光系统II的放氧复合物：分析第二层膜结构的残留物和氢键网络外文翻译资料

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光系统II的放氧复合物：分析第二层膜结构的残留物和氢键网络

放氧复合物（OEC）是Mn4O5Ca簇嵌入在光系统II（PSII）中的蛋白质复合物。 作为水氧化的场所，OEC与水分子通过管腔连接，并在此氧化过程中传导水，氧气和质子的通道催化循环。 在这些组分中发现了氢键网络通道也有助于稳定氧化中间体，这些氧化中间体的状态被称为S态。 我们回顾了最近通过分子蛋白质突变表征这些网络抑制剂和计算模型的研究进展，并在此基础上得到以下结果，我们发现PSII蛋白区域的变化对S1，S2和S3的氧化态有间接影响，与此同时OEC仍允许光合作用。

地址：耶鲁大学化学系，纽黑文，CT 06520-8107。 通讯作者：Brudvig，Gary W（gary.brudvig@yale.edu）

生物化学的当代观点 2015,25：152-158

该评论来自生物无机化学的主题，由Mi Hee Lim和Yi Lu编辑，有关完整概述，请参阅问题和编辑

2015年1月24日在线提供

http://dx.doi.org/10.1016/j.cbpa.2014.12.040

1367-5931 /＃2015 Elsevier Ltd.保留所有权利

引言

光系统II（PSII）是一种光驱动的水 - 质体醌（PQ）氧化还原酶。 这种大的（700kDa）同型二聚体复合物一般是嵌入在蓝藻，藻类和高等植物的类囊体膜中。 据针对蓝藻的结构研究表明，每种单体都是由17个跨膜亚基和3个外源亚基组成; PsbO，PsbU和PsbV（PsbO，PsbP和PsbP）高等植物中的PsbQ）与腔内PSII结合在表面。 PSII反应中心核心由亚基D1，D2，CP43，CP47和细胞色素b559（a和b子单位）组成。 水氧化的活性部位是产生氧气的放氧复合物（OEC），与此同时质子被释放到腔内。该OEC由Mn4CaO5无机簇结合水和氨基酸侧链而形成。

在PSII中，在光合反应中发生初级电荷分离的中心是叶绿素-a电子供体，P680。 兴奋的状态，P680 *，向质体醌提供一个电子，从而导致主要PQ电子受体QA含量的减少。继而导致次级PQ电子受体QB含量的减少。然后接受两个电子和两个质子，QBH2扩散出其结合区域并被替换由来自膜溶性的氧化分子PQ。 在PSII的供电子方，剩下的P680 空穴由氧化还原活性酪氨酸YZ填充，即YZ的含量随后由OEC减少。

在OEC中，O2是通过四步机制产生的，在激发后产生每种中间体P680。 暗适应的PSII可以经历单次闪光使用短的饱和闪光可见光。 约里奥发现了在第三次闪光后，O2在高产率下产生之后每四次闪光[2]。 使用这些数据，Kok和同事们开发了一个模型，现在称为Kok循环，其中OEC循环通过四个光生成中间体称为S状态[3]。 如图所示图1b中，在S1闪烁的暗适应PSII将在三次闪光后转换为S4。 在它形成后，S4自发释放O2并改变为S0状态。

虽然OEC起作用的化学成分已经收到很多关注，但基质水结合机理和O#39;O键形成尚未得到普遍认同。在这里，我们专注于氢键网络OEC周围的第二层膜结构的蛋白环境有效地将质子和O2输出的活性位点，同时允许水分子进入OEC。结合OEC的天然残基是高效照片组装所必需的。蛋白质突变体研究还表明YZ是D1-Y161与D1-H190共享氢键网络并且结合的。水氧化过程中这些中的任何一个成分都是不可缺少的，或者最好是减少的第一壳残留物发生突变。第二层膜结构的残留也在质子传输和调整属性方面发挥关键作用。在这篇综述中，我们专注于非结合PSII的蛋白质环境在OEC的15A藲以内哪些突变和通道扰动对氢键网络有实质性影响。

PS II中的通道

PSII蛋白结构中的许多充水通道可形成大的氢键网络。PSII晶体结构中的一系列连接空隙被认为是进行水或O2运输的渠道。这个已经通过分子动力学的研究表明了通道不透水，屏障为22千卡/摩尔。这留下了“狭窄”，“宽泛”和“大型”的通道系统作为进水的选择并与OEC复合物连通。窄通道连接到D1-D61和OEC的O4 m-氧代配体具有计算值在D1-界面处进水的9千卡/摩尔屏障。就在此之外屏障，通道到达PsbO处的内腔蓝细菌中的PsbU界面。在D1-D61的另一侧，宽通道通过D1-E65，D1-R334，D2-E312关卡（12千卡/摩尔水屏障），退出D2和PsbO的界面亚基。这个通道假定服务作为质子传出途径。最后，有很多分支的大型通道是一条可能的路线将基质水输送到OEC。计算出的水的活化势为10千卡/摩尔分子发生在D1-附近的通路连接处E329 ，受S状态转换影响的残留物。许多研究引入了点突变或外部抑制剂利用这些渠道来实现，从而改变OEC周围的静电状态或氢键环境。

