зарегистрировано в аналогичном

Однако PQ•- обладает E_m, позволяющим

сайте bc₁-комплексов пурпурных бактерий [97,

восстанавливать молекулы O₂ с образованием

98]. Одним из ключевых отличий bc₁- и b₆ f-

•- в водной среде (см. выше), хотя и с не-

комплексов является наличие в цитохроме b₆

большими скоростями. Семихиноны вообще

последнего еще одного гема - ковалентно свя-

кинетически эффективно реагируют с моле-

занного гема c_n. Предполагается, что в рамках

кулами O₂ [10]. В ФЭТЦ есть несколько участ-

функционирования Q-цикла, в Q_R-сайте b₆ f-

ков, где PQ последовательно восстанавлива-

комплекса первый из двух электронов, необхо-

ется до PQH₂ и где PQH₂ окисляется до PQ с

димых для восстановления PQ, переносится от

образованием промежуточной семихинонной

высокопотенциального гема цитохрома b₆ (b6H)

формы. Помимо PQ•-, семихинонная форма

на гем c_n [99], а с гема c_n электрон переносится

изоаллоксазиновой части молекулы ФАД про-

к молекуле PQ только одновременно с пере-

межуточно образуется в ФНР при последова-

носом второго электрона от гема b_6H [7]. Такой

тельном окислении двух молекул Фд и при вос-

механизм минимизирует время жизни PQ•- в

становлении молекулы NADP⁺. Эффективное

Q_R-сайте и, соответственно, уменьшает веро-

окисление кислородом семихинонных форм

ятность его реакции с O₂.

этих кофакторов в момент, когда они должны

В Q_O-сайте b₆ f-комплекса происходит

получить или отдать второй электрон, могло

последовательное окисление PQH₂ до PQ,

бы нарушать нормальный перенос электрона.

как считается, по концертному механизму,

Поэтому следующая глобальная тенденция

т.е. следующими друг за другом актами пере-

при адаптации фотосинтетического аппарата к

носа электрона к Fe₂-S₂-центру Риске и к

функционированию в присутствии O₂, на наш

низкопотенциальному гему b_6L. Эффектив-

взгляд, заключалась в предотвращении реак-

ное функционирование Q-цикла обеспечи-

ций с O₂ промежуточных семихинонных форм

вает эффективный отток электронов от PQ•-

компонентов ФЭТЦ в процессе их двукратного

в Q_O-сайте по низкопотенциальной ветви

восстановления или окисления.

кофакторов b₆ f-комплекса. Однако если в

Семихинонная форма ФАД реагирует с O₂

пуле PQ мало окисленных молекул PQ или

с высокой эффективностью [92]. Возможный

в b₆ f-комплексе гем b_6L уже восстановлен,

механизм для предотвращения окисления се-

то может происходить обратный перенос

михинонной формы ФАД кислородом рассмот-

электрона с гема b_6L (E_m (b_6L/b_6L-) = -150 мВ)

рен в обзоре Pierella Karlusich и Carrillo [85].

на PQ•- (E_m (PQ•-/PQH₂) = + 480 мВ) [7], что

Отмечено, что ФНР фототрофов с оксиген-

уменьшает вероятность реакции с O₂ и гема b_6L,

ным типом фотосинтеза обладает на 2 порядка

и PQ•- в Q_O-сайте. Нарушение концертного

большей каталитической активностью, чем

окисления может происходить и в условиях фо-

ФНР анаэробных организмов [93], хотя срод-

тосинтетического контроля, когда замедляется

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

294

КОЗУЛЕВА, ИВАНОВ

выход протонов из Q_O-сайта в люмен, и PQH^•

фитина вследствие переноса электронов к Q_A

не может депротонироваться аминокислот-

(200-500 пс) и рекомбинации восстановлен-

ным остатком Glu78 субъединицы IV, который

ного феофитина с P680⁺ (4-30 нс), по всей ви-

остается в протонированном состоянии, как

димости, значительно уменьшает вероятность

это было предположено недавно [100]. По-

реакции этого кофактора с O₂.

скольку E_m (PQ/PQH^•) выше, чем (PQ/PQ•-),

В реакционных центрах I-го типа совре-

утечка электронов от протонированного плас-

менных анаэробных организмов нет прочно-

тосемихинона к O₂ менее вероятна. Мы пред-

связанных хинонов [104-106] и, в частности,

полагаем, что замедление отвода протонов из

у гелиобактерий менахиноны функциониру-

Q_O-сайта и увеличение времени жизни PQH^•

ют как мобильный липорастворимый акцеп-

путем поддержания Glu78 в протонирован-

тор электронов, альтернативный Фд

[107].

ном состоянии представляет собой важный

Наличие двух пулов акцепторов может быть

механизм предотвращения реакции PQ•- с O₂

выгодным с точки зрения эффективности

в Q_O-сайте.

фотосинтетических реакций и защиты фото-

Следствием замены свободного менахино-

синтетического аппарата от избыточной осве-

на мембранного пула на более высокопотен-

щенности. В ФС1, реакционном центре I-го

циальный хинон стало повышение (пример-

типа, присущем исключительно фототрофам

но на 110-150 мВ) E_m всех прочносвязанных

с оксигенным фотосинтезом, менахинон (а

кофакторов в белках-партнерах мобильного

точнее у большинства организмов его про-

мембранного пула переносчиков - т.е. в реак-

изводное, PhQ) остается прочносвязанным

ционном центре II-го типа и цитохромном

кофактором, который служит как одноэлек-

bc₁-комплексе [101, 102]. Это, в свою очередь,

тронный переносчик, т.е. не восстанавли-

привело к уменьшению вероятности окисле-

вается до гидрохинона [108]. В отличие от

ния этих кофакторов молекулами O₂. По всей

переноса электрона между Q_A и Q_B в ФС2,

видимости, повышения E_m оказалось доста-

стехиометрия которых составляет 1/1, в ФС1

точно для решения проблемы утечки элек-

хиноны двух сайтов A₁ переносят электрон к

тронов к O₂ в цитохромном b₆ f-комплексе.

одному Fe₄-S₄-кластеру кофактора F_X. В усло-

Среди всех его прочносвязанных кофакторов

виях повышенной освещенности и ограни-

гем b_6L обладает самым низким значением

ченного оттока электронов от стромальных

E_m (-150 мВ) [103], что недостаточно для вос-

акцепторов ФС1 может возникать ситуация,

становления O₂ в гидрофобных зонах мембра-

когда железосерные кластеры ФС1 будут пре-

ны. Нахождение электрона на геме c_n должно

имущественно восстановлены, а два сайта A₁

поддерживать эффективный отток электронов

будут конкурировать за один кофактор F_X.

