광계2

산소발생형 광합성 기구에서 빛 에너지를 이용하여 물을 산화시키고 플라스토퀴논을 환원시키는 물-풀라스토퀴논 산화환원효소이다. 남세균이나 조류 혹은 육상식물의 틸라코이드막에 존재한다.

목차

광계2는 약 20여 개의 폴리펩티드와 광수확색소로 되어 있다. 광계2의 코아는 전자전달 보조인자가 결합하는 D1과 D2 단백질, 엽록소 결합 단백질인 CP43과 CP47로 구성된다. 이외에 다수의 분자량이 적은 단백질이 있는데, 시토크롬 b₅₅₉와 결합하는 psbE와 psbF가 그 예이다. 루멘과 스트로마 쪽에 물분해계와 광수확색소 Lhcb가 붙어있다. 남세균이나 홍조류에서는 색소단백질체(phycobilisome)가 LhcB 대신에 광수확색소로 작용한다. 광계2에는 35개의 엽록소, 12개의 베타카로틴, 2개의 페오피틴, 2개의 퀴논, 2개의 헴, 1개의 중탄산(bicarbonate), 20개의 지방분자, Mn₄CaO₅ 클러스터, 2개의 염소이온, 1개의 비헴성 2가 철 (Fe²⁺), 2개의 칼슘이온, 총 99개의 보조인자를 갖고 있다.¹⁾²⁾

전자전달은 반응중심 엽록소 P₆₈₀의 전자가 여기에너지에 의해 바닥상태에서 들뜬상태로 들뜨게 되는 들뜬형(P680*)으로 전환되면서 시작한다. P₆₈₀은 산화(P₆₈₀⁺)되고, 페오피틴(phaeophytin, Ph)은 환원(Ph^-)되는데, 이를 전하분리(charge separation)라고 한다. 이때 빛에 의한 반응중심 P₆₈₀의 산화를 광산화(photooxidation)라고 하며, 페오피틴은 엽록소 a의 마그네슘 이온이 수소로 치환된 형태로서 반응중심으로부터 전자를 받는 첫 번째 전자받개이다. 전하분리된 상태에서 퀴논계 전자전달계 Q_A로 전자가 전달되면서 전하가 안정화되면서 반응중심이 더 이상의 광산화 반응을 수행할 수 없는 닫힌 상태가 된다. 전하 안정화 대신, P₆₈₀⁺Ph^- 전하 재조합되는 경우 반응중심 엽록소는 3중항 상태로 전환(³P₆₈₀)되며, 이는 3중항 상태의 산소를 단일항 상태의 활성산소종으로 전환시키며, 광계2의 광억제를 유발한다. 닫힌 상태에서 전자는 Q_B를 경유하여 플라스토퀴논으로 전달된다. 플라스토퀴논은 D1 반응중심 단백질에 일시적으로 결합하는 퀴논으로서 2개의 전자를 Q_B로부터 받아서 환원된 후 틸라코이드 막으로 확산된다. P₆₈₀^*은 생물권에서 볼 수 있는 산화제 중에서 가장 강한 산화제로서, D1 단백질의 아미노산인 티로신을 산화시키면서 자신은 환원된다. 그 결과, 광계2 반응중심은 열린상태가 되며, 다음 광화학반응을 수행할 준비가 완료된다. 산화된 티로신은 물분해계로부터 전자를 추출하여 다시 환원형으로 되돌아간다.

광계2 반응중심에서 전자전달 (출처:한국식물학회)

광계2에서 전자전달에 관여하는 보조인자는 물분해계와 아미노산 서열이 유사한 두 종류의 단백질 D1 및 D2 단백질과 관련이 있다. 산소발생형 광계2는 망간, 칼슘 및 염소로 구성된 무기이온 클러스터로 구성된 물분해 복합체로부터 물을 분해하여 전자를 반응중심에 전달한다. D1 단백질의 아미노산인 티로신 (Y)은 망간에서 산화된 반응중심 색소로 물에서 유래한 전자를 전달한다. 반응중심은 엽록소 a 두 분자가 한 쌍을 이루고 있는데 P₆₈₀이라 한다. 페오피틴과 P₆₈₀ 색소 중간에 엽록소 a 한 쌍이 있다. 시토크롬 c550과 b559가 있지만 전자전달에는 물에서 플라스토퀴논으로의 전자전달에는 관여하지 않는다. Mn₄Ca 클러스터가 물의 분해를 촉매하면서 동시에 티로신을 환원시킨다. 산소발생형 광계2의 결정구조는 비산소발생형 광합성 세균의 광계2와 매우 유사하지만 다른 점도 있다. 광계2에서 반응중심의 1차전자 주개는 D1 단백질의 티로신 (Y)이지만, 세균에서는 시트크롬 c이다.³⁾ 이러한 광계2 전자전달에 관여하는 보조인자는 D1과 D2 단백질에 대칭적으로 분포한다. 그러나 2개의 전자전달 경로 중 퀴논으로 전자전달은 1개의 경로에서만 일어난다. 다시 말해서, D1 단백질과 결합하고 있는 보조인자인 티로신과 페오피틴을 통한 전자 전달은 일어나지만, D2 단백질과 결합한 티로신과 페오피틴을 통한 전자전달은 일어나지 않는다. 이처럼 전자전달이 일어나지 않는 불활성 경로의 기능은 알려져 있지 않다.⁴⁾

 남세균 Thermosynechococcus elongatus 광계2 반응중심 보조인자 및 전자전달 경로 (출처:한국식물학회)

1. Ferreira, K.N., Iverson, T.M., Maghlaoui, K. 등 (2004) Architecture of the photosynthetic oxygen-evolving center. Science, 303: 1831-1838
2. Loll, B., Kern, J., Saenger, W. 등 (2005) Towards complete cofactor arrangement in the 3.0 Å resolution structure of photosystem II. Nature, 438: 1040-1044
3. Umena, Y., Kwawkami, K., Shen, J.-R. 등 (2011) Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9 Å. Nature, 473: 55-60
4. Barber J (2014) Photosystem II: its function, structure, and implications for artificial photosynthesis. Biochemistry, 79: 185-196