Президиум Российской академии наук
ПРИСУДИЛ
премию имени А.Н.Баха 2011 года
доктору биологических наук Вячеславу Васильевичу КЛИМОВУ
за цикл работ
«ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ ВОДЫ»
Постановление Президиума РАН от 29.03.2011 № 61
Доктор биологических наук В. В. КЛИМОВ
(Учреждение Российской академии наук
Институт фундаментальных проблем биологии РАН)
ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ ВОДЫ
В.В. Климов окончил в 1968 году кафедру биофизики биолого-почвенного факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, а в 1971 году – аспирантуру той же кафедры под руководством академика А.А. Красновского. С 1971 года – младший научный сотрудник, а с 1979 года – старший научный сотрудник Института фотосинтеза РАН (г. Пущино); в 1983 году организует лабораторию фотосинтетического окисления воды, которой руководит по настоящее время.
В 1973 году защитил кандидатскую, а в 1986 году – докторскую диссертацию на тему «Световые реакции переноса электрона в фотосистеме 2 высших растений и водорослей» в Институте биохимии им. А.Н. Баха АН СССР.
Климов В.В. – известный специалист в исследовании механизма фотосинтеза, автор более 250 оригинальных научных статей. Работы В.В. Климова получили широкое мировое признание, о чём свидетельствует высокий индекс цитирования его работ (свыше 4450), индекс Хирша равен 31. В 1991 году В.В. Климов (в составе творческого коллектива под руководством академика А.А. Красновского) за раскрытие молекулярных механизмов фотобиохимических превращений хлорофиллов в реакционных центрах фотосинтеза удостоен Государственной премии СССР, в 2008 году – почетного звания «Заслуженный деятель науки Российской Федерации».
В.В.Климовым были сформулированы и экспериментально обоснованы принципиально новые представления о механизме преобразования энергии света в кислородвыделяющей фотосистеме растений, в основе которого лежит фоторазделение зарядов между хлорофиллом и феофитином и последующая стабилизация запасаемой энергии, происходящая с участием комплекса железа с пластохиноном и компонентов системы окисления воды. Эти представления стали в настоящее время общепринятыми и вошли в современные обзоры, монографии, учебники и университетские курсы по биохимии и физиологии растений. В.В. Климовым открыто участие феофитина в первичных фотохимических стадиях преобразования энергии света при фотосинтезе (ранее феофитин рассматривался лишь как продукт деградации хлорофилла); установлена рекомбинационная природа переменной флуоресценции хлорофилла растений; в результате оригинальных иcследований по реконструкции водоокисляющего комплекса растений установлены количественный состав и гетерогенность его марганцевого кластера; экспериментально выявлена возможность переключения фотосинтетического окисления воды с четырехэлектронного на двухэлектронный механизм с образованием связанного пероксида водорода.
В последнее десятилетие в работах В.В. Климова было впервые показано, что если СО2 – субстрат для цикла Кальвина, то НСО3- — активный участник фотосинтетического окисления воды. Получены убедительные экспериментальные доказательства необходимости ионов бикарбоната для формирования, стабилизации и функционирования ВОК. Показано, что только в присутствии бикарбоната происходит эффективная «фотосборка» неорганического ядра ВОК, что связано со способностью бикарбоната формировать с ионами Mn легкоокисляемые электронейтральные комплексы: Е0 для пары Mn3+/Mn2+, равный 1,2 В для аквакатиона Mn2+, сдвигается в результате комплексообразования с бикарбонатом до 0,52–0,61 В. Это обеспечивает фотоокисление свободного Mn2+ в ФС-2 до Mn3+, необходимое для построения четырёхядерного марганцевого кластера.
Полученные данные позволили также выдвинуть и экспериментально обосновать гипотезу о ключевой роли Mn-бикарбонатных комплексов в эволюционном переходе от аноксигенного фотосинтеза к оксигенному, согласно которой, легкоокисляемые Mn-бикарбонатные комплексы могли послужить сначала донором электронов для фотохимических реакционных центров аноксигенных бактерий (что недавно было впервые продемонстрировано в работах В.В.Климова с соавторами), а затем – «блоками» для формирования Mn-содержащего фермента, способного окислять воду. Показано также, что бикарбонат необходим для защиты ВОК при термоинактивации, фотоинактивации и в условиях пониженных рН, характерных для люмена.
