доктор биологических наук В. В. КЛИМОВ
(Институт фундаментальных проблем биологии РАН)
«ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ ВОДЫ»
Фотосинтетическое окисление воды происходит в фотосистеме 2 растений и цианобактерий. Она состоит из двух основных функциональных блоков: 1) фотохимического реакционного центра (РЦ), в котором в результате фоторазделения зарядов формируется сильнейший биологический окислитель (Р680+), и 2) энзиматического Mn-содержащего водоокисляющего комплекса (ВОК). Определение величины окислительно-восстановительного потенциала пары Р680+/Р680 (+1,12 В) показало, что фотосинтетическое окисление воды может идти только по многоэлектронному механизму, и что наряду с четырёхэлектронным не исключён двухэлектронный механизм с образованием связанного пероксида водорода в качестве промежуточного продукта окисления, что было подтверждено экспериментально. Закономерности формирования неорганического ядра ВОК из MnII показали, что оно состоит из четырёх Mn, причём лишь два из них – строго необходимы для реактивации электронного транспорта. По современным представлениям (сформированным на основе данных ЭПР, рентгеновской спектроскопии, рентгеноструктурного анализа), неорганическое ядро ВОК–комплекс Mn4OXCa1. Рассматриваются возможные последовательности (фото)реакций, приводящих к выделению О2 в ВОК. Обнаружено, что бикарбонат – один из ключевых кофакторов фотосинтетического окисления воды, необходимый для формирования, стабилизации и функционирования ВОК. Его действие, вероятно, основано на лигандировании с неорганическим ядром ВОК (что приводит к изменению окислительно-восстановительных свойств ионов Mn) и на способности бикарбоната служить эффективным акцептором протонов, выделяющихся в процессе окисления воды. Выдвинута и экспериментально обоснована гипотеза о ключевой роли Mn-бикарбонатных комплексов в эволюционном переходе от аноксигенного к оксигенному фотосинтезу, согласно которой, в архейский период, когда содержание углекислоты в атмосфере и воде было на несколько порядков выше, чем сейчас, легкоокисляемые Mn-бикарбонатные комплексы могли служить сначала донором электронов для аноксигенных бактерий, а затем «блоками» для формирования Mn-содержащего фермента, способного окислять воду.