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Oxygen-evolving photosystem II structures during S1–S2–S3 transitions

微秒 光系统II P680页 电子转移 分子 析氧络合物 纳秒 结晶学 析氧 光合作用 化学 光化学 光系统I 生物化学 物理化学 有机化学 天文 激光器 物理 光学 电化学 电极
作者
Hongjie Li,Yoshiki Nakajima,Eriko Nango,Shigeki Owada,Daichi Yamada,Kana Hashimoto,Fangjia Luo,Rie Tanaka,Fusamichi Akita,Koji Kato,Jungmin Kang,Yasunori Saitoh,Shunpei Kishi,Huaxin Yu,Naoki Matsubara,Hajime Fujii,Michihiro Sugahara,Mamoru Suzuki,Tetsuya Masuda,Tetsunari Kimura
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:626 (7999): 670-677 被引量:72
标识
DOI:10.1038/s41586-023-06987-5
摘要

Abstract Photosystem II (PSII) catalyses the oxidation of water through a four-step cycle of S i states ( i = 0–4) at the Mn 4 CaO 5 cluster 1–3 , during which an extra oxygen (O6) is incorporated at the S 3 state to form a possible dioxygen 4–7 . Structural changes of the metal cluster and its environment during the S-state transitions have been studied on the microsecond timescale. Here we use pump-probe serial femtosecond crystallography to reveal the structural dynamics of PSII from nanoseconds to milliseconds after illumination with one flash (1F) or two flashes (2F). Y Z , a tyrosine residue that connects the reaction centre P680 and the Mn 4 CaO 5 cluster, showed structural changes on a nanosecond timescale, as did its surrounding amino acid residues and water molecules, reflecting the fast transfer of electrons and protons after flash illumination. Notably, one water molecule emerged in the vicinity of Glu189 of the D1 subunit of PSII (D1-E189), and was bound to the Ca 2+ ion on a sub-microsecond timescale after 2F illumination. This water molecule disappeared later with the concomitant increase of O6, suggesting that it is the origin of O6. We also observed concerted movements of water molecules in the O1, O4 and Cl-1 channels and their surrounding amino acid residues to complete the sequence of electron transfer, proton release and substrate water delivery. These results provide crucial insights into the structural dynamics of PSII during S-state transitions as well as O–O bond formation.
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