О роли глицина в регуляции скорости переноса электронов в реакционном центре фотосистеме II

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2013. Вып. 1
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 577.112.389.5(045)

О.В. Шлык-Кернер, Д. Кафтан, А. Шерц

О РОЛИ ГЛИЦИНА В РЕГУЛЯЦИИ СКОРОСТИ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ 
В РЕАКЦИОННОМ ЦЕНТРЕ ФОТОСИСТЕМЫ II

Аминокислота (АК) глицин (Гли) белка D1 может участвовать в слабых белок-белковых взаимодействиях. Они 
важны для изменения конформаций реакционного центра (РЦ) фотосистемы II (ФСII), таким образом, регулируя скорость переноса электронов (ПЭ) в белке. Гли замещался на 20 АК мутагенезом в цианобактериях Synechocystis РСС6803. Только три мутанта поддержали фотоавтотрофный рост организма. Показано, что функция 
белка и скорость ПЭ в мутантах уменьшались прямо пропорционально размеру АК, тогда как энергия активации возрастала. Результаты указывают на центральную роль Гли в образовании межбелковых связей и 
регуляции скорости ПЭ в РЦ ФСII.

Ключевые слова: реакционный центр, трансмембранные белки, Ван-дер-ваальсовы силы, комбинаторный мутагенез, водородная связь.

Реакционный центр (РЦ) фотосистемы II (ФСII) – это трансмембранный (ТМ) белково
пигментный комплекс, который катализирует превращение солнечной энергии в электро-химический 
потенциал в про- и эукариотах. Превращение энергии происходит при помощи переноса электронов
(ПЭ), вызванного квантом света, между различными кофакторами, которые нековалентно связанны с 
белковым матриксом. Сформировавшийся потенциал катализирует окисление воды и мобилизацию 
протонов, результатом чего является освобождение молекулярного кислорода и гидрохинона. Структура ФСII термофильных цианобактериий Thermosynechococcus elongatus была опубликована недавно 
при разрешении 3.5 А [1] и 3.0 А [2], показывая высокую гомологию с давно известными структурами РЦ различных видов пурпурных бактерий [3; 4]. Как и предполагалось ранее, ядро РЦ ФСII состоит из двух гомологичных белковых субъединиц D1 и D2, каждая из которых содержит пять ТМ
альфа-спиралей, A, B, C, D и Е. В основном пигменты-переносчики связаны D спиралями D1 и D2
субъединиц, расположенных близко к зеркальной симметрии (С2). Эти спирали пересекают друг друга в середине мембраны, формируя структуру, похожую на «Х». Верхние части «Х» связывают негемовое железо, а также два пластохинона (QA и QB), совместно образуя акцепторную часть РЦ ФСII. 
Нижние части, погруженные в цитозоль, образуют область донора и содержат «специальную пару» 
хлорофиллов (Хл), Р680, два дополнительных Хл и феофетина [5]. Следуя прямому или непрямому 
(посредством антенны Хл) фотовозбуждению, электрон перемещается от донора к акцептору комплекса РЦ в несколько этапов. На заключительном этапе молекула QA переносит электрон к QB, который подвергается дополнительному протонированию [6]. После получения второго электрона от QA и 
прохождения дополнительного протонирования дважды восстановленный QB покидает свой сайт как 
QH2 и замещается другой молекулой QB из пула хинонов.

Часто обсуждается роль белка в регуляции скорости ПЭ и получении энергии. Мы предложили 

механизм адаптации скорости ПЭ между кофакторами QA (связан с белком D2) и QB (связан с D1) к 
температуре окружающей среды [7]. В соответствии с предложенным механизмом электрон в РЦ далее не ускоряется при значениях температур выше физиологических. Более того, мы показали, что 
скорость ПЭ от QA к QB выходит на плато около значений физиологических температур у мезофилов и 
термофилов, достигая очень похожих скоростей при разных температурах (Там же). Механизм адаптации связан с мотивом ГлиxxxГли, который находится рядом с белковыми впадинами, близкими к 
области пересечения D спиралей. Мы показали при помощи анализа in silico, что, изменяя расстояние
и, таким образом, силу Ван-дер-ваальсовых взаимодействий между атомами одной или двух аминокислот (АК) внутри мотива, одна из впадин, обнаруженная рядом с участком QB, может полностью 
заблокироваться. Эксперименты в клетках цианобактерий показали, что энтропия активации для ПЭ
от QA к QB изменялась, таким образом, регулируя адаптацию мезофилов и термофилов к различным 
температурам среды (Там же). Изменения в энтропии активации были связаны с модификацией локальной конформации белка из-за разрушения впадины. Эти опубликованные данные поднимают несколько вопросов: как и насколько возможно изменить гибкость белка без нарушения его стабильности? И наоборот – насколько можно увеличить стабильность определенной белковой структуры без 
нарушения ее функциональности? Соответствует ли этим требованиям мотив ГлиxxxГли, в частно