Катионы La3+ и других лантаноидов (Ln3+) были использованы в качестве аналогов катиона Са2+ для исследования роли этого катиона в работе кислород-выделяющего комплекса (КВК) фотосистемы 2 (ФС2). Ghanotakis et al. (1985) обнаружили, что La3+ ингибирует активность КВК, вытесняя катион Са2+ из каталитического центра Mn4CaO5. Реакция выделения кислорода в мембранах ФС2, содержащих катион Ln3+ вместо Са2+, не восстанавливается экзогенным катионом Са2+, т. е. связанный с Са-связывающим участком катион Ln3+ не вытесняется катионом Са2+. В частицах ФС2 без Са2+ (ФС2(-Са)) катионы Ln3+ конкурируют с катионами Са2+ за Са-связывающий участок (Оnо 2000).

Помимо Са-связывающего участка лантаноиды эффективно связываются и с Мn-связывающим участком, а именно, с высокоаффинным Мn-связывающим участком ФС2, из КВК которой предварительно были экстрагированы катионы марганца (Lovyagina et al. 2021). Высокоаффинный Мn-участок локализован в нативной кристаллической структуре ФС2 в позиции Mn4 согласно нумерации Umena et al. (2011). Лигандами этого катиона марганца являются остатки аминокислот Asp170 и Glu333 в полипептиде D1 (Asada and Mino 2015). Интересно отметить, что остаток D1-Asp170 участвует также и в связывании катиона кальция, являясь бидентантным лигандом. Эта особенность позволяет предполагать возможность взаимодействия Са-связывающего участка с высокоаффинным Mn-участком КВК при связывании катионов Ln3+. В данной работе подобная возможность была исследована.

В работе были использованы мембранные препараты ФС2, из КВК которых был экстрагирован катион кальция путем обработки средой с высокой ионной силой (2M NaCl). Предварительно было установлено, что катионы La3+ и Tb3+ необратимо связываются с Са-связывающим участком (связанный катион не удаляется центрифугированием и отмывкой препарата). Далее, после соответствующей обработки, была измерена кинетика восстановления искусственного акцептора электронов 2,6-дихлорфенолиндофенола в присутствии экзогенных доноров электронов – пары [Mn2+ + H2O2], донирующей электроны только через высокоаффинный Мn-связывающий участок, или 2,5-дифенилкарбазида, донирующего электроны через два участка – высокоаффинный и низкоаффинный. Были исследованы следующие образцы. 1) Из частиц ФС2(-Са) был экстрагирован марганец обработкой гидроксиламином или гидрохиноном. 2) ФС2(-Са) мембраны были инкубированы с катионом La3+ или Tb3+, после чего несвязанные катионы лантаноидов были удалены центрифугированием и из мембран был экстрагирован марганец. 3) Из мембран ФС2(-Са) после инкубации с катионом La3+ или Tb3+ и переосаждения был экстрагирован марганец, после чего был добавлен катион лантаноида, и измерена кинетика в присутствии катиона Ln3+. Полученные результаты показали, что связанный с Са-участком катион Ln3+ значительно ингибирует окисление донорной пары [Mn2+ + H2O2] через высокоаффинный Мn-связывающий участок (65 – 80 % ингибирования при полной экстракции марганца гидроксиламином, образец 2). Это означает, что связанный с Са-участком катион Ln3+ эффективно ингибирует связывание катиона Mn2+ с высокоаффинным участком. Возможны два механизма модификации катионом Ln3+ координационной сферы высокоаффинного Мn-участка – до экстракции марганца или после. Существенное ингибирование процесса окисления воды катионом Ln3+ в препаратах ФС2(-Са) без экзогенного донора электронов (примерно на 50%) означает, что модификация высокоаффинного Мn-связывающего участка катионом лантаноида происходит при связывании его с Са-связывающим участком до экстракции марганца из КВК.



Исследование выполнено в рамках научного проекта государственного задания МГУ №121032500058-7.

Asada M, Mino H (2015) Location of the High-Affinity Mn2+ Site in Photosystem II Detected by PELDOR. J Phys Chem B 119:10139−10144. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b03994

Ghanotakis DF, Babcock GT, Yocum CF (1985) Structure of the oxygen-evolving complex of photosystem II: calcium and lanthanum compete for sites on the oxidizing side of photosystem II which control the binding of water-soluble polypeptides and regulate the activity of the manganese complex. Biochim Biophys Acta 809:173–180. https://doi.org/10.1016/0005-2728(85)90060-X

Lovyagina ER, Loktyushkin AV, Semin BK (2021) Effective binding of Tb3+ and La3+ cations on the donor side of Mn depleted photosystem II. J Biol Inorg Chem 26:1–11. https://doi.org/10.1007/s00775-020-01832-w

Ono T (2000). Effects of lanthanide substitution at Ca2+-site on the properties of the oxygen evolving center of photosystem II. J Inorg Biochem 82:85-91. https://doi.org/10.1016/S0162-0134(00)00144-6

