Фотосинтетическое расщепление воды – уникальная реакция, явившаяся главным источником появления молекулярного кислорода в атмосфере Земли. В фотосистеме II растений эта реакция происходит под действием света в кислород-выделяющем комплексе (КВК). КВК содержит тетрамарганцевый кластер, который катализирует расщепление двух присоединенных к нему молекул воды с выделением молекулы кислорода.
Понимание механизма фотосинтетического расщепления воды является одной из приоритетных задач современных междисциплинарных исследований. Ее решение является необходимым шагом к осуществлению искусственного фотосинтеза, что открыло бы доступ к экологически чистому и удобному в использовании источнику энергии.
Несмотря на интенсивные исследования в этой области, механизм фотосинтетического расщепления воды к настоящему времени понят лишь частично [1]. Известно, что в ходе цикла расщепления воды КВК проходит 5 окислительных состояний, (S-состояний) S0 – S4. Переход КВК в следующее состояние, (кроме перехода S4 в S0) происходит при поглощении кванта света фотосистемой II и сопровождается одноэлектронным окислением КВК. Переход S4 в S0 происходит спонтанно и сопровождается выделением молекулы кислорода.
Для понимания механизма расщепления воды необходимо знание геометрической структуры КВК и окислительного состояния ионов Mn в нем в каждом S-состоянии. На сегодня в литературе существует несколько противоречивых мнений на этот счет [2, 3]. Задачей данной работы является надежное определение окислительных состояний ионов Mn в КВК и построение его геометрической модели на основе данных импульсного ЭПР.
Ранее фотосистема II исследовалась с помощью рентгеноструктурного анализа. Однако, вследствие недостаточного пространственного разрешения, данный метод не позволяет установить строение КВК [2, 3]. Дополнительная информация была получена с помощью метода EXAFS, однако и ее оказывается недостаточно для определения строения КВК [4, 5]. В такой ситуации весьма полезным оказывается метод ЭПР. К настоящему моменту c помощью ЭПР наиболее подробно исследовано состояние S2, имеющее наиболее сильный сигнал ЭПР. Ранее эксперименты по импульсному ЭПР, в том числе импульсный ДЭЯР (двойной электронно-ядерный резонанс) на ядрах магранца, проводились только для состояния S2 [6]. Оно являлось единственным состоянием КВК, для которого времена релаксации электронного спина были определены напрямую с помощью импульсного ЭПР [7].
В данной работе эксперименты по импульсному ЭПР проведены для состояния S0, имеющего гораздо более слабый сигнал, чем S2. Эти эксперименты стали возможны благодаря переходу в Q-диапазон (рабочая частота 35 ГГц), что дает выигрыш в чувствительности по сравнению с традиционным X-диапазоном (9 ГГц). Кроме того, повышение рабочей частоты приводит к улучшению спектрального разрешения. Это позволило уточнить значение магнитно-резонансных параметров также для состояния S2, для которого ранее эксперименты по импульсному ЭПР проводились только в X-диапазоне.
1. Получены спектры
эхо-детектируемого ЭПР и импульсного
ДЭЯР на ядрах марганца для состояний КВК S0 и S2
в Q-диапазоне.
2. С помощью их численного моделирования определены главные значения
g-тензора и тензоров СТВ для ядер марганца для этих состояний.
3. Проведены эксперименты ELDOR-detected NMR для S2
в X-диапазоне, которые подтверждают правильность определения
магнитно-резонансных
параметров для S2.
4. Методом импульсного ЭПР исследована температурная зависимость
скорости
спин-решеточной релаксации электронного спина для состояния S0.
Показано, что основной вклад в скорость этой релаксации вносит механизм
Орбаха-Аминова. Из анализа этой зависимости определена величина
энергетического
расщепления между основным и первым возбужденным электронными
состояниями
для S0.
5. На основании полученных данных построена модель КВК как
обменно-связанного
кластера, состоящего из 4 ионов магранца. Для состояний S0 и
S2 определены окислительные состояния этих ионов.
6. Предложен детальный молекулярный механизм фотосинтетического
расщепления
воды.
В 2005 году Л. В. Кулик был удостоен стипендии фонда Гумбольдта (Alexander von Humboldt Foundation) для продолжения работы по этой теме в России и гранта Президента РФ для молодых ученых.
В 2007 году Л. В. Кулику была присуждена медаль Международного Общества ЭПР (International EPR Society) для молодых ученых. Одним из достижений, отмеченных этой медалью был вклад в исследование фотосинтеза методом ЭПР.
1. Messinger, J. (2004) Phys. Chem. Chem. Phys. 6, 4764-4771.
2. Ferreira, K. N., Iverson, T. M., Maghlaoui, K., Barber, J., and Iwata, S. (2004) Science 303, 1831-1838.
3. Biesiadka, J., Loll, B., Kern, J., Irrgang, K. D., and Zouni, A. (2004) Phys. Chem. Chem. Phys. 6, 4733-4736.
4. Yachandra, V. K., Sauer, K., and Klein, M. P. (1996) Chem. Rev.96, 2927-2950.
5. Carell, T. G., Tyryshkin, A. M., and Dismukes, G. C. (2002) J. Biol. Inorg. Chem. 7, 2-22.
6. Peloquin, J. M., Campbell, K. A., Randall, D. W., Evanchik, M. A., Pecoraro, V. L., Armstrong, W. H., and Britt, R. D. (2000) J. Am. Chem. Soc. 122, 10926-10942.
7. Lorigan, G. A., and Britt, R. D. (1994) Biochemistry 33, 12072-12076.
1. Kulik L. V., Epel B., Messinger J., Lubitz W., (2005) Photosynthesis Res., 84, 347 - 353.
2. Kulik L. V., Epel B., Lubitz W., Messinger J., (2005) J. Am. Chem. Soc., 127, 2392 - 2393.
3. Kulik L. V., Lubitz W., Messinger J., (2005) Biochemistry, 46, 9368 – 9374.
4. Kulik L. V., Epel B., Lubitz W., Messinger J., (2007) J. Am. Chem. Soc, in press, DOI: 10.1021/ja071487f .