Википедия

Оранжевый каротиноид-протеин

Оранжевый каротиноид-протеин (ОКП) — водорастворимый протеин, который у различных цианобактерий служит белком-тушителем, уменьшающим на интенсивном свету передачу энергии от фикобилисом к хлорофиллу в пигментном аппарате фотосинтеза у цианобактерий[1]. Это единственный из известных фотоактивных белков, в котором в качестве фоточувствительных хромофоров используются каротиноиды. Белок состоит из двух доменов, между которыми нековалентно закреплена единственная молекула кето-каротиноида. Это очень эффективный тушитель энергии возбуждения, поглощённой основным светособирающим антенным комплексом цианобактерий — фикобилисомами. Тушение происходит под действием сине-зеленого света. ОКП также способен предотвращать окислительное повреждение, осуществляя тушение энергии возбуждения синглетного кислорода (1O2).

Оранжевый каротиноид-протеин
Обозначения
Символы Ocp; slr1963
PDB 1M98
UniProt P83689
Логотип Викиданных Информация в Викиданных ?

История править

ОКП был впервые описан в 1981 году Холтом и Крогманном, которые изолировали его из цианобактерии Arthrospira maxima[2]. Функции белка оставались не ясны вплоть до 2006 года. Пространственная структура ОКП была получена в 2003 году. Из неё следовало, что белок является эффективным тушителем синглетного кислорода[3]. В 2000 году было показано, что цианобактерии могут осуществлять фотозащитное тушение флуоресценции независимо от фазового перехода мембраны, перепада трансмембранного рН и температуры[4]. Спектр действия процесса тушения указывал на причастность каротиноидов[5], а конкретное участия ОКП было позже продемонстрировано Д. Кириловски и коллегами в 2006 году[6]. В 2008 было показано, что для осуществления фотозащитной функции оранжевый каротиноид-протеин должен быть активирован сильным сине-зелёный светом[7].

Физиологическое значение править

Долгое время цианобактерии считались неспособными к нефотохимическому тушению, вместо этого предполагалось, что они полагаются на механизм перераспределения энергии между двумя фотосинтетические реакционными центрами, ФСII и ФСI, известный как механизм «переходных состояний»[8].

Оранжевый каротиноид-протеин присутствует в большинстве геномов цианобактерий[1] и обладает невероятно консервативной первичной структурой, что по-видимому объясняется важностью такой аминокислотной последовательности для сохранения функции протеина. Мутантные клетки с делетированным ОКП выцветали на ярком свету[6], а их фотоингибирование под действием вспышек света наступает быстрее[9]. В условиях недостатка питательных веществ, что является нормой в морских местообитаниях, механизм фотозащиты, такой как ОКП, становится важным даже при низкой освещённости[10].

Этот белок не обнаружен в хлоропластах, и по-видимому характерен только для цианобактерий.

Функция править

 
Спектр поглощения неактивной оранжевой формы ОКП в сравнении со спектром поглощения фотоактивной красной формы.

Фотоактивация править

При освещении зелёно-голубым светом оранжевый каротиноид-протеин переключается из оранжевой формы (ОКПО) в красную (ОКПR). Возврат ОКПR в ОКПО не зависит от освещения и медленно, самопроизвольно происходит в темноте. Обратимость процесса в клетках обеспечивает низкомолекулярный (13 кДа) белок, FRP (англ. Fluorescence recovery protein). ОКПО считается темновой, стабильной формой этого белка, она не способствует тушению фикобилисом, а вот форма ОКПR активна и участвует в этом процессе. Переход из оранжевой в красную форму происходит на свету и идёт с низкой эффективностью (очень низкий квантовый выход). Такой механизм даёт возможность белку быть активным только при высокой освещённости; в противном случае нефотохимическое тушение, осуществляемое белком, мешало бы фотосинтезу в условиях низкого освещения.

