Фотосисте́ма II (втора́я фотосисте́ма, фотосисте́ма два, ФСІІ), или H2O-пластохиноноксидоредуктаза — первый функциональный комплекс электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) хлоропластов. Он расположен в мембранах тилакоидов растений, водорослей и цианобактерий. Поглощая энергию света в ходе первичных фотохимических реакций, он формирует сильный окислитель — димер хлорофилла a (П680+), который через цепь окислительно-восстановительных реакций способен вызвать окисление воды.
Окисляя воду, фотосистема II поставляет электроны в ЭТЦ хлоропласта, где они используются для восстановления НАДФ+ или циклического фосфорилирования. Помимо этого, окисление воды приводит к образованию протонов и формированию протонного градиента, используемого в дальнейшем для синтеза АТФ. Фотохимическое окисление воды, которое осуществляет фотосистема II, сопровождается выделением молекулярного кислорода. Этот процесс (составная часть фотосинтеза растений) является основным источником кислорода на Земле.
История открытия Реакционный центр ФСII был выделен в 1971 году Л. Верноном. В изучение его структурной организации особый вклад внесли исследования Х. Т. Витта (1962), в которых методом дифференциальной спектрофотометрии был выделен пигмент П680, и лаборатории А. А. Красновского (В. В. Климов, В. А. Шувалов, А. А. Красновский, 1977), в которых методом импульсной спектроскопии был найден первичный акцептор реакционного центра II — феофитин. В течение нескольких десятков лет различные группы исследователей пытались определить пространственную структуру компонентов, составляющих комплекс фотосистемы II. В итоге методом рентгеноструктурного анализа в 2001 году А. Зоуни с коллегами удалось впервые получить пространственную структуру ФСII из цианобактерии Synechococcus elongatus с разрешением 3,8 Å. При этом фермент был в активной форме, то есть ФСII в кристаллической форме расщепляла воду под воздействием света.
Отличия от фотосистемы I Основная функция фотосистемы II — генерация сильного окислителя, который индуцирует процесс окисления воды и перенос её электронов на . Основная функция фотосистемы I — насытить эти низкоуровневые электроны энергией, чтобы с их помощью осуществить восстановление НАДФ+. Поскольку энергия суммарного процесса слишком велика, чтобы осуществить его в рамках одного реакционного центра, в ходе эволюции появились две фотосистемы, которые раздельно осуществляют разные части этой реакции. Их специфические функции и определяют особенности их строения. Так, фотосистема I симметрична, то есть в ней работают две ветви электронного транспорта, что делает его значительно более быстрым, в то время как фотосистема II асимметрична и обладает только одной рабочей ветвью, что замедляет транспорт электронов, но делает его более управляемым. Обе фотосистемы значительно отличаются по строению антенн, дополнительных субъединиц, способов регуляции и положению в мембране. Так, фотосистема I обладает интегральной антенной, хлорофиллы которой расположены непосредственно на главных белках комплекса — А и B, в то время как у фотосистемы II они вынесены на внешние белки CP47 и CP43. По количеству дополнительных малых регуляторных субъединиц ФСII значительно превосходит ФСI, что связано с необходимостью тонкой регуляции процесса окисления воды, который потенциально крайне опасен для клетки. Этим же объясняется неоднородное распределение фотосистем в мембране тилакоида: ФСI располагается преимущественно в области маргинальных, торцевых и мембран, а ФСII практически полностью находится в области спаренных мембран, что обеспечивает клетке дополнительную защиту от продуцируемых ею активных форм кислорода.
Главное отличие фотосистемы II от фотосистемы I — это наличие большого обращённого в люмен домена, который состоит из марганцевого кластера и окружающих его защитных белков. Именно здесь происходит процесс фотохимического окисления воды, сопровождаемый выделением кислорода и протонов.