В работах, проведённых совместно со шведскими учёными, были получены убедительные доказательства о необходимости карбоангидразы (ускоряющей взаимопревращения между НСО3- и СО2), ассоциированной с ФС-2, для стабилизации и оптимального функционирования ВОК у Chlamydomonas reinhardtii, что связано с прямым вовлечением бикарбоната (вместе с карбоангидразой) в процесс фотосинтетического окисления воды в качестве эффективного акцептора протонов (что облегчает термодинамически затруднённый акт окисления воды до О2).
На соискание премии Президиума РАН по биохимии им. А.Н. Баха выдвинут цикл работ В.В.Климова по изучению молекулярного механизма фотосинтетического окисления воды, отраженный в следующих публикациях:
1. Klimov V.V., Baranov S.V. (2001) Bicarbonate requirement for the water-oxidizing complex of photosystem II // Biochimica et Biophysica Acta, 1503, 187-196.
2. Van Rensen J.J.S., Klimov V.V. Bicarbonate interactions. Chapter 14 in: Photosystem II: The Light-Driven Water: Plastoquinone Oxidoreductase (Ed. by T. Wydrzynski and K. Satoh). — Springer, 2005, pp. 329-345.
3. Klimov V.V., Allakhverdiev S.I., Feyziev Ya.M., Baranov S.V. (1995) Bicarbonate requirement for the donor side of photosystem II. // FEBS Letters, 363, 251-255.
4. Klimov V., Baranov S., Allakhverdiev S. (1997) Bicarbonate protects the donor side of photosystem II against photoinhibition and thermoinactivation. // FEBS Letters, 418, 243-246
5. Baranov S.V., Ananyev G.M., Klimov V.V., Dismukes G.C. (2000) Bicarbonate accelerates assembly of the inorganic core of the water oxidizing complex in Mn-depleted photosystem II: A proposed biogeochemical role for atmospheric carbon dioxide in oxygenic photosynthesis. // Biochemistry, 39 , 6060-6065.
6. Baranov S.V., Tyryshkin A.M., Katz D., Dismukes G.C., Ananyev G.M., Klimov V.V. (2004) Bicarbonate is a native cofactor for assembly of the manganese cluster of the photosynthetic water oxidizing complex. Kinetics of reconstitution of O2 evolution by photoactivation. // Biochemistry, 43, 2070-2079.
7. Hillier W., McConnell I., Badger M., Boussac A., Klimov V., Dismukes G., Wydrzynski T. (2006) Quantitative assessment of intrinsic carbonic anhydrase activity and the capacity for bicarbonate oxidation in photosystem II. // Biochemistry, 45, 2094-2102.
8. Shevela D.N., Khorobrykh A.A. and Klimov V.V. (2006) Effect of bicarbonate on the water-oxidizing complex of photosystem II in the negative S-states. // Biochimica et Biophysica Acta, 1757, 253-261.
9. Shevela D., Klimov V., Messinger J. (2007) Interactions of photosystem II with bicarbonate, formate and acetate. // Photosynthesis Research, 94, 247-264.
10. Козлов Ю.Н., Казакова А.А., Климов В.В. (1997) Изменение окислительно-восстановительного потенциала и каталазной активности ионов Mn2+ при образовании Mn-бикарбонатных комплексов. // Биологические мембраны, 14, 93-97.
11. Kozlov Yu.N., Zharmukhamedov S.K., Tikhonov K.G., Dasgupta J., Kazakova A.A., Dismukes G.Ch. and Klimov V.V. (2004) Oxidation potentials and electron donation to photosystem II of manganese complexes containing bicarbonate and carboxylate ligands. // Physical Chemistry Chemical Physics, 6, 9405-9411.
12. Dasgupta J., Tyryshkin A., Kozlov Yu., Klimov V., Dismukes G. (2006) Carbonate complexation of Mn2+ in aqueous phase: redox behavior and ligand binding modes by electrochemistry and EPR spectroscopy. // J. Physical Chemistry B, 110, 5099-5112.
13. Тихонов К.Г., Застрижная О.М., Козлов Ю.Н., Климов В.В. (2006) Состав и каталазоподобная активность марганец(II)-бикарбонатных комплексов. // Биохимия, 71, 1561-1569.
14. Dismukes G.C., Klimov V.V., Baranov S.V., Kozlov Yu.N., Das Gupta J.A., Tyrishkin A. (2001) The origin of atmospheric oxygen on Earth: the innovation of oxygenic photosynthesis. // Proceeding of the National Academy of Sciences of the USA, 98, 2170-2175.