от гема b_6L (см. выше), минимизируя его реак-

В этом случае может возникать риск рекомби-

ции с O₂.

нации зарядов хинонов с P

700

, в том числе по

Однако для ФС2 повышения E_m могло ока-

механизму, приводящему к образованию ³P₇₀₀,

заться недостаточно для минимизации окис-

вследствие чего будет увеличиваться риск ге-

ления ее кофакторов кислородом. Прочно-

нерации ¹O₂ [84]. Окисление PhQ•- молекула-

связанный PQ в сайте Q_A в обычных условиях

ми O₂ в этом случае будет потенциально менее

функционирования восстанавливается только

опасным процессом, уменьшающим перевос-

однократно. Эффективность продуктивного

становление цепи переносчиков и снижаю-

переноса электрона с PQ•- в Q_A-сайте на PQ в

щим риски генерации ¹O₂. Аналогичные про-

Q_B-сайте определяется наличием HCO₋ вблизи

цессы могли бы быть возможны и для Q_A-сайта

негемового железа, присутствие которого по-

в ФС2, однако E_m (PhQ/PhQ•-) гораздо более

нижает E_m (Q_A/Q_A-) с -70 мВ до -145 мВ [31].

отрицательный, чем E_m (PQ/PQ•-), и миними-

Однако показано, что HCO₋ на акцепторной

зировать утечку электронов с PhQ•- к O₂ гораз-

стороне ФС2 блокирует возможный канал, по

до сложнее, чем с PQ•-. При этом сохранение

которому молекулы O₂ диффундируют к сай-

низких величин E_m кофакторов ФС1 необхо-

ту Q_A, и тем самым ограничивается доступ мо-

димо, чтобы восстанавливать такой низкопо-

лекулам O₂ к сайту [15], что уменьшает образо-

тенциальный переносчик электронов, как Фд.

вание

•-.

Кинетический контроль (т.е. быстрый пе-

Феофитин обладает достаточно низким

ренос электрона к следующему в цепи кофак-

E_m (-600 мВ), чтобы восстановить молекулу

тору), вероятно, также не может быть пол-

O₂ даже в гидрофобных частях белка. Однако

ностью реализован в ФС1, где присутствуют

уменьшение непродуктивной утечки электро-

два PhQ, отличающиеся по величине E_m на

нов к O₂ реализовано на кинетическом уровне:

170 мВ [90] и по времени жизни семихинон-

малое время жизни восстановленного фео-

ной формы на 1 порядок [109]. Два PhQ в

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

ВОССТАНОВЛЕНИЕ КИСЛОРОДА В ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

1295

стационарных условиях освещения могут

лированных структур (для ФС2, ФС1, b₆ f-

конкурировать за один кофактор F_X, что по-

комплекса), или в присутствии ингибиторов

вышает вероятность утечки электрона к O₂ с

(для пула PQ), вследствие чего могли быть

более долгоживущего PhQ•- в А-ветви. Огра-

изменены взаимосвязи между компонентами

ничение доступности O₂ к PhQ в A₁-сайтах

ФЭТЦ, а какие-то компоненты, присутствую-

представляется мало реализуемой в эволюци-

щие в целых мембранах, могли отсутствовать.

онном плане стратегией. В отличие от ФС2,

В-третьих, в ряде случаев (ФС2, пул PQ) O₂

в ФС1 отсутствуют каналы, по которым посту-

выступал единственным доступным акцепто-

пают субстраты/отводятся продукты реакций,

ром электронов. Однозначно судить о том, как

а также бикарбонат-ион. В структуре циано-

это повлияло на вероятность генерации

•- в

бактериальной ФС1 промоделированы водные

этих случаях, сложно. Например, присут-

полости, соединяющие A₁-сайты с акцептор-

ствие NADP⁺ уменьшает генерацию

•- вос-

ной стороной [73], по которым предполагается

становленным Фд [53], тогда как присутствие

диффузия не только молекул O₂, но и гораздо

Фд и NADP⁺ не влияет существенно на генера-

большей молекулы - метилвиологена.

цию

•- в ФС1 [20]. Следует также учитывать,

Таким образом, мы предполагаем, что

что для нормировки в таблице использовано

протекание реакции O₂ с PhQ в A₁-сайтах не

относительное содержание отдельных пиг-

могло быть минимизировано в достаточной

мент-белковых комплексов для конкретного

степени, и до сих пор среди всех компонентов

организма (Arabidopsis thaliana) в конкретных

ФЭТЦ наиболее высокие скорости генера-

условиях [24]. Содержание ФС2, b₆ f-комплек-

ции

•- характерны для ФС1 именно за счет

са, ФС1 и относительный размер фотоактив-

присутствия в ней PhQ. В условиях перевос-

ного пула PQ и их соотношение варьируют в

становления цепи, когда интенсивность света

растениях в зависимости от условий окружаю-

превышает возможности метаболической ути-

щей среды [110, 111], и относительный вклад

лизации световой энергии, O₂ оказывается

этих компонентов в образование

•-, очевид-

доступным дополнительным акцептором элек-

но, также может варьировать.

тронов, способным поддерживать электрон-

Несмотря на эти ограничения, сопостав-

ный транспорт, уменьшая перевосстановление

ление скоростей, представленных в таблице,

компонентов ФЭТЦ, провоцирующее фото-

является полезным приближением, помогаю-

ингибирование. Поэтому, вероятно, эволюция

щим комплексно описать восстановление O₂

фотосинтетического аппарата шла в направле-

в ФЭТЦ. Хорошо видно, что вклад ФС2 наи-

нии не просто минимизации переноса элек-

меньший, но и Фд, рассматривавшийся ранее

тронов к O₂, а в направлении регулирования

как основной восстановитель O₂ (см. выше),

этого процесса.

генерирует

•- примерно с такими же скоро-

стями. Следует отметить, что расчет скоростей

для Фд сделан, исходя из предположения, что в

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

хлоропласте восстановленный Фд накаплива-

ется, и поэтому скорости близки к максималь-

Выше были рассмотрены возможные меха-

ным. Пул PQ и цитохромный b₆ f-комплекс

низмы восстановления O₂ до

•- различными

обеспечивают близкий вклад в общее фото-

компонентами ФЭТЦ, а также эволюцион-

восстановление O₂ в хлоропластах. Вклад ФС1

ные преобразования, которые ФЭТЦ могла

зависит от интенсивности света, и при высо-

претерпеть для уменьшения непродуктивной

кой интенсивности ФС1 образует примерно

утечки электронов к O₂. Таблица суммирует

половину всех

•-, генерируемых в данной

имеющиеся в литературе оценки скоростей ге-

модельной ФЭТЦ.