Структурная организация фотосистемы II
Фотосистема II состоит из следующих белковых субъединиц и кофакторов:
СубъединицыОписание D132 кДа, интегральный коровый белок, несёт три хлорофилла а и один β-каротинD233 кДа, интегральный коровый белок, несёт три хлорофилла а и один β-каротинB(CP47)47 кДа, около 510 аминокислот, связывает 16 молекул хлорофилла и 5 молекулы β-каротина, интегральная антенна ФСII, люминальный домен связывается с марганцевым кластеромC(CP43)43 кДа, около 470 аминокислот, связывает около 13 молекул хлорофилла и 5 молекулы β-каротина, интегральная антенна ФСII, гомологичен B(CP47), менее плотно связан с ядром ФСII, что может играть важную роль при репарации после фотодеструкцииE9 кДа, у высших растений около 81 аминокислоты, α-субъединица 559F4 кДа, у высших растений около 38 аминокислот, β-субъединица цитохрома b559H7,7 кДа, по-видимому, играет роль в регуляции переноса электрона с QA на QB, стабилизирует CP47 и CP43I4,8 кДа, мало различается у разных видов, необходим для сборки и функционирования ФСII, способствует образованию димера фотосистемJ4,2 кДа, важна для сборки ФСII, регулирует поток электронов на пул пластохиноновK4,1 кДа, у всех оксигенных организмов, очень консервативна, образование димера ФСII, стабилизирует ядро фотосистемыL4,3 кДа, необходим для работы сайта Qa, предотвращает возврат электрона с сайта Qb на QaM4,7 кДа, у всех оксигенных организмов, стабилизирует димер ФСIIO27 кДа, защищает ВОК, связывает ион кальцияP20 кДа, нет у цианобактерий, защищает ВОК, регулирует ионное окружениеQ17 кДа, нет у цианобактерий, защищает ВОК, регулирует ионное окружениеR12,8 кДа, играет роль якоря, связывая субъединицу P и стабилизируя еёS22 кДа, отсутствует у цианобактерий, участвует в нефотохимическом тушении ССКIIT(Tc)3,8 кДа, стабилизирует сайт Qa, стабилизирует димерT(Tn)3 кДа, только у растений и водорослей, имеет бисульфидный мостик, находится в люмене, функция неизвестнаU10 кДа, только у цианобактерий, бурых и красных водорослей, расположена в люмене, возможно поставляет ионы кальция и хлора работы ВОК, связывается с ФСII через субъединицу O или VV12,1 кДа только у цианобактерий, бурых и красных водорослей, известна как цитохром c550, несёт гем, оптимизирует работу ВОКW6,1 кДа, только у растений и водорослей, участвует в образовании димера, сборке и репарации ФСIIX4,2 кДа, функция неизвестнаY4,7 кДа, функция неизвестнаZ6,5 кДа, обеспечивает взаимодействие с тримером ССКII ПигментыХлорофилл a 35 молекул в антенной системеХлорофилл a 2 молекулы сопровождающих хлорофиллов (ХлD,ХлZ)Хлорофиллы а и a'специальная пара П680β-каротин 12 молекул Коферменты/КофакторыГем b559Протопорфирин IX, содержащий атом железаФеофитинПервичный акцептор электроновПластохинонМобильный переносчик электроновМарганцевый кластерТакже известен как водоокисляющий комплекс или ВОКFe2+Осуществляет перенос электрона от QA к QBCa2+ион кальцияCl-ион хлораНCO3-гидрокарбонат анион У эукариот большинство малых субъединиц, а также субъединиц, окружающих водоокисляющий комплекс (ВОК) — psbO, psbP, psbQ, psbR, psbS, psbTn, psbW, psbX, psbZ — кодируются в ядре. Там же находятся гены семейства cab, кодирующие белки светособирающего комплекса II (ССКII). Такой способ распределения генов, когда большие коровые субъединицы белка остаются в хлоропласте, а относительно малые субъединицы, выполняющие регуляторные функции, переносятся в ядро, позволяет эукариотической клетке лучше контролировать процесс фотосинтеза и помогает скоординировать работу двух геномов.
Субъединица G была исключена из списка субъединиц фотосистемы II, поскольку было показано, что она кодируется геном ndh, который ответственен за синтез ферредоксин-НАДФ+-редуктазы, а следовательно, не является частью фотосистемы II. Субъединица N, расположенная в том же опероне, что и psbB, как оказалось, не является частью комплекса фотосистемы II, однако находится в мембране тилакоида и осуществляет сборку и организацию её реакционного центра и других субъединиц, входящих в коровый комплекс. Сомнения вызывает и субъединица S, которая отсутствует в суперкомплексе ФСII-ССКII, однако этот вопрос остаётся спорным, поскольку поступают сообщения, что её можно обнаружить в димере ФСII.