Umena Y, Kawakami K, Shen J-R, Kamiya N (2011) Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9 Å. Nature 473:55–60. https://doi.org/10.1038/nature09913

La3+ cations and other lanthanides (Ln3+) were used as analogues of the Ca2+ cation to investigate the role of this cation in the operation of the oxygen-evolving complex (OEC) of photosystem II (PSII). Ghanotakis et al. (1985) found that La3+ inhibits the OEC activity, displacing the Ca2+ cation from the Mn4CaO5 catalytic center. The reaction of oxygen evolution in the PSII membranes containing the Ln3+ cation instead of Ca2+ is not reduced by the exogenous Ca2+ cation, i. e. the Ln3+ cation bound to the Ca-binding site is not displaced by the Ca2+ cation. In the Ca-depleted PSII membranes (PSII(-Ca)), Ln3+ cations compete with Ca2+ cations for the Ca-binding site (Ono 2000).

In addition to the Ca-binding site, lanthanides effectively bind to the Mn-binding site, namely, the high-affinity Mn-binding site of the PSII from which manganese cations have been previously extracted (Lovyagina et al. 2021). The high-affinity Mn-site is localized in the native crystal structure PSII at the Mn4 position according to the numbering of Umena et al. (2011). The ligands of this manganese cation are amino acid residues of Asp170 and Glu333 in polypeptide D1 (Asada and Mino 2015). Interestingly, the D1-Asp170 residue is also involved in the binding of the calcium cation, being a bidentant ligand. This feature suggests the possibility of interaction of the Ca-binding site with the high-affinity Mn-site of OEC when binding Ln3+ cations. In this work, a similar possibility has been investigated.

PSII membrane preparations from which calcium cation was extracted by treatment with high ionic strength medium (2M NaCl) were used. Previously it was shown that La3+ and Tb3+ cations bind irreversibly to the Ca-binding site (the bound cation is not removed by centrifugation and sample washing). Further, after appropriate sample treatment, the reduction kinetics of the artificial electron acceptor 2,6-dichlorophenolindophenol was measured in the presence of exogenous electron donors - a pair [Mn2+ + H2O2] that donates electrons only through a high-affinity Mn-binding site, or 2,5-diphenylcarbazide that donates electrons through two sites - high-affinity and low-affinity. The following samples were examined. 1) Manganese was extracted from the PSII(-Ca) particles by treatment with hydroxylamine or hydroquinone. 2) PSII(-Ca) membranes were incubated with La3+ or Tb3+ cation, after which unbound lanthanide cations were removed by centrifugation and manganese was extracted from the membranes. 3) Manganese was extracted from the PSII(-Ca) membranes after incubation with the La3+ or Tb3+ cation and reprecipitation, after which a lanthanide cation was added, and kinetics were measured in the presence of the Ln3+ cation. The results showed that the Ln3+ bound to Ca-site significantly inhibits oxidation of the donor pair [Mn2+ + H2O2] through the high affinity Mn-binding site (65-80% inhibition after complete extraction of manganese with hydroxylamine, sample 2). This means that Ln3+ cation bound to Ca-site effectively inhibits binding of the Mn2+ cation to the high affinity site. Two mechanisms of modification by the Ln3+ cation the coordination sphere of the high-affinity Mn region are possible - before manganese extraction or after. Substantial inhibition of the water oxidation by Ln3+ cation in PSII(-Ca) preparations without an exogenous electron donor (by about 50%) means that modification of the high affinity Mn-binding site by the lanthanide cation occurs when it binds to the Ca-binding region prior to extraction of manganese from the OEC.



The research was carried out as part of the Scientific Project of the State Order of the Government of Russian Federation to Lomonosov Moscow State University No.121032500058-7.

Asada M, Mino H (2015) Location of the High-Affinity Mn2+ Site in Photosystem II Detected by PELDOR. J Phys Chem B 119:10139−10144. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b03994

Ghanotakis DF, Babcock GT, Yocum CF (1985) Structure of the oxygen-evolving complex of photosystem II: calcium and lanthanum compete for sites on the oxidizing side of photosystem II which control the binding of water-soluble polypeptides and regulate the activity of the manganese complex. Biochim Biophys Acta 809:173–180. https://doi.org/10.1016/0005-2728(85)90060-X

Lovyagina ER, Loktyushkin AV, Semin BK (2021) Effective binding of Tb3+ and La3+ cations on the donor side of Mn depleted photosystem II. J Biol Inorg Chem 26:1–11. https://doi.org/10.1007/s00775-020-01832-w

Ono T (2000). Effects of lanthanide substitution at Ca2+-site on the properties of the oxygen evolving center of photosystem II. J Inorg Biochem 82:85-91. https://doi.org/10.1016/S0162-0134(00)00144-6

Umena Y, Kawakami K, Shen J-R, Kamiya N (2011) Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9 Å. Nature 473:55–60. https://doi.org/10.1038/nature09913