Основы молекулярной биологии. Часть 1: Молекулярная биология клетки - А.Н. Огурцов 2011

Молекулярные механизмы фотосинтеза
Водорасщепляющий комплекс фотосистемы ФС2

Примечательно, что структура реакционного центра ФС2 подобна структуре реакционного центра пурпурных бактерий, хотя последние не синтезируют О₂.

Подобно бактериальному реакционному центру реакционный центр ФС2 содержит две молекулы хлорофилла a (P680), еще два хлорофилла (Chl), два феофитина (Pheo), два хинона (Q_A и Q_B) и один атом (негемный) железа (Fe) (рисунок 185).

Все эти малые молекулы связаны в фотосистеме ФС2 с двумя субъединицами D1 и D2, белковая структура которых чрезвычайно схожа со структурой бактериального реакционного центра. Это лишнее свидетельство в пользу их эволюционного родства.

Рисунок 185 - Цепь переноса электронов и расщепление молекул воды в фотосистеме II

Поглощение фотона с длиной волны менее 680 нм, совершенно аналогично тому, как это происходит в фотосинтетических пурпурных бактериях (рисунок 183), приводит к переносу электрона с хлорофилла Р₆₈₀ через феофитин на хинон Q_a, а затем на первичный акцептор электронов Q_B вблизи поверхности мембраны тилакоида, обращенной к строме.

Фотохимически окисленный хлорофилл Р₆₈₀⁺ является самым сильным из известных на сегодняшний день биологическим окислителем.

Восстановительный потенциал Р₆₈₀⁺ превышает аналогичный потенциал молекулы воды, поэтому Р₆₈₀⁺ может окислить воду, образуя при этом О₂ и Н⁺.

А фотосинтезирующие пурпурные бактерии не могут окислить воду, поскольку их возбужденный хлорофилл а⁺ в их реакционном центре не является достаточно сильным окислителем. Именно поэтому пурпурные бактерии используют H₂S и Н₂ в качестве донора электронов для восстановления хлорофилла а⁺ в линейных электронных цепях.

Расщепление Н₂O в ФС2 катализируется трёхбелковым водорасщепляющим комплексом (oxygen-evolving complex) - O₂-центром, - расположенным на люминальной поверхности тилакоидной мембраны.

Водорасщепляющий комплекс содержит четыре иона марганца (Мn), ион хлора (Сl^-) и кальция (Са²⁺). Это один из редких примеров использования элемента марганца в биологических системах.

Для того, чтобы образовалась молекула кислорода O₂, необходимо расщепить две молекулы воды, удалив четыре электрона. Однако поглощение одного фотона фотосистемой приводит к переносу только одного электрона. Экспериментально установлено, что фотосистема ФС2 должна четыре раза подряд поглотить фотон и, следовательно, четыре раза окислить водорасщепляющий комплекс, чтобы образовалась одна молекула O₂. Ион марганца может существовать в пяти различных зарядовых состояниях и в водорасщепляющем комплексе каждый ион марганца циклически принимает эти пять состояний So - S4. В результате такого S-цикла две молекулы Н_2O расщепляются на четыре протона, четыре электрона и формируют одну молекулу O₂.

Электроны переносятся по одному за цикл фотопоглощения по цепочке ионов Мп к аминокислоте тирозин-161 (Y161) на субъединице D1, а оттуда - на реакционный центр Р₆₈₀⁺, восстанавливая хлорофилл. А протоны остаются в люмене, увеличивая протондвижущую силу.