нерации

•- на разных участках ФЭТЦ. В таб-

ФС1 принято считать основным участком

лице также представлены скорости, норми-

восстановления O₂ в ФЭТЦ. На это указывает

рованные на содержание ФС2, что позволяет

ряд косвенных свидетельств, которые, однако,

сравнить потенциальный вклад разных компо-

могут быть интерпретированы и в пользу дру-

нентов в образование

•- в хлоропласте.

гих участков ФЭТЦ, и ряд эксперименталь-

Такое сравнение требует, однако, учета

ных результатов, основанных на применении

условий измерения указанных скоростей.

мутантов или ингибиторов, что также допу-

Во-первых, скорости, представленные в таб-

скает их неоднозначную интерпретацию. Наш

лице, получены с использованием разных

анализ показывает, что ни один компонент

экспериментальных подходов в разных усло-

ФЭТЦ не может генерировать

•- так же эф-

виях и для разных организмов. Во-вторых,

фективно, как ФС1 при высокой интенсивно-

многие скорости были получены или для изо-

сти света. Но из этих данных также очевидно,

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

1296

КОЗУЛЕВА, ИВАНОВ

что компоненты ФЭТЦ без ФС1 суммарно мо-

Финансирование. Работа выполнена при

гут генерировать

•- со скоростью, сопостави-

поддержке Российского научного фонда (грант

мой с таковой в ФС1. Поэтому, хотя представ-

№ 22-24-01074).

ляется целесообразным считать ФС1 местом,

Благодарности.

Авторы

благодарят

где на свету

•- образуется с наибольшими

д.б.н. М.М. Борисову за полезные дискуссии

скоростями, вероятно, не следует рассматри-

при подготовке обзора.

вать ФС1 как основной сайт его генерации при

Конфликт интересов. Авторы заявляют об

всех обстоятельствах.

отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм. Настоящая

Вклад авторов. М.А. Козулева - написание

статья не содержит описания каких-либо ис-

текста; Б.Н. Иванов - редактирование текста

следований с участием людей или животных в

статьи.

качестве объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Mehler, A. H.

(1951) Studies on reactions of

Biochem. Biophys. Res. Commun.,

52,

856-862,

illuminated chloroplasts: I. Mechanism of the

doi: 10.1016/0006-291X(73)91016-4.

reduction of oxygen and other hill reagents,

Asada, K., Kiso, K., and Yoshikawa, K.

(1974)

Arch. Biochem. Biophys., 33, 65-77, doi: 10.1016/

Univalent reduction of molecular oxygen by spinach

0003-9861(51)90082-3.

chloroplasts on illumination, J. Biol. Chem., 249,

Иванов Б., Хоробрых С., Козулева М., Борисова-

2175-2181, doi: 10.1016/S0021-9258(19)42815-9.

Мубаракшина М. (2014) Роль кислорода и его

10.

Wardman, P.

(1990) Bioreductive activation of

активных форм в фотосинтезе, Современные Про-

quinones: redox properties and thiol reactivity,

блемы Фотосинтеза/Под Ред. Аллахвердиева С. И.,

Free

Radic.

Res.

Commun.,

219-229,

Рубина А. Б., Шувалова В. А., Ижевский Институт

doi: 10.3109/10715769009053355.

Компьютерных Исследований, Ижевск-Москва,

11.

Takahashi, M., and Asada, K. (1988) Superoxide

1, 407-460.

production in aprotic interior of chloroplast

Mubarakshina, M. M., and Ivanov, B. N. (2010)

thylakoids, Arch. Biochem. Biophys., 267, 714-722,

The production and scavenging of reactive oxygen

doi: 10.1016/0003-9861(88)90080-X.

species in the plastoquinone pool of chloroplast

12.

Kozuleva, M., Klenina, I., Proskuryakov, I., Kirilyuk, I.,

thylakoid membranes, Physiol. Plant., 140, 103-110,

and Ivanov, B. (2011) Production of superoxide in

doi: 10.1111/j.1399-3054.2010.01391.x.

chloroplast thylakoid membranes: ESR study with

Pospíšil, P.

(2012) Molecular mechanisms of

cyclic hydroxylamines of different lipophilicity,

production and scavenging of reactive oxygen species

FEBS Lett., 585, 1067-1071, doi: 10.1016/j.febslet.

by photosystem II, Biochim. Biophys. Acta, 1817,

2011.03.004.

218-231, doi: 10.1016/j.bbabio.2011.05.017.

13.

Kozuleva, M., Klenina, I., Mysin, I., Kirilyuk, I.,

Kozuleva, M. A., and Ivanov, B. N.

(2016)

Opanasenko, V., Proskuryakov, I., and Ivanov, B.

The mechanisms of oxygen reduction in the terminal

(2015) Quantification of superoxide radical production

reducing segment of the chloroplast photosynthetic

in thylakoid membrane using cyclic hydroxylamines,

electron transport chain, Plant Cell Physiol., 57, 1397-

Free Radic. Biol. Med., 89, 1014-1023, doi: 10.1016/

1404, doi: 10.1093/pcp/pcw035.

j.freeradbiomed.2015.08.016.

Kozuleva, M. A., Ivanov, B. N., Vetoshkina, D. V., and

14.

Kozuleva, M., Goss, T., Twachtmann, M., Rudi, K.,

Borisova-Mubarakshina, M. M. (2020) Minimizing an

Trapka, J., Selinski, J., Ivanov, B., Garapati, P.,

electron flow to molecular oxygen in photosynthetic

Steinhoff, H. J., Hase, T., Scheibe, R., Klare, J. P.,

electron transfer chain: an evolutionary view, Front.

and Hanke, G. T.

(2016) Ferredoxin:NADP(H)

Plant Sci., 11, 211, doi: 10.3389/fpls.2020.00211.

oxidoreductase abundance and location influences

Sarewicz, M., Pintscher, S., Pietras, R., Borek, A.,

redox poise and stress tolerance, Plant Physiol., 172,

Bujnowicz, Ł., Hanke, G., Cramer, W. A., Finazzi, G.,

1480-1493, doi: 10.1104/pp.16.01084.

and Osyczka, A. (2021) Catalytic reactions and energy

15.