OEC的结构和协调来自1.9 A°晶体结构的残留物，并针对S1状态计算优化Mn（紫色），Ca（橙色）和O（红色）。 除CP43-Glu354外，所有标记的侧链均来自D1残基。角周期从初始开始时在黑暗中稳定的S1状态，电子（蓝色）和质子（红色）以交替模式释放。 在形成S4状态时释放O2。

水基质交换

O18标记的大量水与基质的交换的OEC水域是一个与水运输有关的氢键网络的直接实验验证材料。 产生一个氧气分子所需的两种基质水基于其相对产生速率被称为快速（Wf）和慢速（Ws）水域。 Wf和Ws水分子都具有反向H / D同位素效果分别为0.73和0.94。 取代H2O在Wf的情况下，D2O强烈扰乱了氢键网络的功能，但几乎不影响Ws，导致了Ws两种基材都被送到OEC复合物的可能性，通过不同的水通道或有多种微观H / D同位素效应，可以不对称地增强或抑制两种水分子的测量同位素效应。

第二层膜周围氨基酸的突变影响OEC中O18水交换速率，突出显示它们在基质水运中的作用。 D1-D61N突变会降低Ws和Wf的速率分别为3和6.5倍。 这是特别的令人惊讶的是因为一些直接配体的突变对于OEC，如D1-D170和D1-E189，其影响较小，这个结果表明氢键网络在水交换动力学中起着重要作用。

来自OEC位于6A藲宽的通道中的氯离子，也决定着基质水交换的速率。用Sr2 取代的PSII中的18O水交换动力学/Br和Sr2 / I代替Ca2 / Cl已经证明了这一点，Wf的交换速度慢1.5倍，Ws是9.5倍在PSII的S3状态下更快。 相反的是，在PSII中仅用Sr2 取代，Ws不受影响汇率增加了3倍。该Sr2 取代水的交换率差异可以归因于Sr2 / Br或Sr2 / I取代的PSII周围的氢键网络的变化与通道中的负离子有关。

（a）OEC周围的充水通道显示在PSII单体的背景下。具有与通道排列的残基的亚基以颜色突出显示：蓝色的D1和D2，绿色的天线蛋白质和紫色的PsbO。以橙色显示的水分子形成“箭头”通道（也称为E / F 或通道2。黄色表面显示对应于所称通道的水网“道路”，D / C / G 或1/3 。红色是分支网络，描述为“大通道系统”，B1 / B2，或4a / 4b 。 （b）1.9A藲晶体结构中的水分子显示为通道的每个彩色网格表面内的球体。如图（a）所示，大通道（红色）还含有在结晶过程中引入的两个甘油分子。蛋白质环境，每个通道周围都有彩色条带（D1：深蓝色，D2：浅蓝色，CP43：浅绿色）

YZ电子转移

D1的氨基酸序列的自然变异已经确定，主要是在表达的蓝细菌中。当在不同条件下生长时，不同的D1同种型。虽然许多替代残留影响光保护和电子转移，有一些OEC复合物附近区域的影响YZ的替代品电子转移和通过角循环的进展。包含T型连接子的psbA2编码的D1蛋白阻碍了S2到S3的转变，由于氢键网络的变化在D1-P173M附近。 D1-的定点S位点突变中的P173G PCC 6803也显示下降电子从YZ转移到P680，只有62％的野生型O2进化。基于D1的点突变集胞藻属中的蛋白质变体PCC 6803表明了这一点D1-F186L突变仅导致野生型的70％O2进化，而D1-P162S没有可观察到的影响。引人注意的是，这两个残基都与D1-Y161相邻，但是只有残基D1-186的主链提供氢与OEC周围的供水网络相连。

S2异构体之间的平衡

S2，一般认为是Mn3 （Mn4 ）3，是最多的可获得的膜表面受体的活性状态，它以两种异构体存在。 S = 1/2自旋状态的特征在于多线G = 2时的EPR信号，而S = 5/2自旋状态则表示广泛的EPR信号存在。正如最近Pokhrel和Brudvig实验检测的那样，围绕OEC的特殊氢键网络的功能强烈影响S2异构体的亲和性与状态。来自高等植物的PSII样品在以蔗糖作为冷冻保护剂的条件下，存在两种异构体，但是对于野生型蓝细菌，只有S = 1/2 S2状态可以观察到。然而，对于Synechocystis中的点突变体SP。 PCC 6803，在突变体中检测到S = 5/2信号D2-K317R ，D1-A344G，D1-A344D和D1-A344N。含有D2-K317R突变的PSII仍然依赖于Cl离子 ，但较低稳态的O2演化活动和较低效的S状态转换。据推测，D2-的存在不仅降低了在大型通道中的质子释放效率，也间接地变化OEC复合物附近的氢键网络的稳定性。 D1-A344的突变体可能更直接地影响OEC环境，作为D1的C-末端连接Ca和Mn2的肽。在经过翻译后进行切割与修饰。改变侧链的A344不太可能改变OEC的结合活性，但会影响周围的氢键网络，这反过来可能影响相对的两种S2异构体。在野生型细菌中不存在S = 5/2 S2异构体的情况尚不清楚，因此我们分析了D1蓝藻，藻类和植物的序列可能导致S2异构体变化的差异点。 在蓝细菌和高等植物之间，氢键网络附近最显着的变化位于D1-87。 天冬酰胺的变化蓝藻和绿藻中的丙氨酸含量较高的植物将改变狭窄的形状和灵活性，同时还去除了氢键合物。 我们假设改变这种氢键网络工作会调节两种S2异构体的相对能量。

