БИОХИМИЯ, 2010, том 75, вып. 10, с. 1348 - 1366
УДК 573.5; 577.164; 577.344
ФОТОВОЗБУЖДЕННЫЕ МОЛЕКУЛЫ ФЛАВИНОВЫХ И ПТЕРИНОВЫХ КОФЕРМЕНТОВ В ЭВОЛЮЦИИ
Обзор
© 2010 г. М.С. Крицкий*, Т.А. Телегина, Ю.Л. Вечтомова, М.П. Колесников, Т.А. Людникова, О.А. Голуб
Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, 119071 Москва, Ленинский просп., 33; электронная почта: mkritsky@inbi.ras.ru
Поступила в редакцию 16.03.10
Возбужденные состояния флавинов и птеринов активны в качестве участников межмолекулярного переноса энергии, а также в фотокатализе редокс реакций, приводящих к запасанию свободной энергии. Флавин-содержащие пигменты, образующиеся в моделях добиологической среды, обеспечивают преобразование энергии фотона в энергию фосфоангидридных связей ATP. В ходе эволюции фотохимические реакции с участием возбужденных молекул FMN и FAD не стали, однако, участниками биоэнергетических систем, а реализуются в ферментах, репарирующих поврежденную ультрафиолетом ДНК (ДНК-фотолиазах), а также в рецепторах синего и UV-A света, регулирующих жизненные функции организмов. Семейства этих фотобелков (ДНК-фотолиазы и криптохромы, LOV-домен-содержащие белки, BLUF-домен-содержащие белки) различаются структурой и механизмом фотопроцессов. В этих белках возбужденные молекулы флави-нов являются участниками фотохимических процессов в реакционных центрах. В ДНК-фотолиазах и крип-тохромах энергию возбуждения на флавин реакционного центра поставляет связанная с тем же полипептидом антенная молекула, в роли которой выступает MTHF, либо (в ДНК-фотолиазах некоторых микроорганизмов) — 8-HDF, т.е. также соединения, известные коферментными функциями в биокатализе. Несходство структуры, в том числе хромофор-связывающих доменов, указывает на независимое возникновение семейств фотобелков. Анализ структуры и свойств коферментов позволяет выявить особенности, сыгравшие роль селективных признаков в эволюционном отборе молекул на роль хромофоров в этих белках.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: эволюция, фоторецепторы, фотокатализ, возбужденные состояния, отбор хромото-форов, коферменты, флавины, птерины, фолаты, ДНК-фотолиазы, криптохромы, фототропины, LOV-до-мен, BLUF-домен, моделирование предбиологических процессов, фотофосфорилирование.
Сравнительно недавно были открыты фото-рецепторные белки, в которых роль хромофоров — сенсоров фотона — выполняют молекулы, известные в биохимии как коферменты «темнового» биокатализа. Эти белки воспринимают коротковолновую видимую и ультрафиолетовую (UV-A) радиацию и трансформируют ее в сигналы, регулирующие метаболизм и онтогенез растений и грибов, подвижность ряда низших эукариот, а также осуществляющие коррекцию циркадных ритмов у разнообразных организмов. Исследование этих явлений, получивших название «ответов на синий свет» (blue light-responses), уходит корнями в XIX в. — автором первой публикации, в которой сообщалось о роли синего света в фототропизме растений, был Чарльз Дарвин [1].
Принятые сокращения: MTHF — 5,10-метенилтет-рагидрофолат; 8-HDF — 7,8-дидеметил-8-гидрокси-5-де-зазарибофлавин; ЭТЦ — электрон-транспортная цепь; GFP-белок — green fluorescent protein.
* Адресат для корреспонденции.
Начиная с 50-х годов ХХ в., на основании сходства спектров действия физиологических реакций со спектрами поглощения света флави-нами выдвигались гипотезы об участии этих соединений в рецепции света (рис. 1). Попытки выделения самих фоторецепторов долгое время были безрезультатны [2]. Лишь в 1990-е гг. развитие методов выделения и экспрессии генов открыло путь к прямому анализу флавопротеи-новых рецепторов света и функций хромофоров в их составе [3—7]. Необходимо отметить, что незадолго до этого было показано, что возбужденные молекулы флавинов и некоторых других кофакторов участвуют в другом явлении — фоторепарации ферментом ДНК-фотолиазой (ЕС 4.1.99.3) дефектов, возникших в структуре ДНК после облучения ультрафиолетом [8].
Таким образом, известны две группы фотобелков, в которых функционируют возбужденные молекулы коферментов. В фотоферментах (ДНК-фотолиазах) кофактор, находящийся в активном центре белка, проявляет химическую
активность, только находясь в возбужденном состоянии, т.е. его возбуждение служит обязательной предпосылкой каталитического акта. В других белках, в фоторецепторах регуляторных процессов, свет возбуждает хромофор, связанный в фотосенсорном домене, что приводит к активации другого (эффекторного) домена того же белка, и инициирует каскад трансдукции сигнала с участием протеинкиназ, молекул вторичных посредников и механизмов генной экспрессии. Усиление сигнала может быть достаточно эффективным, и некоторые процессы с участием фотобелков реализуются в ответ на очень слабый поток фотонов. Так, например,
макроспорангиофоры гриба Phycomyces blakesle-eanus проявляют фототропизм при мощности облучения всего лишь 10—9 Вт м-2 [9].
