Взаимодействие катионов тербия с донорной стороной фотосистемы 2 высших растений

Фотосистема 2 (ФС2) высших растений осуществляет фотоиндуцированное окисление воды и выделение в атмосферу молекулярного кислорода в качестве побочного продукта этой реакции. Кислород-выделяющий комплекс (КВК) расположен на донорной стороне ФС2 и содержит Мп₄Са0₅-кластер, катализирующий окисление воды. Кофактором этой реакции является катион Са²⁺. По некоторым физико-химическим свойствам (ионный радиус, координационное число) к ионам Ca2+ близки ионы лантаноидов, и в кальций-связывающих белках возможно замещение Ca²⁺ на эти катионы. Отдельные представители данной группы катионов могут связываться и с Са-связывающим участком ФС₂. Нами было исследовано взаимодействие с донорной стороной ФС2 одного из наименее изученных лантаноидов — тербия. Результаты проведенных экспериментов показали, что инкубация нативных препаратов ФС2 с катионами Tb3+ приводит к необратимому ингибированию функции выделения кислорода (на »75% при 2 мМ Tb³⁺). При этом электронный транспорт к переносчикам на акцепторной стороне ФС2 в значительной степени сохраняется. Добавление в среду инкубации 30 мМ Са²⁺ уменьшает ингибирующий эффект тербия примерно вдвое. Полученные результаты хорошо соотносятся с данными измерений кинетики индукции флуоресценции в препаратах ФС2 в присутствии экзогенного Са²⁺ и Tb³⁺, а также позволяют предположить, что катионы тербия вытесняют Са²⁺ из КВК. В результате замещения катиона кальция катионом тербия в каталитическом центре окисление воды происходит не до молекулярного кислорода, а до пероксида водорода, как это было показано нами ранее для ФС2 без Са²⁺ в КВК.

1. Umena Y., Kawakami K, Shen J.-R., Kamiya N. Crystal structure of oxygen evolving photosystem II at a resolution of 1.9 Е // Nature. 2011. Vol. 473. N 7345. P. 55-60.

2. Yocum C.F. Calcium activation of photosynthetic water oxidation // Biochim. Biophys. Acta. 1991. Vol. 1059. N 1. P. 1-15.

3. Shamsipur M, Pashabadi A. Latest advances in PSII features and mechanism of water oxidation // Coordin. Chem. Rev. 2018. Vol. 374. P. 153-172.

4. McEvoy J.P., Brudvig G.W. Water-splitting chemistry of photosystem II // Chem. Rev. 2006. Vol. 106. N 11. P. 4455-4483.

5. Yocum C.F. The calcium and chloride requirements of the O2 evolving complex // Coordin. Chem. Rev. 2008. Vol. 252. N 3-4. P. 296-305.

6. Wang L, Zhou Q, Huang X. Photosynthetic responses to heavy metal terbium stress in horseradish leaves // Chemosphere. 2009. Vol. 77. N 7. P. 1019— 1025.

7. Ono T. Effects of lanthanide substitution at Ca2+-site on the properties of the oxygen evolving center of photosystem II // J. Inorg. Biochem. 2000. Vol. 82. N 1-4. P. 85-91.

8. Popovic R, Carpentier R, Morin L. Determination of fluorescence inductions in a PSII submembrane fraction affected by additives // J. Plant Physiol. 1988. Vol. 132. N 6. P. 754-757.

9. Ghanotakis D.F, Babcock G.T., Yocum C.F. Structure of the oxygen-evolving complex of Photosystem II: calcium and lanthanum compete for sites on the oxidizing side of Photosystem II which control the binding of water-soluble polypeptides and regulate the activity of the manganese complex // Biochim. Biophys. Acta. 1985. Vol. 809. N 2. P. 173-180.

10. Ghanotakis D.F., Babcock G.T., Yocum C.F. Calcium reconstitutes high rates of oxygen evolution in polypeptide depleted photosystem II preparations // FEBS Lett. 1984. Vol. 167. N 1. P. 127-130.

11. Porra R.J., Thompson W.A., Kriedemann P.E. Determination of accurate extinction coefficients and simultaneous equations for assaying chlorophylls a and b extracted with four different solvents: verification of the concentration of chlorophyll standards by atomic absorption spectroscopy // Biochim. Biophys. Acta. 1989. Vol. 975. N 3. P. 384-394.

12. Pospisil P, Dau H. Chlorophyll fluorescence transients of photosystem II membrane particles as a tool for studying photosynthetic oxygen evolution // Photosynth. Res. 2000. Vol. 65. N 1. P. 41-52.

13. Strasser R.J. Govindjee. On the O-J-I-P fluorescence transients in leaves and D1 mutants of Chlamydomonas reinhardtii // Research in photosynthesis. Vol. 2 / Ed. M. Murata. Dordrecht: Kluwer Academic Publ., 1992. P. 29-32.

14. Strasser B.J. Donor side capacity of photosystem II probed by chlorophyll a fluorescence transients // Photosynth. Res. 1997. Vol. 52. N 2. P. 147-155.

15. Semin B.K., Seibert M. Substituting Fe for two of the four Mn ions in photosystem II - effects on water-oxidation // J. Bioenerg. Biomembr. 2016. Vol. 48. N 3. P. 227-240.

16. Johnson G.N., Rutherford A.W., Krieger A. A change in the midpoint potential of the quinone QA in photosystem II associated with photoactivation of oxygen evolution // Biochim. Biophys. Acta. 1995. Vol. 1229. N 2. P. 202-207.

17. Локтюшкин А.В., Ловягина Е.Р., Семин Б.К. Ингибирование электрон-транспортной цепи фотосистемы 2 катионами тербия // Акт. вопр. биол. физ. хим. 2018. Т. 3. № 2. С. 250-255.

18. Semin B.K., Davletshina L.N., Ivanov 1.1., Rubin A.B., Seibert M. Decoupling of the processes of molecular oxygen synthesis and electron transport in Ca2+-depleted PSII membranes // Photosynth. Res. 2008. Vol. 98. N 1-3. P. 235-249.

19. Lovyagina E.R., Semin B.K. Mechanism of inhibition and decoupling of oxygen evolution from electron transfer in photosystem II by fluoride, ammonia and acetate // J. Photochem. Photobiol. B. 2016. Vol. 158. P. 145-153.

20. Pospisil Р, Dau Н. Valinomycin sensitivity proves that light-induced thylakoid voltages result in millisecond phase of chlorophyll fluorescence transients // Biochim. Biophys. Acta. 2002. Vol. 1554. N 1-2. P. 94-100.

21. Semin K, Davletshina L.N., Timofeev K.N., Ivanov 1.1., Rubin A.B., Seibert M. Production of reactive oxygen species in decoupled, Ca2+-depleted PSII and their use in assigning a function to chloride on both sides of PSII // Photosynth. Res. 2013. Vol. 117. N 1-3. P. 385-399.