Impact of energy limitations on function and resilience in long-wavelength Photosystem II
Impact of energy limitations on function and resilience in long-wavelength Photosystem II
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能量限制对长波长光系统 II 功能和弹性的影响
DOI：
10.1101/2022.04.05.486971
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发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Viola S
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Viola S
光系统II（PSII）利用红光的能量分解水并还原醌，这是一个基于叶绿素a（Chl-a）光化学的能量需求过程。两种类型的蓝藻PSII可以使用叶绿素d（Chl-d）和叶绿素f（Chl-f）来使用较低能量的远红光进行相同的反应。Acaryochloris marina的PSII中Chl-d取代了其35个Chl-a中的所有Chl-a，而兼性远红种Chroococcidiopsis thermalis的PSII仅含有4个Chl-f和1个Chl-d以及30个Chl-a。从生物能量的考虑，远红PSII预计将失去光化学效率和/或恢复光损伤。在这里，我们比较酶周转效率，前向电子转移，回反应和光损伤的Chl-f-PSII，Chl-d-PSII，和Chl-a-PSII。结果表明：（i）所有类型的PSII在酶周转方面都具有相当的效率;（ii）Chl-d-PSII受体侧的修饰能隙有利于通过PD 1 + Phe-再增殖进行重组，导致单线态氧产生增加，并且与Chl-a-PSII和Chl-f-PSII相比对强光损伤更敏感;（iii）Chl-f-PSII中的受体侧能隙被调整以避免有害的反反应，有利于对光损伤的恢复而不是光利用效率。的电子转移辅因子Phe和QA的氧化还原调谐和叶绿素的数量和布局的差异，共享的激发能与主电子供体的结果进行解释。PSII以两种不同的方式适应低能量，每种方式都适合其特定的环境，但具有不同的功能惩罚。
Photosystem II (PSII) uses the energy from red light to split water and reduce quinone, an energy-demanding process based on chlorophyll a (Chl-a) photochemistry. Two types of cyanobacterial PSII can use chlorophyll d (Chl-d) and chlorophyll f (Chl-f) to perform the same reactions using lower energy, far-red light. PSII from Acaryochloris marina has Chl-d replacing all but one of its 35 Chl-a, while PSII from Chroococcidiopsis thermalis, a facultative far-red species, has just 4 Chl-f and 1 Chl-d and 30 Chl-a. From bioenergetic considerations, the far-red PSII were predicted to lose photochemical efficiency and/or resilience to photodamage. Here, we compare enzyme turnover efficiency, forward electron transfer, back-reactions and photodamage in Chl-f-PSII, Chl-d-PSII, and Chl-a-PSII. We show that:(i) all types of PSII have a comparable efficiency in enzyme turnover;(ii) the modified energy gaps on the acceptor side of Chl-d-PSII favour recombination via P D1+ Phe-repopulation, leading to increased singlet oxygen production and greater sensitivity to high-light damage compared to Chl-a-PSII and Chl-f-PSII;(iii) the acceptor-side energy gaps in Chl-f-PSII are tuned to avoid harmful back reactions, favouring resilience to photodamage over efficiency of light usage. The results are explained by the differences in the redox tuning of the electron transfer cofactors Phe and Q A and in the number and layout of the chlorophylls that share the excitation energy with the primary electron donor. PSII has adapted to lower energy in two distinct ways, each appropriate for its specific environment but with different functional penalties.
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Physical chemistry chemical physics : PCCP
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