Fantuzzi, A., Allgöwer, F., Baker, H., McGuire, G.,

conservation in the cytochrome bc1 and b6 f complexes

Teh, W. K., Gamiz-Hernandez, A. P., Kaila, V. R. I.,

of energy-transducing membranes, Chem. Rev., 121,

and Rutherford, A. W. (2022) Bicarbonate-controlled

2020-2108, doi: 10.1021/acs.chemrev.0c00712.

reduction of oxygen by the QA semiquinone in

Allen, J. F., and Hall, D. O. (1973) Superoxide

Photosystem II in membranes, Proc. Natl. Acad.

reduction as a mechanism of ascorbate-stimu-

Sci. USA,

119, e2116063119, doi:

10.1073/pnas.

lated oxygen uptake by isolated chloroplasts,

2116063119.

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

ВОССТАНОВЛЕНИЕ КИСЛОРОДА В ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

1297

16.

Khorobrykh, S. A., and Ivanov, B. N. (2002) Oxygen

Proc. Natl. Acad. Sci. USA,

118, e2019246118,

reduction in a plastoquinone pool of isolated

doi: 10.1073/pnas.2019246118.

pea thylakoids, Photosynth. Res.,

71,

209-219,

28.

Taylor, R. M., Sallans, L., Frankel, L. K., and Bricker,

doi: 10.1023/A:1015583502345.

T. M. (2018) Natively oxidized amino acid residues in

17.

Ford, R. C., and Evans, M. C. W. (1983) Isolation of

the spinach cytochrome b6 f complex, Photosynth. Res.,

a photosystem 2 preparation from higher plants with

137, 141-151, doi: 10.1007/s11120-018-0485-0.

highly enriched oxygen evolution activity, FEBS Lett.,

29.

Ananyev, G., Renger, G., Wacker, U., and Klimov, V.

160, 159-164, doi: 10.1016/0014-5793(83)80957-0.

(1994) The photoproduction of superoxide radi-

18.

Fan, D.-Y., Hope, A. B., Smith, P. J., Jia, H., Pace,

cals and the superoxide dismutase activity of Photo-

R. J., Anderson, J. M., and Chow, W. S. (2007)

system II. The possible involvement of cytochrome

The stoichiometry of the two photosystems in higher

b559, Photosynth. Res., 41, 327-338, doi: 10.1007/

plants revisited, Biochim. Biophys. Acta Bioenerg.,

BF00019410.

1767, 1064-1072, doi: 10.1016/j.bbabio.2007.06.001.

30.

Cleland, R. E., and Grace, S. C. (1999) Voltammet-

19.

Baniulis, D., Hasan, S. S., Stofleth, J. T., and Cramer,

ric detection of superoxide production by photo-

W. A. (2013) Mechanism of enhanced superoxide

system II, FEBS Lett., 457, 348-352, doi: 10.1016/

production in the cytochrome b6 f complex of oxy-

S0014-5793(99)01067-4.

genic photosynthesis, Biochemistry, 52, 8975-8983,

31.

Brinkert, K., Causmaecker, S. D., Krieger-Liszkay, A.,

doi: 10.1021/bi4013534.

Fantuzzi, A., and Rutherford, A. W. (2016) Bicar-

20.

Kozuleva, M., Petrova, A., Milrad, Y., Semenov, A.,

bonate-induced redox tuning in Photosystem II for

Ivanov, B., Redding, K. E., and Iftach, Y. (2021) Phyl-

regulation and protection, Proc. Natl. Acad. Sci. USA,

loquinone is the principal Mehler reaction site with-

113, 12144-12149, doi: 10.1073/pnas.1608862113.

in photosystem I in high light, Plant Physiol., 186,

32.

Linke, K., and Ho, F. M.

(2014) Water in

1848-1858, doi: 10.1093/plphys/kiab221.

photosystem II: structural, functional and mechanistic

21.

Hosein, B., and Palmer, G. (1983) The kinetics and

considerations, Biochim. Biophys. Acta Bioenerg.,

mechanism of oxidation of reduced spinach ferredoxin

1837, 14-32, doi: 10.1016/j.bbabio.2013.08.003.

by molecular oxygen and its reduced products,

33.

Causmaecker, S. D., Douglass, J. S., Fantuzzi, A.,

Biochim. Biophys. Acta Bioenerg.,

723,

383-390,

Nitschke, W., and Rutherford, A. W. (2019) Energetics

doi: 10.1016/0005-2728(83)90045-2.

of the exchangeable quinone, QB, in Photosystem II,

22.

Golbeck, J., and Radmer, R. (1984) Is the rate of

Proc. Natl. Acad. Sci. USA,

116,

19458-19463,

oxygen uptake by reduced ferredoxin sufficient to

doi: 10.1073/pnas.1910675116.

account for photosystem I-mediated O2 reduction,

34.

Kruk, J., and Strzałka, K. (1999) Dark reoxidation

Adv. Photosynth. Res., 1, 561.

of the plastoquinone-pool is mediated by the

23.

Böhme, H.

(1978) Quantitative determination

low-potential form of cytochrome b-559 in

of ferredoxin, ferredoxin-NADP⁺ reductase and

spinach thylakoids, Photosynth. Res., 62, 273-279,

plastocyanin in spinach chloroplasts, Eur. J. Biochem.,

doi: 10.1023/A:1006374319191.

83, 137-141, doi: 10.1111/j.1432-1033.1978.tb12077.x.

35.

Pospíšil, P., Šnyrychová, I., Kruk, J., Strzałka, K.,

24.

McKenzie, S. D., Ibrahim, I. M., Aryal, U. K., and

and Nauš, J. (2006) Evidence that cytochrome b559 is

Puthiyaveetil, S. (2020) Stoichiometry of protein com-

involved in superoxide production in photosystem II:

plexes in plant photosynthetic membranes, Biochim.

effect of synthetic short-chain plastoquinones in

Biophys. Acta Bioenerg., 1861, 148141, doi: 10.1016/

a cytochrome b559 tobacco mutant, Biochem. J.,

j.bbabio.2019.148141.

397, 321-327, doi: 10.1042/BJ20060068.

25.

Frankel, L. K., Sallans, L., Limbach, P. A., and

36.

Müh, F., and Zouni, A. (2016) Cytochrome b 559 in

Bricker, T. M. (2013) Oxidized amino acid residues in

Photosystem II, in Adv. Photosynth. Respir. Springer,

the vicinity of QA and PheoD1 of the photosystem II

Dordrecht,

41,

143-175, doi:

10.1007/978-94-017-

reaction center: putative generation sites of reducing-

7481-9_8.

side reactive oxygen species, PLoS One, 8, e58042,

37.

