The first tyrosyl radical intermediate formed in the S2–S3 transition of photosystem II

文献情報

出版日 2014-04-03
DOI 10.1039/C4CP00696H
インパクトファクター 3.676
著者

Marius Retegan, Nicholas Cox, Wolfgang Lubitz, Frank Neese, Dimitrios A. Pantazis


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要旨

The EPR “split signals” represent key intermediates of the S-state cycle where the redox active D1-Tyr161 (YZ) has been oxidized by the reaction center of the photosystem II enzyme to its tyrosyl radical form, but the successive oxidation of the Mn4CaO5 cluster has not yet occurred (SiYZ˙). Here we focus on the S2YZ˙ state, which is formed en route to the final metastable state of the catalyst, the S3 state, the state which immediately precedes O–O bond formation. Quantum chemical calculations demonstrate that both isomeric forms of the S2 state, the open and closed cubane isomers, can form states with an oxidized YZ˙ residue without prior deprotonation of the Mn4CaO5 cluster. The two forms are expected to lie close in energy and retain the electronic structure and magnetic topology of the corresponding S2 state of the inorganic core. As expected, tyrosine oxidation results in a proton shift towards His190. Analysis of the electronic rearrangements that occur upon formation of the tyrosyl radical suggests that a likely next step in the catalytic cycle is the deprotonation of a terminal water ligand (W1) of the Mn4CaO5 cluster. Diamagnetic metal ion substitution is used in our calculations to obtain the molecular g-tensor of YZ˙. It is known that the gx value is a sensitive probe not only of the extent of the proton shift between the tyrosine–histidine pair, but also of the polarization environment of the tyrosine, especially about the phenolic oxygen. It is shown for PSII that this environment is determined by the Ca2+ ion, which locates two water molecules about the phenoxyl oxygen, indirectly modulating the oxidation potential of YZ.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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