Тушение править

Снижение флуоресценции свидетельствует, что красная форма ОКП рассеивает поглощённую фикобилисомами энергию света (энергию возбуждения). Согласно измерениям, при активации ОКП около 30-40 % энергии, поглощаемой фикобилисомами не достигает реакционных центров[11]. Точный механизм тушения и сайты связывания каротиноидов и фикобилисом по-прежнему остаются не известными. Известно что линкерный полипептид ApcE в аллофикоцианиновом ядре фикобилисом важен для этого процесса[6][12], но он не является сайтом тушения[13]. Различные доказательства указывают на то, что тушению подвергается полоса флуоресценции аллофикоцианинового ядра с длинной волны в 660 нм[11][13][14]. Температурная зависимость скорости тушения флуоресценции похожа на кривую сворачивания оранжевого каротиноид-протеина[15], что поддерживает гипотезу о том, что ОКПО слегка денатурирует, когда превращается в ОКПR.

Тушение синглетного кислорода править

Кроме всего прочего ОКП способен тушить синглетный кислород при облучении сильным оранжево-красным светом, когда он не может фотоактивироваться и выполнять свою фотозащитную функцию тушения фикобилисом[16]. Это факт весьма существенен, поскольку все оксигенные фототрофы имеют определённый риск окислительного повреждения синглетным кислородом (1О2), который вырабатывается, когда их собственные светособирающего пигменты действуют как фотосенсибилизаторы[17].

Структура править

 
Ленточная диаграмма оранжевого каротиноид-протеина из Arthrospira maxima, (PDB 1M98 Архивная копия от 3 апреля 2016 на Wayback Machine).

Трёхмерная структура править

Трехмерные структуры ОКП (в форме ОКПО) была расшифрована в 2003 году, до того как стала понятна его фотозащитная функция[3]. Этот белок весом в 35 кДа состоит из двух структурных доменов: полностью α-спирального N-концевого домена, построенного из двух чередующихся четырёхспиральных пучков, и смешанного α/β С-концевого домена. Два домена соединены длинным пептидным линкером. На трёхмерной структуре ОКПО каротиноиды пересекают оба домена, которые у этой формы белка тесно связаны между собой.

Белок-белковые взаимодействия править

Оранжевый каротиноид-протеин участвует в ключевых белок-белковых взаимодействях, которые имеют решающее значение для его фотозащитной функции. Активированная форма ОКПR связывается c aллофикоцианиновым ядром и инициирует механизм тушения. Другой белок, FRP, взаимодействует с C-концевым доменом ОКПR и катализирует реакцию превращения его обратно в ОКПО форму[18]. Поскольку ОКПО не может связываться с фикобилисомами, FRP может эффективно отсоединять ОКП от светособирающих комплексов и восстанавливать их способность к передачи энергии света в реакционные центры.

Гены править

Первичная структура (аминокислотная последовательность) очень консервативна среди различных ОКП, а ген белка на бактериальной хромосоме, как правило, расположен в соседнем локусе с белком FRP[1]. Довольно часто рядом расположены гены, ответственные за биосинтез кетокаротиноидов. Такие консервативные функциональные связи подчеркивают эволюционное значение механизма фотозащиты основанного на ОКП для многих цианобактерий.

Существует также множество эволюционно-родственных генов, которые кодируют белки состоящие только из одного из двух доменов, характерных для ОКП. N-концевой домен, Carot_N, встречается только у цианобактерий, но проявляет значительный уровень дупликации. С-концевой домен гомологичен широко распространённому суперсемейству NTF2, все члены которого обладаю укладкой аналогичной белку NTF2 (фактор ядерного транспорта 2), а также примерно 20 другим белковым подсемействам с разнообразными функциями: лимонен-1,2-эпоксидгидролазы, SnoаL-полекетидциклазы и дельта-5-3-кетостероидизомеразы. Большинство если не все члены суперсемейства NTF2 образуют олигомеры, часто используя поверхность бета-листа, чтобы взаимодействовать друг с другом и другими белками.

Практические применения править

Растворимость в воде вместе со статусом единственного известного фотоактивного белка, содержащего каротиноиды, делает ОКП ценной моделью для изучения энергетических и фотофизических свойств каротиноидов в растворах. Кроме того, каротиноиды широко известны как антиоксиданты, и таким образом белок может служить упаковкой для доставки каротиноидов в организм в лечебных целях.