Shuvalov, V. A., Schreiber, U., and Heber, U. (1994)

doi: 10.1371/journal.pone.0058042.

Spectral and thermodynamic properties of the two

26.

Kale, R., Hebert, A. E., Frankel, L. K., Sallans, L.,

hemes of the D1D2cytochrome b-559 complex of

Bricker, T. M., and Pospíšil, P. (2017) Amino acid

spinach, FEBS Lett., 337, 226-230, doi: 10.1016/

oxidation of the D1 and D2 proteins by oxygen radicals

0014-5793(94)80196-7.

during photoinhibition of Photosystem II, Proc.

38.

Yadav, D. K., Prasad, A., Kruk, J., and Pospíšil, P.

Natl. Acad. Sci. USA, 114, 2988-2993, doi: 10.1073/

(2014) Evidence for the involvement of loosely bound

pnas.1618922114.

plastosemiquinones in superoxide anion radical

27.

Kumar, A., Prasad, A., Sedlářová, M., Kale, R.,

production in photosystem II, PLoS One, 9, e115466,

Frankel, L. K., Sallans, L., Bricker, T. M., and

doi: 10.1371/journal.pone.0115466.

Pospíšil, P. (2021) Tocopherol controls D1 amino

39.

Khorobrykh, A.

(2019) Hydrogen peroxide and

acid oxidation by oxygen radicals in Photosystem II,

superoxide anion radical photoproduction in PSII

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

1298

КОЗУЛЕВА, ИВАНОВ

preparations at various modifications of the water-

52.

Furbank, R. T., and Badger, M. R. (1983) Oxygen

oxidizing complex, Plants,

329, doi:

10.3390/

exchange associated with electron transport and

plants8090329.

photophosphorylation

spinach

thylakoids,

40.

Mubarakshina, M., Khorobrykh, S., and Ivanov, B.

Biochim. Biophys. Acta Bioenerg.,

723,

400-409,

(2006) Oxygen reduction in chloroplast thylakoids

doi: 10.1016/0005-2728(83)90047-6.

results in production of hydrogen peroxide inside the

53.

Kozuleva, M. A., and Ivanov, B. N. (2010) Evaluation

membrane, Biochim. Biophys. Acta Bioenerg., 1757,

of the participation of ferredoxin in oxygen reduction

1496-1503, doi: 10.1016/j.bbabio.2006.09.004.

in the photosynthetic electron transport chain of

41.

McCauley, S. W., and Melis, A. (1986) Quantitation of

isolated pea thylakoids, Photosynth. Res., 105, 51-61,

plastoquinone photoreduction in spinach chloroplasts,

doi: 10.1007/s11120-010-9565-5.

Photosynth. Res., 8, 3-16, doi: 10.1007/BF00028472.

54.

Asada, K. (1999) The water-water cycle in chloroplasts:

42.

Khorobrykh, S., Mubarakshina, M., and Ivanov, B.

scavenging of active oxygens and dissipation of excess

(2004) Photosystem I is not solely responsible for

photons, Annu. Rev. Plant. Physiol. Plant. Mol. Biol.,

oxygen reduction in isolated thylakoids, Biochim.

50, 601-639, doi: 10.1146/annurev.arplant.50.1.601.

Biophys. Acta Bioenerg., 1657, 164-167, doi: 10.1016/

55.

Asada, K., and Nakano, Y. (1978) Affinity for oxygen

j.bbabio.2004.04.009.

in photoreduction of molecular oxygen and scavenging

43.

Forquer, I., Covian, R., Bowman, M. K., Trumpower,

of hydrogen peroxide in spinach chloroplasts,

B. L., and Kramer, D. M. (2006) Similar transition

Photochem. Photobiol.,

28,

917-920, doi:

10.1111/

states mediate the Q-cycle and superoxide production

j.1751-1097.1978.tb07040.x.

by the cytochrome bc1 complex, J. Biol. Chem.,

56.

Petrova, A., Mamedov, M., Ivanov, B., Semenov, A.,

281, 38459-38465, doi: 10.1074/jbc.M605119200.

and Kozuleva, M. (2018) Effect of artificial redox

44.

Vetoshkina, D. V., Ivanov, B. N., Khorobrykh, S. A.,

mediators on the photoinduced oxygen reduction by

Proskuryakov, I. I., and Borisova-Mubarakshina,

photosystem I complexes, Photosynth. Res., 137, 421-

M. M. (2017) Involvement of the chloroplast plas-

429, doi: 10.1007/s11120-018-0514-z.

toquinone pool in the Mehler reaction, Physiol. Plant.,

57.

Robinson, J. M. (1988) Does O2 photoreduction occur

161, 45-55, doi: 10.1111/ppl.12560.

within chloroplasts in vivo? Physiol. Plant., 72, 666-

45.

Tikhonov, A. N. (2014) The cytochrome b6 f complex

680, doi: 10.1111/j.1399-3054.1988.tb09181.x.

at the crossroad of photosynthetic electron transport

58.

Miyake, C., Schreiber, U., Hormann, H., Sano, S.,

pathways, Plant Physiol. Biochem.,

81,

163-183,

and Asada, K. (1998) The FAD-enzyme monodehy-

doi: 10.1016/j.plaphy.2013.12.011.

droascorbate radical reductase mediates photoproduc-

46.

Kramer, D. M., Crofts, A. R. (1994) Re-examination

tion of superoxide radicals in spinach thylakoid mem-

of the properties and function of the b cytochromes

branes, Plant Cell Physiol., 39, 821-829, doi: 10.1093/

of the thylakoid cytochrome bf complex, Biochim.

oxfordjournals.pcp.a029440.

Biophys. Acta Bioenerg., 1184, 193-201, doi: 10.1016/

59.

Hanke, G. T., Endo, T., Satoh, F., and Hase, T. (2008)

0005-2728(94)90223-2.

Altered photosynthetic electron channelling into cyclic

47.

Sang, M., Qin, X. C., Wang, W. D., Xie, J., Chen,

electron flow and nitrite assimilation in a mutant of

X. B., Wang, K. B., Zhang, J. P., Li, L. B., Kuang,

ferredoxin:NADP(H) reductase, Plant Cell Environ.,

T. Y. (2011) High-light-induced superoxide anion rad-

31, 1017-1028, doi: 10.1111/j.1365-3040.2008.01814.x.

ical formation in cytochrome b6 f complex from spin-

60.