За последнее десятилетие было открыто множество дополнительных белков, участвующих в работе фотосистемы II. Так, Psb27 играет важную роль в репарации и организации марганцевого кластера, Psb28 участвует в биогенезе CP47, Psb29 — в биогенезе ФСII у арабидопсиса и Synechocystis, Psb30 широко распространён в геномах фотосинтезирующих организмов и необходим для стабильной работы ФСII, а Psb31 был обнаружен в водоокисляющем комплексе диатомовой водоросли Chaetoceros gracilis. Для некоторых из этих белков было показано, что они связываются со зрелой фотосистемой II или присоединяются к ней на определённых этапах её созревания и сборки, но на данный момент нет убедительных доказательств, позволяющих утверждать, что они являются конститутивной частью этого белкового комплекса. Процесс выделения и исследования малых субъединиц ФСII крайне затруднён по причине их малой молекулярной массы, большой гидрофобности и отсутствия явно выраженной кислотности-основности. По этой, а также по ряду других причин до сих пор не существует единой модели строения фотосистемы II.
Окислительно-восстановительные (редокс-) агенты, участвующие в транспорте электронов, располагаются в центральной части — ядре — комплекса ФСII и связаны с интегральными белками D1 и D2. Они имеют очень высокую степень гомологии друг с другом по первичному аминокислотному составу, а также с L- и M-полипептидами реакционного центра пурпурных бактерий. В отличие от высших растений и водорослей, у которых D1 и D2 представлены только одной копией на геном, у некоторых цианобактерий может иметься несколько копий D1 и D2, по-разному экспрессируемых в зависимости от внешних условий. Белки образуют по пять трансмембранных α-спиралей, аминокислотные остатки которых связывают компоненты реакционного центра ФСII, например, на этих белках организован димер П680. Кроме того, каждый из белков присоединяет ещё по три молекулы хлорофилла a (дополнительные и сопровождающие хлорофиллы), молекулу феофитина а, β-каротин и пластохинон (QA связан с белком D2, а QB — с белком D1). Между QA и QB находится ион двухвалентного железа, в координации которого участвуют оба интегральных белка. Люменальный домен пептида D1 присоединяет четыре иона марганца и формирует марганцевый кластер. Кроме белков D1 и D2, в состав ядра ФСII входят белки CP47 и CP43 (связывают ХлZ и ХлD, расположенные между П680 и феофитинами), которые составляют внутреннюю антенну, а также цитохром b559. Подобно реакционному центру пурпурных бактерий, в фотосистеме II, ввиду её асимметричности, работает только одна ветвь электронного транспорта, расположенная на белке D1. Сущность явления асимметрии заключается в том, что редокс-агенты образуют разное число водородных связей на белках D1 и D2. Это влияет на их окислительно-восстановительный потенциал и делает невозможным прямой транспорт электронов через белок D2.
Оптимизацию работы водоокисляющего комплекса обеспечивают три гидрофильных белка: P, Q и O (O, V и U у цианобактерий). Они составляют периферийный домен фотосистемы II. Эта группа белков, называемая белками водоокисляющего комплекса, располагается на люменальной стороне мембраны вблизи марганцевого кластера и играет структурную, защитную и регуляторную роль в процессе окисления воды. Белок O влияет на состояние марганцевого кластера, а два других белка важны для создания в его области необходимых для окисления воды концентрации ионов кальция и хлора. Хотя подавляющее число белков обоих фотосистем практически полностью состоит из α-спиралей, субъединицы P, Q и O, напротив обогащены β-структурами, что делает их более прочными и устойчивыми к окислению.
Белок ядра фотосистемы I А гомологичен белкам D1+СP43 (молекулярная масса белка А соответствует сумме молекулярных масс белков D1 и СP43) из фотосистемы II, а белок В гомологичен белкам D2+CP47 соответственно.
Tyrz