Благодаря высокой эффективности тушения флуоресценции в сочетании с низким квантовым выходом фотоактивации с помощью специфических длин волны света, ОКП обладает всеми качествами идеального фотопереключателя, в связи с чем было предложено его использование в качестве новой системы для развивающихся оптогенетических технологий[1]. В будущем он может получить и другие применения в оптофлюидике и биофотонике.

См. также править

Примечания править

  1. ↑ 1 2 3 4 Kirilovsky Diana, Kerfeld Cheryl A. The Orange Carotenoid Protein: a blue-green light photoactive protein (англ.) // Photochemical and Photobiological Sciences  (англ.) (рус. : journal. — 2013. — Vol. 12, no. 7. — P. 1135—1143. — ISSN 1474-905X. — doi:10.1039/c3pp25406b. — PMID 23396391.
  2. ↑ Kay Holt, Thomas Krogmann, David W. A carotenoid-protein from cyanobacteria (англ.) // Biochimica et Biophysica Acta  (англ.) (рус. : journal. — 1981. — Vol. 637, no. 3. — P. 408—414. — ISSN 0005-2728. — doi:10.1016/0005-2728(81)90045-1.
  3. ↑ 1 2 Kerfeld, Cheryl A; Sawaya, Michael R; Brahmandam, Vishnu; Cascio, Duilio; Ho, Kwok Ki; Trevithick-Sutton, Colleen C; Krogmann, David W; Yeates, Todd O. The Crystal Structure of a Cyanobacterial Water-Soluble Carotenoid Binding Protein (англ.) // Structure : journal. — 2003. — Vol. 11, no. 1. — P. 55—65. — ISSN 0969-2126. — doi:10.1016/S0969-2126(02)00936-X. — PMID 12517340.
  4. ↑ El Bissati K. Delphin E. Murata N. Etienne A.-L. Kirilovsky D. Photosystem II fluorescence quenching in the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803: involvement of two different mechanisms (англ.) // Biochimica et Biophysica Acta  (англ.) (рус. : journal. — 2000. — Vol. 1457, no. 3. — P. 229—242. — ISSN 0005-2728. — doi:10.1016/S0005-2728(00)00104-3.
  5. ↑ Rakhimberdieva =Marina G. Stadnichuk Igor N. Elanskaya Irina V. Karapetyan Navassard V. Carotenoid-induced quenching of the phycobilisome fluorescence in photosystem II-deficient mutant of Synechocystis sp. (англ.) // FEBS Letters  (англ.) (рус. : journal. — 2004. — Vol. 574, no. 1—3. — P. 85—88. — ISSN 0014-5793. — doi:10.1016/j.febslet.2004.07.087.
  6. ↑ 1 2 3 Wilson A., Ajlani G., Verbavatz J.M., Vass I., Kerfeld C.A., Kirilovsky D. A soluble carotenoid protein involved in phycobilisome-related energy dissipation in cyanobacteria. (англ.) // The Plant Cell : journal. — 2006. — Vol. 18, no. 4. — P. 992—1007. — doi:10.1105/tpc.105.040121. — PMID 16531492. — PMC 1425857.
  7. ↑ Wilson A., Punginelli C., Gall A., Bonetti C., Alexandre M., Routaboul J.M., etal. A photoactive carotenoid protein acting as light intensity sensor. (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 2008. — Vol. 105, no. 33. — P. 12075—12080. — doi:10.1073/pnas.0804636105. — PMID 18687902. — PMC 2575289.
  8. ↑ Biggins John, Bruce Doug. Regulation of excitation energy transfer in organisms containing phycobilins (англ.) // Photosynthesis Research : journal. — 1989. — Vol. 20, no. 1. — P. 1—34. — ISSN 0166-8595. — doi:10.1007/BF00028620.
  9. ↑ Boulay Clémence, Abasova Leyla, Six Christophe, Vass Imre, Kirilovsky Diana. Occurrence and function of the orange carotenoid protein in photoprotective mechanisms in various cyanobacteria (англ.) // Biochimica et Biophysica Acta  (англ.) (рус. : journal. — 2008. — Vol. 1777, no. 10. — P. 1344—1354. — ISSN 0005-2728. — doi:10.1016/j.bbabio.2008.07.002.