Kramer, M., Rodriguez-Heredia, M., Saccon, F.,

ach as detected by EPR spectroscopy, Photosynthetica,

Mosebach, L., Twachtmann, M., Krieger-Liszkay, A.,

49, 48-54, doi: 10.1007/s11099-011-0008-0.

Duffy, C., Knell, R. J., Finazzi, G., and Hanke, G.

48.

Šnyrychová, I., Pospíšil, P., and Nauš, J.

(2006)

T. (2021) Regulation of photosynthetic electron flow

Reaction pathways involved in the production of

on dark to light transition by ferredoxin:NADP(H)

hydroxyl radicals in thylakoid membrane: EPR spin-

oxidoreductase interactions, ELife,

10, e56088,

trapping study, Photochem. Photobiol. Sci., 5, 472-476,

doi: 10.7554/eLife.56088.

doi: 10.1039/B514394B.

61.

Buchert, F., Mosebach, L., Gäbelein, P., and

49.

Козулева М. А., Найдов И. А., Мубаракшина

Hippler, M. (2020) PGR5 is required for efficient

М. М., Иванов Б. Н. (2007) Участие ферредоксина

Q cycle in the cytochrome b6 f complex during

в восстановлении кислорода в фотосинтетиче-

cyclic electron flow, Biochem. J., 477, 1631-1650,

ской электрон-транспортной цепи, Биофизика,

doi: 10.1042/BCJ20190914.

52, 650-655.

62.

Malone, L. A., Proctor, M. S., Hitchcock, A., Hunter,

50.

Badger, M. R. (1985) Photosynthetic oxygen exchange,

C. N., and Johnson, M. P. (2021) Cytochrome b6 f -

Annu. Rev. Plant. Physiol., 36, 27-53, doi: 10.1146/

orchestrator of photosynthetic electron transfer,

annurev.pp.36.060185.000331.

Biochim. Biophys. Acta Bioenerg.,

1862,

148380,

51.

Allen, J. F. (1975) Oxygen reduction and optimum

doi: 10.1016/j.bbabio.2021.148380.

production of ATP in photosynthesis, Nature, 256,

63.

Kozuleva, M. (2022) Recent advances in the under-

599-600, doi: 10.1038/256599a0.

standing of superoxide anion radical formation in the

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

ВОССТАНОВЛЕНИЕ КИСЛОРОДА В ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

1299

photosynthetic electron transport chain, Acta Physiol.

74.

Ivanov, B. (2000) The competition between meth-

Plant., 44, 92, doi: 10.1007/s11738-022-03428-0.

yl viologen and monodehydroascorbate radical as

64.

Hiyama, T., and Ke, B. (1971) A new photosynthetic

electron acceptors in spinach thylakoids and in-

pigment, “P430”: its possible role as the primary

tact chloroplasts, Free Radic. Res.,

33,

217-227,

electron acceptor of photosystem I, Proc. Natl. Acad.

doi: 10.1080/10715760000301391.

Sci. USA, 68, 1010-1013, doi: 10.1073/pnas.68.5.1010.

75.

Bukhov, N. G., Govindachary, S., Egorova, E. A.,

65.

Козулева М. А., Ветошкина Д. В., Петрова А. А.,

Joly, D., and Carpentier, R. (2003) N,N,N′,N′-tetra-

Борисова М. М., Иванов Б. Н. (2014) Исследо-

methyl-p-phenylenediamine initiates the appearance

вание восстановления кислорода в фотосисте-

of a well-resolved I peak in the kinetics of chloro-

ме 1 высших растений с применением доноров

phyll fluorescence rise in isolated thylakoids, Biochim.

электронов для этой фотосистемы в целых тила-

Biophys. Acta Bioenerg., 1607, 91-96, doi: 10.1016/

коидах, Биол. Мембр., 31, 427-434, doi: 10.7868/

j.bbabio.2003.09.002.

S0233475514060024.

76.

Trubitsin, B. V., Mamedov, M. D., Semenov, A. Yu.,

66.

Khorobrykh, S., and Tyystjärvi, E. (2018) Plastoquinol

and Tikhonov, A. N. (2014) Interaction of ascorbate

generates and scavenges reactive oxygen species in

with photosystem I, Photosynth. Res., 122, 215-231,

organic solvent: potential relevance for thylakoids,

doi: 10.1007/s11120-014-0023-7.

Biochim. Biophys. Acta Bioenerg., 1859, 1119-1131,

77.

Michelet, L., and Krieger-Liszkay, A. (2012) Reactive

doi: 10.1016/j.bbabio.2018.07.003.

oxygen intermediates produced by photosynthetic

67.

Takahashi, M., and Asada, K. (1982) Dependence

electron transport are enhanced in short-day grown

of oxygen affinity for Mehler reaction on photo-

plants, Biochim. Biophys. Acta Bioenerg., 1817, 1306-

chemical activity of chloroplast thylakoids, Plant Cell

1313, doi: 10.1016/j.bbabio.2011.11.014.

Physiol., 23, 1457-1461, doi: 10.1093/oxfordjournals.

78.

Krieger-Liszkay, A., Shimakawa, G., and Sétif, P.

pcp.a076495.

(2020) Role of the two PsaE isoforms on O2 reduction

68.

Kruk, J., Jemioła-Rzemińska, M., Burda, K.,

at photosystem I in Arabidopsis thaliana, Biochim.

Schmid, G. H., and Strzałka, K. (2003) Scavenging of

Biophys. Acta Bioenerg., 1861, 148089, doi: 10.1016/

superoxide generated in photosystem I by plastoquinol

j.bbabio.2019.148089.

and other prenyllipids in thylakoid membranes,

79.

Marco, P., Elman, T., and Yacoby, I. (2019) Binding

Biochemistry, 42, 8501-8505, doi: 10.1021/bi034036q.

of ferredoxin NADP⁺ oxidoreductase (FNR) to plant

69.

Kozuleva, M. A., Petrova, A. A., Mamedov, M. D.,

photosystem I, Biochim. Biophys. Acta Bioenerg., 1860,

Semenov, A. Yu., and Ivanov, B. N. (2014) O2 reduc-

689-698, doi: 10.1016/j.bbabio.2019.07.007.

tion by photosystem I involves phylloquinone under

80.

Andersen, B., Scheller, H. V., and Møller, B. L.

steady-state illumination, FEBS Lett., 588, 4364-4368,

(1992) The PSI-E subunit of photosystem I binds

doi: 10.1016/j.febslet.2014.10.003.

ferredoxin:NADP⁺ oxidoreductase, FEBS Lett., 311,

70.