（a）图2b中详述的通道系统没有蛋白质环境。在图b-d中，重要的侧链和氢键骨架原子显示在甘草中，蛋白质显示为条带（D1：深蓝色，D2，浅蓝色，CP43：浅绿色，PsbU / PsbV：灰色）。 OEC原子显示为连接的球体，具有Mn（紫色），Ca（橙色）和O（红色）。重要的残留物和水分子是OEC的第一壳配体用粗体标记。透明的红色表面突出显示每个通道的残留物，计算形成屏障水运。 （b）形成宽通道的水分子以黄色网格示出。氯离子的位置1.9A藲晶体结构显示为绿色球。 （c）许多分支联合创建大型通道（红色网格）。两个甘油分子在晶体结构中发现的也包括在通道的网格轮廓内。 （d）狭窄的通道（橙色网格）延伸过去

残留物显示氧化修饰并且可以链接到分子期间发现的另一个水传输通道（通道X，未显示）动力学模拟。

S3状态的形成

因为S1到S2的转变不涉及质子释放，氢键网络的变化在OEC周围不应该造成大的影响，直到S2到S3的转换。 S3状态（Mn4 ）4，最近的特征是多维的EPR与每个Mn中心具有八面体配位[33]。 这意味着其他的配体是在S2到S3过渡期间合并转换五配位Mn（III）至六配位Mn（IV），虽然在Mn1或Mn4处是否发生这种情况仍有待确定。 与该处的OEC变化形成对比的是在状态分辨X射线衍射研究中观察到S1到S2的状态转变，在5.5 A时观察到响应S3形成的蛋白质运动。 蛋白质的重排S3状态必须伴随调整氢键网络因为周围有许多水分子区域，OEC通过氢键稳定到蛋白质骨架上。

质子释放途径

除S1到S2之外的所有S态跃迁都涉及质子的因素，通过pH测定释放到管腔的依赖性，H / D同位素效应和光声光谱学。 S3到S0的转换发生在半衰期为1-2毫秒并且通常被认为是OEC作用的限速步骤。虽然OEC有一个假设的最大周转频率为500秒，经实验观察到的PSII周转率为25-88 O2 s。这是OEC的动力学限制作用速率通常由PQ交换控制，但也可以受到质子释放到腔内的限制。大型的通道被假定为质子释放通路并且由许多氢键结合的残留物。这个充水通道包括D1-N181和D1-V185周围的区域延伸过去到达之前氯离子，D1-D61和D2-K317腔表面上的残留物。计算的pKa沿着通道的残留值增加了管腔的方向，有利于质子运走来自OEC。虽然D1-E65，D1-R334和D2-E312残基形成12kcal / mol的水屏障运输，两个谷氨酸残基可以共享一个质子被假定为#39;质子天线。实验表征显示突变D1-E65A ，D2-E312A，D1-R334A ，D1-D61A，和D2-K317A [30]或D2-K317R 以类似的方式影响汽车的甲苯磺酸盐和酰胺FTIR特征。在根据其他突变体的FTIR数据，参与质子释放的氢键网络甚至可能倾向于D1-E329 或D1-Q165。侧链D1-D61显然在稳定水域方面发挥作用在O-H拉伸区域的FTIR特征为3663cm -1因为弱的氢键水被消除了D1-D61A突变体。 X射线照射处理能导致67％的由于产生活性氧（ROS）而显示出氧化修饰的宽通道残留物来自水通道。

O2-释放途径

目前尚不清楚是否有专门的路线促进O2从OEC释放的运输方式。在菠菜的标准PSII制剂中，蛋白质残留物的氧化修饰，这可能是由于ROS化学反应，仅沿着狭窄的通道发生。用Kr衍生PSII晶体导致两个Kr建议在大通道系统中绑定的原子O2-释放途径。随后的计算O2扩散的模拟模型显示了O2分子通常沿着水通道走，比较可能的出口路径也有大通道或宽通道的重叠部分。有趣的是，D1-E329残留物阻碍了大通道中的水扩散，对O2没有任何障碍的扩散，提供了一种可能的机制，即PSII控制水进入OEC但便利O2的释放的方式。O2-释放动力学的实验测定也是有助于突出可能的O2退出途径。例如，广泛通道中D2-K317残基的突变导致较慢的O2释放也在OEC附近，D1-V185N突变体具有最慢的测量O2释放任何突变体的动力学。它仍然有可能这些突变也会影响

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