  10. ↑ Wilson A. Boulay C. Wilde A. Kerfeld C. A. Kirilovsky D. Light-Induced Energy Dissipation in Iron-Starved Cyanobacteria: Roles of OCP and IsiA Proteins (англ.) // THE PLANT CELL ONLINE : journal. — 2007. — Vol. 19, no. 2. — P. 656—672. — ISSN 1040-4651. — doi:10.1105/tpc.106.045351. — PMID 17307930. — PMC 1867334.
  11. ↑ 1 2 Rakhimberdieva Marina G. Elanskaya Irina V. Vermaas. Carotenoid-triggered energy dissipation in phycobilisomes of Synechocystis sp. PCC 6803 diverts excitation away from reaction centers of both photosystems (англ.) // Biochimica et Biophysica Acta  (англ.) (рус. : journal. — 2010. — Vol. 1797, no. 2. — P. 241—249. — ISSN 0005-2728. — doi:10.1016/j.bbabio.2009.10.008.
  12. ↑ Rakhimberdieva Marina G. Vavilin Dmitrii V. Vermaas Wim F.J. Elanskaya; Irina V. Karapetyan Navassard V. Phycobilin/chlorophyll excitation equilibration upon carotenoid-induced non-photochemical fluorescence quenching in phycobilisomes of the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 (англ.) // Biochimica et Biophysica Acta  (англ.) (рус. : journal. — 2007. — Vol. 1767, no. 6. — P. 757—765. — ISSN 0005-2728. — doi:10.1016/j.bbabio.2006.12.007.
  13. ↑ 1 2 Jallet D., Gwizdala M., Kirilovsky D. ApcD, ApcF and ApcE are not required for the Orange Carotenoid Protein related phycobilisome fluorescence quenching in the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803. (англ.) // Biochimica et Biophysica Acta  (англ.) (рус. : journal. — 2012. — Vol. 1817, no. 8. — P. 1418—1427. — doi:10.1016/j.bbabio.2011.11.020. — PMID 22172739.
  14. ↑ Kuzminov F.I. Bolychevtseva Yu.V. Elanskaya I.V. Karapetyan N.V. Effect of APCD and APCF subunits depletion on phycobilisome fluorescence of the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803 (англ.) // Journal of Photochemistry and Photobiology  (англ.) (рус. : journal. — 2014. — Vol. 133. — P. 153—160. — ISSN 1011-1344. — doi:10.1016/j.jphotobiol.2014.03.012.
  15. ↑ Rakhimberdieva Marina G. Bolychevtseva Yulia V. Elanskaya Irina V. Karapetyan Navassard V. Protein–protein interactions in carotenoid triggered quenching of phycobilisome fluorescence in Synechocystis sp. PCC 6803 (англ.) // FEBS Letters  (англ.) (рус. : journal. — 2007. — Vol. 581, no. 13. — P. 2429—2433. — ISSN 0014-5793. — doi:10.1016/j.febslet.2007.04.056.
  16. ↑ Sedoud A., López-Igual R., Ur Rehman A., Wilson A., Perreau F., Boulay C., etal. The Cyanobacterial Photoactive Orange Carotenoid Protein Is an Excellent Singlet Oxygen Quencher. (англ.) // The Plant Cell : journal. — 2014. — Vol. 26, no. 4. — P. 1781—1791. — doi:10.1105/tpc.114.123802. — PMID 24748041. — PMC 4036585.
  17. ↑ Krieger-Liszkay Anja, Fufezan Christian, Trebst Achim. Singlet oxygen production in photosystem II and related protection mechanism (англ.) // Photosynthesis Research : journal. — 2008. — Vol. 98, no. 1—3. — P. 551—564. — ISSN 0166-8595. — doi:10.1007/s11120-008-9349-3. — PMID 18780159.
  18. ↑ Sutter, M.; Wilson, A.; Leverenz, R. L.; Lopez-Igual, R.; Thurotte, A.; Salmeen, A. E.; Kirilovsky, D.; Kerfeld, C. A. Crystal structure of the FRP and identification of the active site for modulation of OCP-mediated photoprotection in cyanobacteria (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 2013. — Vol. 110, no. 24. — P. 10022—10027. — ISSN 0027-8424. — doi:10.1073/pnas.1303673110.
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Оранжевый_каротиноид-протеин&oldid=122107346