Semenov, A. Y., Vassiliev, I. R., van der Est, A.,

169-173, doi: 10.1016/0014-5793(92)81391-X.

Mamedov, M. D., Zybailov, B., Shen, G., Stehlik, D.,

81.

Benz, J. P., Stengel, A., Lintala, M., Lee, Y.-H.,

Diner, B. A., Chitnis, P. R., and Golbeck, J. H. (2000)

Weber, A., Philippar, K., Gügel, I. L., Kaieda, S.,

Recruitment of a foreign quinone into the A1 site of

Ikegami, T., Mulo, P., Soll, J., and Bölter, B.

Photosystem I: altered kinetics of electron transfer in

(2009) Arabidopsis Tic62 and ferredoxin-NADP(H)

phylloquinone biosynthetic pathway mutants studied

oxidoreductase form light-regulated complexes that

by time-resolved optical, EPR, and electrometric

are integrated into the chloroplast redox poise, Plant

techniques, J. Biol. Chem.,

275,

23429-23438,

Cell, 21, 3965-3983, doi: 10.1105/tpc.109.069815.

doi: 10.1074/jbc.M000508200.

82.

Jurić, S., Hazler-Pilepić, K., Tomašić, A., Lepeduš, H.,

71.

Santabarbara, S., Bullock, B., Rappaport, F., and

Jeličić, B., Puthiyaveetil, S., Bionda, T., Vojta, L.,

Redding, K. E. (2015) Controlling electron transfer

Allen, J. F., Schleiff, E., and Fulgosi, H. (2009) Teth-

between the two cofactor chains of photosystem I by

ering of ferredoxin:NADP⁺ oxidoreductase to thyla-

the redox state of one of their components, Biophys. J.,

koid membranes is mediated by novel chloroplast

108, 1537-1547, doi: 10.1016/j.bpj.2015.01.009.

protein TROL, Plant J., 60, 783-794, doi: 10.1111/

72.

Kale, R., Sallans, L., Frankel, L. K., and Bricker,

j.1365-313X.2009.03999.x.

T. M. (2020) Natively oxidized amino acid residues

83.

Jagannathan, B., Shen, G., and Golbeck, J. H. (2012)

in the spinach PS I-LHC I supercomplex, Photosynth.

The evolution of type I reaction centers: the response

Res., 143, 263-273, doi: 10.1007/s11120-019-00698-7.

to oxygenic photosynthesis, in Functional Genomics

73.

Milanovsky, G. E., Petrova, A. A., Cherepanov, D. A.,

and Evolution of Photosynthetic Systems, Springer,

and Semenov, A. Yu. (2017) Kinetic modeling of elec-

Dordrecht, pp. 285-316, doi: 10.1007/978-94-007-

tron transfer reactions in photosystem I complexes of

1533-2_12.

various structures with substituted quinone acceptors,

84.

Rutherford, A. W., Osyczka, A., and Rappaport, F.

Photosynth. Res., 133, 185-199, doi: 10.1007/s11120-

(2012) Back-reactions, short-circuits, leaks and other

017-0366-y.

energy wasteful reactions in biological electron

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

300

КОЗУЛЕВА, ИВАНОВ

transfer: Redox tuning to survive life in O2, FEBS Lett.,

and physiological implications, Photosynth. Res., 134,

586, 603-616, doi: 10.1016/j.febslet.2011.12.039.

265-280, doi: 10.1007/s11120-017-0372-0.

85.

Pierella Karlusich, J. J., and Carrillo, N.

(2017)

97. Drachev, L. A., Kaurov, B. S., Mamedov, M. D.,

Evolution of the acceptor side of photosystem I:

Mulkidjanian, A. Y., Semenov, A. Yu, Shinkarev, V. P.,

ferredoxin, flavodoxin, and ferredoxin-NADP⁺

Skulachev, V. P., and Verkgovsky, M. I. (1989) Flash-

oxidoreductase, Photosyn. Res.,

134,

235-250,

induced electrogenic events in the photosynthetic

doi: 10.1007/s11120-017-0338-2.

reaction center and bc1 complexes of Rhodobacter

86.

Orf, G. S., Gisriel, C., and Redding, K. E. (2018)

sphaeroides chromatophores, Biochim. Biophys. Acta,

Evolution of photosynthetic reaction centers: insights

973, 189-197, doi: 10.1016/S0005-2728(89)80421-9.

from the structure of the heliobacterial reaction center,

98. De Vries, S., Berden, J. A., and Slater, E. C. (1980)

Photosynth. Res., 138, 11-37, doi: 10.1007/s11120-

Properties of a semiquinone anion located in the

018-0503-2.

QH2:cytochrome c oxidoreductase segment of the

87.

Hanke, G., and Mulo, P. (2013) Plant type ferredoxins

mitochondrial respiratory chain, FEBS Lett., 122,

and ferredoxin-dependent metabolism, Plant Cell

143-148, doi: 10.1016/0014-5793(80)80422-4.

Environ., 36, 1071-1084, doi: 10.1111/pce.12046.

99. Stroebel, D., Choquet, Y., Popot, J.-L., and Picot, D.

88.

Fischer, N., Sétif, P., and Rochaix, J.-D. (1997) Tar-

(2003) An atypical haem in the cytochrome b6 f

geted mutations in the psaC gene of Chlamydomonas

complex, Nature,

426,

413-418, doi:

10.1038/

reinhardtii: preferential reduction of FB at low tem-

nature02155.

perature is not accompanied by altered electron flow

100. Vilyanen, D., Naydov, I., Ivanov, B., Borisova-

from photosystem I to ferredoxin, Biochemistry, 36,

Mubarakshina, M., and Kozuleva, M. (2022) Inhi-

93-102, doi: 10.1021/bi962244v.

bition of plastoquinol oxidation at the cytochrome

89.

Shinkarev, V. P., Vassiliev, I. R., and Golbeck,

b6 f complex by dinitrophenyl ether of iodonitrothy-

J. H. (2000) A kinetic assessment of the sequence of

mol (DNP-INT) depends on irradiance and H⁺ up-

electron transfer from F(X) to F(A) and further to

take by thylakoid membranes, Biochim. Biophys.

F(B) in photosystem I: the value of the equilibrium

Acta Bioenerg., 1863, 148506, doi: 10.1016/j.bbabio.

constant between F(X) and F(A), Biophys. J., 78, 363-

2021.148506.

372, doi: 10.1016/S0006-3495(00)76599-4.

101. Schoepp-Cothenet, B., Lieutaud, C., Baymann, F.,

90.

