БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 5, с. 914-921
= БИОФИЗИКА КЛЕТКИ =
УДК 577.3
ЭФФЕКТИВНОСТЬ НЕФОТОХИМИЧЕСКОГО ТУШЕНИЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ФИКОБИЛИСОМ ОРАНЖЕВЫМ КАР ОТИНОИД-П Р ОТЕИНОМ
© 2015 г. П.М. Красильников, Д.В. Зленко, И.Н. Стадничук*
Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
119991, Москва, Ленинские горы, 1/12; *Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, 127276, Москва, Ботаническая ул., 35 E-mail: кгарат@тай.ги, раме1@ет^.Ыор'ку&.тш.ги Поступила в p едакцию 20.07.15 г.
Проведен теоретический анализ эффективности тушения флуоресценции фикобилисом оранжевым каротиноид-протеином. Создана компьютерная 3D-модель ядра фикобилисомы, благодаря чему определены расстояния между центрами масс фикобилиновых хромофоров в составе трех аллофикоцианиновых цилиндров ядра и ра ссчитаны время и число актов миграции, необходимых для итогового безызлучательного переноса энергии от фикобилисом к фотосистеме II. Анализ кинетической модели процесса миграции энергии подтвердил возможность эффективного перехвата и тушения поглощенной фикобилисомами энергии с помощью оранжевого каротиноид-протеина, однако полного тушения флуоресценции фикобилисом при этом не происходит. Теоретические оценки эффективности тушения фикобилисом находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.
Ключевые слова: аллофикоцианин, нефотохимическое тушение, оранжевый каротиноид-протеин, перенос энергии, фикобилисома, флуоресценция.
Фотосинтетической антенной цианобакте-рий служат фикобилисомы (PBS) - гигантские, массой несколько миллионов дальтон, пигмент-белковые комплексы фикобилипротеинов. Полипептиды фикобилипротеинов образуют стереотипные дисковидные агрегаты -тример ы, которые стыкуются в цилиндры в со ставе PBS за счет минорных линкерных белков. Структура PBS подразделяется на две части: центральную (ядро), со стоящую из трех цилиндров аллофи-коцианина (APC), флуоресцирующего при 660 нм, и шесть боковых цилиндров, примыкающих веерообразно к ядру и образованных более коротковолновыми фикобилипротеинами [1,2]. Как и другие фикобилипротеины, APC состоит из а- и в-полипептидных субъединиц, находящихся в молярном соотношении 1:1. Каждая субъединица содержит по одному кова-лентно связанному с апопротеином фикобили-новому хромофору. К роме субъединиц APC в ядре PBS имеются три минорных полипептида с длинноволновыми хромофорами, а именно LCM (АрсЕ ), в18 (АрсБ) и АрсБ. Получая энер-
Сокращения: PBS - фикобилисома, APC - аллофикоцианин, TE - терминальные эмиттеры, OCP - оранжевый каротиноид-протеин, ФC II - фотосистема II.
гию вследствие миграции от коротковолновых хромофоров APC, эти полипептиды флуорес-цир уют при 680 нм, почему и получили название тер минальных эмиттер ов. В цианобактери-альной клетке энергия от PBS через терминальные эмиттер ы передается к хлор офиллу почти со 100%-й эффективностью [3]. Cогласно данным электронной микроскопии [4], ядро PBS имеет, в отличие от боковых цилиндров, фиксированное число дисков-тр имеров (по четыре диска в каждом из расположенных параллельно трех цилиндров) и, соответственно, определенное число хромофоров (72), в том числе 66 хромофорных молекул APC и 6 терминальных эмиттеров. Будучи посредниками в передаче энергии от PBS к хлор офиллу фотосистемы II (Ф C II), терминальные эмиттеры располагаются в нижних цилиндрах ядра PBS. Благодаря биохимическим процедурам контролируемой диссоциации, иммунопреципитации и ограниченного протеолиза белков PBS (см. обзоры [1,2]) выяснено, что ApcD находится в составе крайнего тримера, а Lcm и в18 - в составе второго, соседнего. Третий и четвертый тр имеры нижних цилиндров, как и весь верхний цилиндр ядра PBS, свободны от терминальных эмиттеров. Кроме того, два нижних цилиндра лежат ан-
Рис. 1. (а) - Схема строения ядра PBS, состоящего из трех лежащих параллельно цилиндров. В качестве базовых элементов каждый цилиндр содержит по четыре тримера APC, обозначенных как (ав)з. Крайние тримеры имеют в центральной полости добавочный малый бесхромофорный полипептид Le, завершающий рост цилиндров. Третий и четвертый тримеры нижнего цилиндра содержат терминальные эмиттеры, обозначенные как АрсБ, АрсЕ и АрсБ. Нумерация тримеров в цилиндре на заднем плане противоположна переднему цилиндру. (б) - Торцевое изображение тримера АРС. Обозначены хромофоры, которые, как хорошо видно, собраны попарно.
типараллельно, так что терминальные эмиттеры располагаются в них начиная с пр отивополож-ных торцовых поверхностей. В гибридных три-мер ах (АРС + терминальный эмиттер) каждый терминальный эмиттер замещает одну из а- и Р-субъединиц АРС. Надмолекулярная стр уктура ядра фикобилисомы представлена на рис. 1.
