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Apr 13, 2023

Prove strutturali per intermedi durante la formazione di O2 nel fotosistema II

Nature volume 617, pages

Natura volume 617, pagine 629–636 (2023) Citare questo articolo

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Nella fotosintesi naturale, la scissione dell’acqua guidata dalla luce in elettroni, protoni e ossigeno molecolare costituisce il primo passo del processo di conversione dell’energia solare in chimica. La reazione avviene nel fotosistema II, dove il cluster Mn4CaO5 immagazzina prima quattro equivalenti ossidanti, gli stati intermedi da S0 a S4 nel ciclo Kok, generati sequenzialmente dalle separazioni di carica fotochimica nel centro di reazione e poi catalizza la chimica di formazione del legame O–O1, 2,3. Qui riportiamo le istantanee della temperatura ambiente mediante cristallografia seriale a raggi X a femtosecondi per fornire approfondimenti strutturali sulla fase di reazione finale del ciclo di ossidazione fotosintetica dell'acqua di Kok, la transizione S3→[S4]→S0 in cui si forma O2 e l'orologio di ossidazione dell'acqua di Kok viene ripristinato . I nostri dati rivelano una sequenza complessa di eventi, che si verificano nell’arco di micro- e millisecondi, comprendenti cambiamenti nel cluster Mn4CaO5, i suoi ligandi e percorsi dell’acqua, nonché il rilascio controllato di protoni attraverso la rete di legami idrogeno del canale Cl1. È importante sottolineare che l'atomo Ox extra, che è stato introdotto come ligando a ponte tra Ca e Mn1 durante la transizione S2→S34,5,6, scompare o si trasferisce parallelamente alla riduzione di Yz a partire da circa 700 μs dopo il terzo flash. L’inizio dell’evoluzione di O2, come indicato dall’accorciamento della distanza Mn1–Mn4, avviene intorno a 1.200 μs, a significare la presenza di un intermedio ridotto, possibilmente un perossido legato.

La cristallografia seriale a raggi X a femtosecondi con laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL)7 ci ha permesso di raccogliere dati cristallografici del fotosistema II (PS II) in tempo reale mentre la reazione procede alla temperatura fisiologica. La reazione di ossidazione dell'acqua indotta da quattro fotoni in PS II (Fig. 1a, b) è stata avviata con più lampi laser visibili. Utilizzando questa capacità, sono state studiate strutture intermedie dello stato S (S0, S1, S2 e S3)4,5,8,9,10 che hanno rivelato i cambiamenti strutturali del complesso evolutivo dell'ossigeno (OEC) di PS II, che è un funzionale unità composta dal cluster Mn4CaO5 e dal suo ambiente acqua-ligando (Fig. 1c,d)2,11. Recentemente, abbiamo raccolto dati istantanei in diversi punti temporali durante la transizione S2→S3, la fase in cui l'acqua del substrato viene introdotta nel cluster. Lo studio6 ha suggerito la sequenza dell'ossidazione del Mn, l'incorporazione di un ponte di ossigeno extra (Ox o O6 in Suga et al.10) tra il sito di coordinazione aperto in Mn1 e Ca (formando Mn4CaO5-Ox in S3), il potenziale percorso di ingresso per il substrato acqua e il rilascio di protoni con il suo meccanismo di controllo6,12. Gli studi XFEL hanno inoltre stabilito chiaramente che la struttura elettronica e geometrica dell'OEC ottenuta da queste misurazioni non è influenzata dai fotoelettroni dei raggi X nelle condizioni utilizzate6,8,13.

a, La struttura di PS II con le eliche incorporate nella membrana e le regioni estrinseche della membrana sul lato luminale di PS II mostrate in grigio. I principali componenti del trasferimento di elettroni sono mostrati a colori, che includono le clorofille del centro di reazione (P680), le feofitine, i chinoni accettori QA e QB, la tirosina Yz redox-attiva e il cluster catalitico Mn4CaO5. I cluster Yz e Mn4CaO5 sono i cofattori del sito donatore di elettroni. b, ciclo Kok della reazione di ossidazione dell'acqua che ha luogo nel sito donatore e che è sequenzialmente guidato dalle separazioni di carica nel centro di reazione P680 indotte dall'assorbimento di fotoni (lampi di luce al nanosecondo, 1F–4F) nel sistema di antenna di PS II. I dati della cristallografia a raggi X a temperatura ambiente sono stati raccolti nei punti temporali indicati durante la transizione S3→S0. c,d, La struttura dell'OEC negli stati S3 (c) e S0 (d) e la sequenza degli eventi che si verificano tra di loro. Mn, viola; Ca2+, verde; Oh, rosso. W1, -2, -3 e -4 sono leganti acquatici di Mn4 e Ca. I canali rilevanti per il trasferimento di acqua e protoni (O1, O4 e Cl1) sono indicati rispettivamente come aree ombreggiate in rosso, blu e verde. I cerchi tratteggiati indicano differenze strutturali tra gli stati S3 e S0.