В качестве хромофоров фотобелков идентифицированы производные изоаллоксазина (2,4-диоксо-7,8-диметил-бензо-^]-птеридина) — флавиновые кофакторы оксидоредуктаз FMN и FAD, а также 7,8-дидеметил-8-гидрокси-5-деза-зарибофлавин (8-HDF), в молекуле которого N5 атом изоаллоксазина замещен на углерод. Это соединение служит структурной частью редокс кофактора F420, участвующего у некоторых микроорганизмов в реакциях двуэлектронного переноса, которые у других организмов обслужи-
Рис. 1. Спектры поглощения света флавинами и птеринами и спектры действия физиологических ответов на синий свет и ближний ультрафиолет. а — Спектры поглощения растворов рибофлавина (рН 7): 1 — окисленная форма; 2 — дигидро-форма; б — спектры поглощения водных растворов тетрагидроптериновых коферментов: 1 — тетрагидробиоптерин (рН 7); 2 — тетрагидрофолиевая кислота (рН 7); 3 — 5,10-метенилтетрагидрофолат (рН 3); в — спектры действия физиологических ответов организмов на синий свет: 1 — сдвиг фазы циркадного ритма вылупления куколок БгозоркИа рзеийооЪзсига [167]; 2 — фототропизм макроспорангиофоров гриба Ркусотусвз Ыаквзкваиш [168]; 3 — фототропизм колеоптилей овса [169]; г — спектры действия физиологических ответов организмов на ближний ультрафиолет: 1 — физиологическая фотодеградация криптохрома БгозоркИа [170]; 2 — фотореактивация ДНК (фотокаталитическая активность ДНК-фотолиазы Басскаготусвз свгвУ1.^ав) [171]
ваются никотинамидными коферментами [10—13]. Хромофором служит также одно из производных птерина (2-амино-4-оксо-птеридина) — 5,10-метенилтетрагидрофолат (МТИБ), известное как участник метаболизма одноуглеродных остатков (рис. 2).
Возникает вопрос, в силу каких причин ко-ферменты стали сенсорами фотонов, т.е. внедрились в чуждую молекулярно-физиологичес-кую нишу, заполненную специализированными пигментами? Закономерен и другой вопрос: могли ли фотохимически активные молекулы коферментов стать участниками биологической утилизации солнечной энергии. В обзоре рассмотрены эти вопросы, причем обсуждение сфокусировано на свойствах флавинов и птери-нов, активность которых выявлена в фотобелках, а также на моделях, имитирующих добио-логические процессы с участием этих соединений. Структурно-функциональные особенности и филогенез самих фотобелков подробно освещены в других источниках [14—22].
ОБ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ДРЕВНОСТИ КОФЕРМЕНТОВ
Интерес к коферментам как участникам эволюционного процесса связан с тем, что метаболическая система клетки без них функционировать не может. Это заставляет предположить, что коферменты участвовали уже в ранних этапах формирования метаболизма, и сегодня стали своеобразными метаболическими реликтами [23, 24]. Структурное сходство с нуклеотидами указывает на возможное функционирование ко-ферментов в гипотетическом «мире РНК», в котором генетические и биокаталитические функции организмов полностью обеспечивались соединениями нуклеотидной природы без участия белков [25—28].
По современным представлениям, земная кора сформировалась около 4,5 млрд лет назад, а возраст древнейших осадочных пород, содержащих ископаемые микроорганизмы, близок 3,5 млрд лет (метаморфизация более древних пород исключает сохранность фоссилизирован-ных останков). Морфологическое сходство этих микроископаемых с современными цианобак-териями наводит на мысль о том, что они представляли собой результат эволюции более примитивных организмов, начавшейся около миллиарда лет до этого [29—32]. Согласно данным сравнительного анализа вторичной структуры белков, возраст флаводоксинов (и, тем самым, флавинов) восходит к древнейшим организмам Земли и оценивается в 3,2—4,5 млрд лет [33].
Синтез коферментных гетероциклов, в том числе птеридинов и бензоптеридинов, показан при моделировании условий, существовавших на добиологической Земле [34—37]. Так, например, при нагревании до 150—200° безводных смесей аминокислот в отсутствие кислорода образуются конъюгаты изоаллоксазинов и птери-динов с аминокислотными полимерами (фла-вопротеиноиды) [35—37], которые в водной среде агрегируют, образуя фазовообособленные структуры, так называемые, «микросферы Фокса» [38]. В бесферментных условиях абиотической среды, а также под воздействием полирибо-нуклеотидного катализа, функционировавшего, по современным представлениям, на ранних этапах эволюции, могли образовываться и сами коферменты, в том числе, квазидинуклеотид-ные молекулы NAD+ и FAD [39—43].
ФОТОФИЗИЧЕСКИЕ И ФОТОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФЛАВИНОВ И ПТЕРИНОВ
Свойства флавинов и птеринов как участников фотопроцессов определяются, прежде всего, системами сопряженных двойных связей изоаллоксазина и птеридина. Связывание гете-роциклом электронов, протонов, а также присоединение боковых заместителей влияют на распределение электронной плотности и проявление этих свойств. На эти свойства также влияет ионный состав среды и полярность растворителя [44—46]. Спектры поглощения флавинов (FMN или рибофлавина) в водном растворе содержат полосы поглощения света при 446, 375, 265 и 220 нм. Длинноволновый максимум в спектре поглощения дезазарибофлавина расположен при 420 нм. Неконъюгированные (т.е. содержащие малоразмерные заместители) птери-ны, например, биоптерин, имеют максимумы поглощения при 275 и 340 нм. Фолиевая к
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.