На интенсивном свету для пер ехвата в PBS избыточной поглощенной энергии с ее возможным фотоповреждающим действием в клетках цианобактерий включается молекулярный защитный механизм, называемый нефотохимическим тушением флуоресценции. Он относится к быстрым световым адаптивным реакциям уменьшения передачи энергии от антенны к реакционным центрам фотосинтеза. Тушение реализуется благодаря присоединению оранжевого каротиноид-протеина (ОСР) к ЬсМ-поли-пептиду в ядре PBS [5,6]. Каротиноидный хро-мофор ОСР, гидроксиэхиненон, перехватывая на себя поглощенную фикобилисомой энергию, быстро переводит ее в тепло, конкурентно уменьшая флуор есценцию PBS. Падение флуоресценции легко наблюдать, откуда и возникло название нефотохимическое тушение PBS. Со -гласно экспериментальным данным [7,8], ОСР позволяет в среднем вдвое уменьшать перенос энергии от PBS к хлорофиллу.
Целью данной работы является теоретический анализ изменения интенсивности флуоресценции PBS при нефотохимическом тушении, вызываемом оранжевым каротиноид-протеи-ном.
ПОСТРОЕНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ ЯДРА ФИКОБИЛИСОМЫ
Структура кристаллов, образуемых триме-рами аллофикоцианина и имеющих разрешение около 2 À позволяет различать размеры и расположение хромофоров (см., например, [9]). В отличие от отдельных фикобилипротеинов, кристаллизация фикобилисомы или даже только ее ядра сегодня невозможны из-за огромной молекулярной массы и входящих в структуру PBS аморфных линкерных белков. В то же время размеры и форма тр имеров АРС в ядре PBS, различимые на электронных микрофотографиях [4], совпадают с известными из кристаллографических структур параметрами. Поэтому мы использовали информацию, содержащуюся в кристаллах АРС, для реконструкции ядра PBS. Полученная структура представляет собой составную модель, в основе которой лежат структуры АРС из Porphyra yezoensys (1NK1), Arthrospira platensis (1АЬЬ) и Thermo-synechococcus vulcanus (3DBJ). С овмещая в про -странстве известные трехмерные структуры, нам удалось определить взаиморасположение всех 12-ти тримеров аллофикоцианина, составляющих ядро, и рассчитать для ядра расстояния между хромофорами и наиболее вероятные пути миграции поглощенной энергии к терминальным эмиттерам.
Согласно рентгено структур ным данным, тримеры АРС характеризуются фиксированным положением хр омофор ов в трехмерной структур е [9]. Шесть хромофоров в тримере разбиваются на три пары, каждая из которых состоит из двух хромофоров, находящихся на соседних а- и Р-субъединицах на расстоянии 20,6 À При
Рис. 2. Построенная в программе PyMOL модель ядра PBS. Модель собрана на основе кристаллографических данных для тримеров APC, взятых из базы данных PDB (код 1ALL). Показаны торцовые поверхности трех соприкасающихся цилиндров ядра и обозначены измеренные нами расстояния между центрами масс соседних хромофоров. Все хромофоры, составляющие пары с межхромофорным расстоянием 20,6 Â обведены овалами. Хорошо видно, что расстояния между парными хромофорами в составе каждого тримера APC (35,3 Â) практически полностью совпадают с аналогичными расстояниями между соседними тримерами (34,6 Â).
этом расстояние между хромофорами соседних пар составляет 34,5 А (рис. 2). Благодаря 3D-модели нам также удалось выяснить, что минимальное расстояние между хр омофор ами, располагающимися в контактирующих друг с другом дисках соседних цилиндров ядра PBS также близко к 35 А (рис. 2).
Анализ стр уктуры 3D-модели (рис. 2) привел к предположению, что хромофоры в апо-протеиновом каркасе фикобилисомы структурированы таким образом, что образует функциональную систему, которая оптимальна для протекания энергообменных пр оцессов. Модель этой функциональной структуры представлена на рис. 3, где каждый кр ужок, названный узлом PBS, обозначает упомянутую выше пару а/в-хромофоров. Объединение таких а/в-хромофо-ров (или узлов) в единую систему обусловлено тем, что энергообмен между хромофорами внутри узла происходит очень быстро, за 1-2 пс [10-12], что по крайней мер е на порядок пр е-вышает скор ость передачи энергии между другими хромофорами PBS (см. ниже).
Вся функциональная схема (рис. 3) слагается из четырех равносторонних тр еугольников (энергообменный слой PBS), расположенных в пар аллельных плоскостях и содер жащих таким обр азом по девять узлов. Расстояния между любыми соседними узлами в слое одинаковы и составляют около 35 А (рис. 2). Три латеральных расстояния между ближайшими хро-мофор ами со седних плоскостей (слоев), согласно построенной 3D-модели, со ставили последовательно 29, 26 и вновь 29 А (рис. 3). Сер ым цветом выделены узлы двух нижних цилиндров, содер жащие терминальные эмиттеры: ApcD для внешних слоев (первого и четвертого) и Lcm и АрсБ для внутренних слоев (втор ого и тр етье-го). Таким образом, каждый из четырех слоев ядр а фикобилисомы содержит один узел с терминальным эмиттером, куда стекает энергия, поглощенная хромофорами каждого слоя с последующей передачей на Ф С II. В случае интенсивного светового потока к ЬсМ-полипеп-тиду происходит пр исоединение OCP, что приводит к перераспределению стока энергии и эффективному тушению флуоресценции фико-билисомы.
Рис. 3. Редуцированная за счет объединения близко расположенных парных а/р-хромофоров схема ядра PBS. Объединяемые хромофоры, названные узлами, обозначены кружками. Насчитывается 36 узлов, разделяемых на четыре 9-узловых слоя, кот
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.