Ptushenko, V. V., Cherepanov, D. A., Krishtalik,

Verméglio, A., Friedrich, T., Kramer, D. M., and

L. I., and Semenov, A. Y. (2008) Semi-continuum

Nitschke, W. (2009) Menaquinone as pool quinone in

electrostatic calculations of redox potentials in pho-

a purple bacterium, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 106,

tosystem I, Photosynth. Res., 97, 55-74, doi: 10.1007/

8549-8554, doi: 10.1073/pnas.0813173106.

s11120-008-9309-y.

102. Bergdoll, L., ten Brink, F., Nitschke, W., Picot, D.,

91.

Schoepp-Cothenet, B., van Lis, R., Atteia, A.,

and Baymann, F. (2016) From low- to high-potential

Baymann, F., Capowiez, L., Ducluzeau, A.-L.,

bioenergetic chains: thermodynamic constraints of

Duval, S., Brink, F., Russell, M. J., and Nitschke, W.

Q-cycle function, Biochim. Biophys. Acta Bioenerg.,

(2013) On the universal core of bioenergetics, Biochim.

1857, 1569-1579, doi: 10.1016/j.bbabio.2016.06.006.

Biophys. Acta Bioenerg., 1827, 79-93, doi: 10.1016/

103. Alric, J., Pierre, Y., Picot, D., Lavergne, J.,

j.bbabio.2012.09.005.

and Rappaport, F.

(2005) Spectral and redox

92.

Massey, V. (1994) Activation of molecular oxygen by

characterization of the heme ci of the cytochrome

flavins and flavoproteins, J. Biol. Chem., 269, 22459-

bf complex, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 15860-

22462, doi: 10.1016/S0021-9258(17)31664-2.

15865, doi: 10.1073/pnas.0508102102.

93.

Ceccarelli, E. A., Arakaki, A. K., Cortez, N., and

104. Gisriel, C., Sarrou, I., Ferlez, B., Golbeck, J. H.,

Carrillo, N. (2004) Functional plasticity and catalytic

Redding, K. E., and Fromme, R. (2017) Structure

efficiency in plant and bacterial ferredoxin-NADP(H)

of a symmetric photosynthetic reaction center-

reductases, Biochim. Biophys. Acta Proteins Proteomics,

photosystem, Science, 357, 1021-1025, doi: 10.1126/

1698, 155-165, doi: 10.1016/j.bbapap.2003.12.005.

science.aan5611.

94.

Carrillo, N., and Ceccarelli, E. A. (2003) Open

105. He, Z., Ferlez, B., Kurashov, V., Tank, M., Golbeck,

questions in ferredoxin-NADP⁺ reductase catalytic

J. H., and Bryant, D. A. (2019) Reaction centers of

mechanism, Eur. J. Biochem.,

270,

1900-1915,

the thermophilic microaerophile, Chloracidobacterium

doi: 10.1046/j.1432-1033.2003.03566.x.

thermophilum (Acidobacteria) I: biochemical and

95.

Batie, C. J., and Kamin, H. (1984) Ferredoxin:NADP⁺

biophysical characterization, Photosynth. Res., 142,

oxidoreductase. Equilibria in binary and ternary

87-103, doi: 10.1007/s11120-019-00650-9.

complexes with NADP⁺ and ferredoxin, J. Biol. Chem.,

106. Su, X., Ma, J., Pan, X., Zhao, X., Chang, W., Liu, Z.,

259, 8832-8839, doi: 10.1016/S0021-9258(17)47229-2.

Zhang, X., and Li, M. (2019) Antenna arrangement

96.

Mulo, P., and Medina, M.

(2017) Interaction

and energy transfer pathways of a green algal

and electron transfer between ferredoxin-NADP⁺

photosystem-I-LHCI supercomplex, Nat. Plants, 5,

oxidoreductase and its partners: structural, functional,

273-281, doi: 10.1038/s41477-019-0380-5.

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023

ВОССТАНОВЛЕНИЕ КИСЛОРОДА В ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

1301

107. Kashey, T. S., Luu, D. D., Cowgill, J. C., Baker,

Proc. Natl. Acad. Sci. USA,

98,

4437-4442,

P. L., and Redding, K. E. (2018) Light-driven quinone

doi: 10.1073/pnas.081078898.

reduction in heliobacterial membranes, Photosynth.

110. Ksas, B., Alric, J., Caffarri, S., and Havaux, M.

Res., 138, 1-9, doi: 10.1007/s11120-018-0496-x.

(2022) Plastoquinone homeostasis in plant acclima-

108. McConnell, M. D., Cowgill, J. B., Baker, P. L., Rap-

tion to light intensity, Photosynth. Res., 152, 43-54,

paport, F., and Redding, K. E. (2011) Double reduc-

doi: 10.1007/s11120-021-00889-1.

tion of plastoquinone to plastoquinol in photosystem 1,

111. Suslichenko, I. S., and Tikhonov, A. N.

(2019)

Biochemistry, 50, 11034-11046, doi: 10.1021/bi201131r.

Photo-reducible plastoquinone pools in chloro-

109. Guergova-Kuras, M., Boudreaux, B., Joliot, A.,

plasts of Tradescentia plants acclimated to high and

Joliot, P., and Redding, K. (2001) Evidence for two

low light, FEBS Lett., 593, 788-798, doi: 10.1002/

active branches for electron transfer in photosystem I,

1873-3468.13366.

SUPEROXIDE ANION RADICAL GENERATION

IN PHOTOSYNTHETIC ELECTRON TRANSPORT CHAIN

Review

M. A. Kozuleva* and B. N. Ivanov

Institute of Basic Biological Problems,

Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences,

142290 Pushchino, Moscow Region, Russia; e-mail: kozuleva@gmail.com

The review analyzes the data available in the literature on the rates, characteristics and mechanisms of oxy-

gen reduction to a superoxide anion radical at the sites of the photosynthetic electron transport chain where

this reduction can occur. The existing assumptions about the role of the components of these sites in this

process are critically examined, with use of thermodynamic approaches and the results of recent studies.

The process of O2 reduction at the acceptor side of PSI, which is considered the main place of this process in

the photosynthetic chain, is described in detail. The evolution of the photosynthetic apparatus in the con-

text of controlling the leakage of electrons to O2 is considered. The reasons limiting the application of the

results obtained with isolated segments of the photosynthetic chain to estimate the rates of O2 reduction at

the corresponding sites in the intact thylakoid membrane are discussed.

Keywords: photosynthesis, photosynthetic electron transport chain, oxygen reduction, superoxide radical

БИОХИМИЯ том 88 вып. 8 2023