15. Khorobrykh A.A., Terentyev V.V., Zharmukhamedov S.K. and Klimov V.V. (2008) Redox interaction of Mn-bicarbonate complexes with reaction centres of purple bacteria. // Philosophical Transactions of the Royal Society Lond. B Biol. Sci., 363, 1245-1251.
16. Park Y-Il, Karlsson J., Rojdestvenski I., Pronina N., Klimov V.V., Oquist G., Samuelsson G. (1999) Role of a novel photosystem II-associated carbonic anhydrase in photosynthetic carbon assimilation in Chlamydomonas reinhardtii. // FEBS Letters, 444, 102-105.
17. Villarejo A., Shutova T., Moskvin O., Forssen M., Klimov V. and Samuelsson G.A. (2002) Photosystem II-associated carbonic anhydrase regulates the efficiency of photosynthetic oxygen evolution. // The EMBO Journal, 21, 1930-1938.
18. Shutova T., Kenneweg H., Buchta J., Nikitina J., Terentyev V., Chernyshov S., Andersson B., Allakhverdiev S.I., Klimov V.V., Dau H., Junge W. and Samuelsson G. (2008) The photosystem II-associated Cah3 in Chlamydomonas enhances the O2 evolution rate by proton removal. // The EMBO Journal, 27(5), 782-791.
19. Klimov V.V., Allakhverdiev S.I., Shuvalov V.A., Krasnovsky A.A. (1982) Effect of extraction and re-addition of manganese on light reactions of photosystem II preparations. // FEBS Letters, 148, 307-312.
20. Ананьев Г.М., Шафиев М.А., Исаенко Т.В. и Климов В.В. (1988) Фотореактивация марганцем функции выделения кислорода после его полного удаления из препаратов фотосистемы II. // Биофизика, 33, 265-269.
21. Шафиев М.А., Ананьев Г.М., Аллахвердиев С.И., Смолова Т.Н. и Климов В.В. (1988) Реактивация функции выделения кислорода после полного удаления марганца из препаратов фотосистемы II. // Биофизика, 33, 61-65.
22. Han G., Li J., Chen G., Ling L., Li S., Khorobrykh A.A., Zharmukhamedov S.K., Klimov V.V., Kuang T. (2005) Reconstruction of the water-oxidizing complex in manganese-depleted Photosystem II using synthetic manganese complexes. // J. Photochem. Photobiol. B: Biology, 81, 114-120.
23. Li S., Chen G., Han G., Ling L., Huang D., Khorobrykh A.A., Zharmukhamedov S.K., Liu Q., Klimov V.V., Kuang T. (2006) Coordination between manganese and nitrogen within the ligands in the manganese complexes facilitates the reconstitution of the water-oxidizing complex in manganese-depleted photosystem II preparations. // J. Biol. Inorg. Chem., 11, 783-790.
24. Chen G.Y., Han G.Y., Ling L., Huang D.G., Li S.Q., Khorobrykh A.A., Zharmukhamedov S.K., Liu Q.T., Klimov V.V., Kuang T.Y. (2007) Reconstitution of water-oxidizing complex in manganese-depleted photosystem 2 preparations with synthetic manganese complexes. // Photosynthetica, 45, 620-627.
25. Klimov V.V., Ananyev G.M., Zastryzhnaya O.M., Wydrzynski T., Renger G. (1993) Photoproduction of hydrogen peroxide in photosystem II membrane fragments: A comparison of four signals. // Photosynthesis Research, 38, 409-416.
26. Ananyev G.M., Wydrzynski T., Renger G., Klimov V.V. (1992) Transient peroxide formation by the manganese-containing redox-active donor side of Photosystem II upon inhibition of O2 evolution with lauroylcholine chloride. // Biochimica et Biophysica Acta, 1100, 303-311.
27. Ananyev G.M., Renger G., Wacker U., Klimov V.V. (1994) The photoproduction of superoxide radicals and the superoxide dismutase activity of Photosystem II. The possible involvement of cytochrome b559. // Photosynthesis Research, 41, 327-338.
28. Ананьев Г.М. и Климов В.В. (1988) Фотообразование связанной перекиси водорода в субхлоропластных препаратах фотосистемы II. // Доклады АН СССР, 298, 1007-1011.
29. Ананьев Г.М. и Климов В.В. (1989) Исследование фотообразования «связанного» пероксида водорода в донорной части фотосистемы II. // Биохимия, 54, 1587-159