Фотосистема II

Tyr_z — залишок тирозину білка D₁ (Tyr-161). Це проміжний переносник електронів, що переносить електрони між марганцевим кластером і П₆₈₀. Перенесення електронів відбувається з утворенням нейтрального радикала (Tyr_z•)[10].

${\displaystyle {\mathsf {Tyr_{z}+P_{680}^{+}\rightarrow Tyr_{z}\cdot +~P_{680}}}}$

П₆₈₀, в англійській літературі P680 (від англ. pigment — пігмент) — це пара хлорофілів a, з максимумом поглинання при довжині хвилі в 680 нм. Поглинаючи енергію світла, вона віддає один електрон на феофітин, а сама окиснюється і стає сильним окиснювачем П₆₈₀⁺ з окисно-відновним потенціалом +1,12 В[15], що дозволяє їй індукувати процес окиснення води, потенціал якої +0,8 В. Тим же часом редокс-потенціал фотозбудженого П₆₈₀ перебуває в негативній області (менше -0,6 В). На відміну від спеціальної пари фотосистеми I і пари бактеріофілів у фотосистемі пурпурних бактерій, в П₆₈₀ хлорофіли знаходяться на значно більшій відстані (5,2 Å проти 3,6 Å в П₇₀₀ і 3,5 Å у П₈₇₀), а їх площини дещо нахилені відносно один одного, що значно знижує енергію екситонного сполучення та уповільнює швидкість захоплення енергії світла, що своєю чергою робить повільнішим процес поділу зарядів на парі хлорофілів. Повільна швидкість захоплення енергії дозволяє регулювати рівні збудження в антені ФСII, що захищає реакційний центр від фотоінгібування[16]. Фотосистема II, так само як і реакційний центр пурпурних бактерій, асиметрична, і дві молекули в димері нееквівалентні. Одна молекула хлорофілу а (П₁) утворює водневі зв'язки з амінокислотами білка D₁ за допомогою кетоетрних груп у C₉ і C₁₀ положеннях, а друга молекула хлорофілу а (П₂) утворює лише один водневий зв'язок. Оскільки П₁ утворює більшу кількість водневих зв'язків, його редокс-потенціал вище і електронрушійна сила більша. У момент порушення димера електрон переходить від П₂ до молекули хлорофілу П₁ і утворюється диполь. Через виникнення локального електричного поля відбувається зміна конформації спеціальної пари, що полегшує подальше перенесення електрона на феофітин, а позитивний заряд локалізується на одному з хлорофілів[17].

• Відповідно з наступним рівнянням П₆₈₀ переходить у збуджений стан, поглинаючи квант світла або через перенесення енергії збудження від інших хлорофілів фотосистеми II, в результаті чого один з його електронів переходить з основного підрівня S₀ на перший синглетний підрівень S₁:

${\displaystyle {\mathsf {{\mathit {h\nu }}+P_{680}\rightarrow P_{680\,_{S_{1}}}^{*}}}}$

Феофітин — перший акцептор електронів у фотосистемі II. Саме тут, між феофітином (E_о‘ = –0,53 В) і фотозбудженим пігментом П₆₈₀, відбувається первинне фотохімічне розділення зарядів. Перенесення електрону здійснюється протягом декількох пікосекунд[18].

• Фотозбуджений П₆₈₀^* віддає один електрон феофітину, в результаті чого відбувається поділ зарядів, і утворюється первинна радикальна пара:

${\displaystyle {\mathsf {P_{680\,_{S_{1}}}^{*}+Pheo\rightarrow P_{680}^{+}+Pheo^{-}}}}$

S-цикл; показані стадії зміни валентності атомів марганцю

У ФСII є два сайти зв'язування пластохінон: в одному з них (Q_A·Fe²⁺) постійно знаходиться пов'язаний пластохінон в комплексі з залізом, а другий сайт (Q_B) здатний оборотно зв'язувати вільні пластохінон та мембрани. Обидва пластохінони грають роль вторинних акцепторів електрона, приймаючи його від феофітина. Перенесення електрона між феофітином і пластохіноном відбувається в перші 200 пікосекунд. Спочатку відбувається перенесення електрона від феофетіна і одноелектронне відновлення Q_A, в результаті чого він переходить в форму вільного радикала — семіхінонів а. Амінокислотне оточення сайту Q_A робить його вкрай нестабільним і підвищує його відновну здатність (E_о‘ = –0,13 В), так що він відразу ж передає електрон на Q_B. При цьому Q_A окиснюється і готовий прийняти наступний електрон від феофітина, а Q_B залишається у формі семіхінонів до наступного акту передачі електронів, стабілізований своїм амінокислотним оточенням. Отримавши від Q_A другий електрон, Q_B повністю відновлюється, використовуючи два протона з стромального простору. У формі Q_BH₂ він дисоціює з комплексу ФСII в гідрофобну фазу мембрани і стає компонентом пулу пластохінонів [19].

