Введение к работе
Актуальность темы. Фотосинтетическое окисление воды, сопровождающееся вы-елением молекулярного кислорода в атмосферу, осуществляется в мембраносвязан-ом пигмент-белковом комплексе, называемым фотосистемой II (ФСИ). Фундаменталь-:ая модель механизма фотосинтетического окисления воды, предложенная Жолио с оавт. (Joliot et al., 1969), предполагает, что водоокисляющий комплекс последова-ельно окисляется, проходя через 5 промежуточных состояний, известных как Sj-COC-ояния (i=0-4), для того чтобы накопить энергию четырех фотонов, необходимую для кисления двух молекул НгО. Водоокисляющий комплекс, возможно, включает етыре иона марганца, часть из которых (или все) функционируют как катализаторы, цклически меняющие окислительно-восстановительное состояние (Debus, 1992).
Однако, структура и лигандное окружение марганцевого кластера водоокисляю-іего комплекса в различных S-состояниях и механизм окисления воды остаются іредметом дискуссий из-за трудности непосредственного измерения химического и лектронного состояния марганца в каждом S-состоянии. Основными методами в ис-ледовании данных проблем являются оптические и ЭПР методы, а интерпретация «зультатов основывается на анализе структуры аналогичных синтетических поли-дерных комплексов марганца.
Ранее Ананьевым и Климовым (1989) была обнаружена медленная хемилюминес-[енции системы люминол-пероксидаза, индуцируемая освещенными частицами ФСП, ;оторую интерпретировали как результат взаимодействия хемилюминесцентной сис-емы с окисленными состояниями марганца водоокисляющего комплекса ФСП (Бз и >3 состояния). В тоже время, оставался непонятным конкретный механизм образова-[ия данного свечения, а также тот факт, что окисленный до трех- и четырехва-іентного состояния марганец, присутствующий и в So, Sj и S2 состояниях водр-ікисляющего комплекса, не участвует в индукции хемилюминесценции. Исследование іьішеуказанньїх проблем могло бы пролить свет на структурную и функциональную ірганизацию водоокисляющего комплекса ФСП.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы было исследование механизма ібразования медленной хемилюминесценции люминола, индуцируемой марганцевым їластером ФСП. Основными задачами являлось:
-
Разработать подход с использованием хемилюминесцентного метода (люминол-іероксидазная система) для изучения структуры и функций марганцевого кластера t>CH;
-
Определить активные формы кислорода, непосредственно участвующие в обра-овании медленной хемилюминесценции люминола, индуцируемой препаратами ФСП;
-
Изучить роль марганца ФСИ в образовании активных форм Ог и зависимость ;анной способности от S-состояний водоокисляющего комплекса.
Научная новизна работы. В результате проведенных исследований разработан но вый подход в изучении структурной и функциональной организации водоокисляющегс комплекса ФСН с использованием хемилюминесцентного метода. Показано, что пе роксид водорода и молекулярный триплетный кислород являются инициаторами мед ленной хемилюминесценции, индуцируемой препаратами ФСН. Обнаружена люминол оксидазная активность водоокисляющего комплекса ФСН. Данная активность наблю дается при взаимодействии Mn-кластера с гидроксильными ионами и максимальна і присутствии ионов НРО42". Показано, что оксидазная активность водоокисляющегс комплекса в Бз-состоянии превышает в 2-6 раз оксидазную активность в S0-S2 состояниях. Обнаружена способность координационных соединений марганца в присут ствии ионов НРО42" и фосфатного комплекса Мп(П) катализировать образование Н2О2 из Ог при участии люминола в качестве донора электронов, которая зависит от типа лиганда, входящего в структуру комплекса, и типа растворителя (апротонный или протонный). Установлено, что при S2-S3 переходе происходит изменение в ли-гандном окружении Mn-кластера водоокисляющего комплекса, связанное с гистиди-новым остатком белка D1 и/или включение дополнительных атомов кислорода из субстратных молекул НгО в структуру кластера.
Научная и практическая значимость работы. Полученные результаты могут иметь существенное значение в понимании организации и функционирования водоокисляющего комплекса ФСН и механизма окисления воды, а также в изучении эволюционного развития ФСН. Разработанный подход с использованием люминол-пероксидазной системы позволяет использовать хемилюминесцентныи метод в изучении активного сайта как водоокисляющего комплекса ФСН, так и других марганец-содержащих ферментов. Обнаруженная способность соединений марганца катализировать образование Н2О2 может представлять интерес при разработке синтетических моделей активных сайтов марганец-содержащих ферментов и изучении путей образования радикальных форм кислорода в растительной клетке.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на германо-российских семинарах по фотосинтезу (Берлин, 1993; Пущино, 1995), международной конференции "Мембранная биоэнергетика" (Москва, 1995), втором симпозиуме ОФР "Физико-химические основы физиологии растений" (Пенза, 1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части (объекты и методы исследования, результаты и обсуждение), заключения, выводов и списка цитируемой литературы.
Похожие диссертации на Хемилюминесцентное исследование функционирования марганцевого кластера фотосистемы и растений