• Феофітин віддає електрон Q_A з утворенням семіхінонів — радикала:

${\displaystyle {\mathsf {Pheo^{-}+Q_{A}\rightarrow Pheo+Q_{A}\cdot }}}$

• Q _A відновлює Q _B , який теж переходить у стан семіхінонів — радикала:

${\displaystyle {\mathsf {Q_{A}\cdot +~Q_{B}\rightarrow Q_{A}+Q_{B}\cdot }}}$

• Q _B отримує другий електрон від Q_A і завершує своє відновлення, приєднуючи два протона з строми і дифундуючи в ліпідний бішар:

${\displaystyle {\mathsf {Q_{A}\cdot +~Q_{B}\cdot +2H^{+}\rightarrow Q_{A}+H_{2}Q_{B}}}}$

Цитохром b₅₅₉ — гетеродимерний білок, що складається з однієї альфа (PsbE) і однієї бета (PsbF) субодиниці, між якими розташований гем. Цей білок є одним з основних компонентів ядра фотосиcтеми II. Хоча цитохром b ₅₅₉ і не бере участі в основному транспорті електронів, він відіграє найважливішу роль у допоміжному або циклічному транспорті електронів, який дозволяє відновити окиснений П ₆₈₀ при заблокованому потоці електронів від води.

У ФСII виявлені дві форми цитохрому b₅₅₉: високопотенційна (b₅₅₉H E_о‘ = +0,37 В) і низькопотенційна (b₅₅₉L E_о‘ = +0,08 В). Високопотенційна форма протонована, низькопотенційна — депротонована. За певних умов спостерігається взаємоперетворення однієї форми в іншу, тому цитохром b₅₅₉ може здійснювати не тільки циклічний транспорт електронів, а й транспорт протонів у люмен в ході окисно-відновних реакцій[20].

Крім основного, нециклічного потоку електронів, в ході якого відбувається перенесення низькорівневих електронів від води на пул пластохінон, фотосистема II може здійснювати циклічний транспорт електронів усередині самої себе, коли електрон курсує по замкнутому шляху всередині фотосистеми. Такий вид транспорту реалізується в умовах, коли інтенсивність світла перевищує можливості ЕТЛ утилізувати його енергію або при пошкодженні водоокиснюючого комплексу. У ході цього процесу відбувається зворотний перенос електронів від відновленого первинного хінона Q_B на цитохром c₅₅₉, потім на допоміжний хлорофіл Хл_Z, а далі на β-каротин, який відновлює окиснений пігмент П₆₈₀⁺. В екстремальних умовах можливе протікання псевдоциклічного транспорту електронів (перенесення електронів від води на кисень)[16].

П₆₈₀⁺ є найсильнішим окиснювачем і тому представляє серйозну небезпеку для клітини. У нормальних фізіологічних умовах донором електронів для нього є Tyr_Z, проте в екстреному відновленні, наприклад в умовах низької температури, у його відновленні можуть брати участь Tyr_D, Хл_Z і Хл_D, а також β-каротин білка D₁[16]. В результаті відновлення П₆₈₀⁺ β-каротин окиснюється з утворенням каротин-радикала (Car⁺), що поглинає при 950 нм. Відновлення Car⁺ можливо через цитохром b₅₅₉[24].

${\displaystyle {\mathsf {P_{680}^{+}+Car\rightarrow P_{680}+Car^{+}}}}$

Крім участі в циклічному транспорті, у каротиноїдів реакційного центру є й інша функція — здійснювати гасіння триплетного хлорофілу. На D₁ і D₂ білках симетрично розташовані дві молекули β-каротину. На D₁ β-каротин знаходиться у формі всі — транс, тобто всі його зв'язки знаходиться в транс-положенні, в той час як на D₂ β-каротин має одну цис-зв'язок у 15-му положенні. Якщо в результаті фотозбудження утворюється вкрай реакційно-активна триплетна форма одного з хлорофілів пігменту П₆₈₀, β-каротин поглинає частину його надлишкової енергії, переводячи електрон в основний стан. При цьому відбувається спонтанний перехід зв'язку в 15-му положенні з цис — в транс-, а надлишкова енергія триплетного електрона виділяється у вигляді тепла[25].

${\displaystyle {\mathsf {P_{680\,_{T_{1}}}^{*}+Car_{cys}\rightarrow P_{680}+Car_{trans}+Q}}.}$

Ще один механізм захисту від Фотоінгібування — заміна «жертовного» білка D₁. Через високий вміст фотоактивних редокс-агентів і ароматичних амінокислот, а також внаслідок близькості до водоокиснювального комплексу, цей білок дуже нестійкий до дії світла, тому при інтенсивній інсоляції він швидко окиснюється або зазнає процес фотодеструкції. Інтенсивність синтезу D₁ білка становить 50 % від усіх синтезованих в хлоропласті білків, тоді як його частка від білків хлоропласта — 0,1 %. Час напівжиття цього білка всього 30 хвилин.

Процес репарації відбувається за такою схемою. Спочатку відбувається розбирання комплексу ФСII: йдуть білки ВОК, знімаються атоми Mn, від'єднуються CP43 і CP47. Далі відбувається видалення «зіпсованого» білка: «відгризати» виступаючі з мембрани ділянки білка D₁ (працює спеціальна протеаза degP2), а спеціальний білок AtFtsH «виштовхує» його останки з мембрани і протеолітичних розкладає їх. Синтез нового білка D₁ йде в ламел, після чого він зазнає процесинг (віддаляється N-кінцевий метіонін, що залишився треонін ацетилюється, цей треонін може оборотно фосфорильованій). Потім відбувається міграція D₁ в грани: білок пальмітується і в такому вигляді вбудовується в мембрану гран, після чого відбувається зворотна збірка ФСII[26][27].