Введение к работе
Актуальность темы Важное место в современной науке отводится исследованиям, посвященным поиску альтернативных источников энергии. Одним из наиболее перспективных направлений представляется изучение природных фотосинтетических процессов преобразования энергии солнечного света с целью ее возможного использования для пополнения мировых энергоресурсов. В настоящее время эффективность этих исследований обусловлена развитием биотехнологических, физических и физико-химических методов, позволяющих изучать молекулярные основы механизмов переноса энергии и электрического заряда, а также влияние белково-липидного окружения на функцию доноров и акцепторов редокс-эквивалентов. В связи с этим является актуальным изучение структур функционально значимых элементов фотосинтетических систем, в частности взаимодействия филлохинона с аминокислотами хинон-связывающего сайта (Д-сайта) и донорно-акцепторного взаимодействия на участке Ао-Аі в фотосистеме І (ФС1).
Пигмент-белковый комплекс ФС1 осуществляет фотоиндуцированное трансмембранное разделение зарядов, обусловленное переносом - электронов от периферических белков, таких как пластоцианин или цитохром Се, к водорастворимым природным акцепторам — ферредоксину или флаводоксину. Фотосистема I содержит около 12 полипептидных субъединиц, три из которых PsaA, PsaB и PsaC связывают -100 молекул хлорофилла a (Chi а), 15-25 (ї-каротиноидов, 2 молекулы филлохинона и 3 железо-серных кластера (Fe4S4). образуя комплекс ФС1. Перенос электрона осуществляется с участием симметрично расположенных кофакторов. В этом процессе задействованы первичный донор Р700 (димер хлорофилла а), первичный акцептор Ао (мономер хлорофилла а), вторичный акцептор Д (молекула филлохинона, витамина К, (К1)) и железо-серные кластеры Fx, Fa, Fa. Хлорофиллы и филлохиноны располагаются симметрично в двух областях и координируются PsaA и PsaB субъединицами.
Молекулы филлохинона локализуются в хинон-связывающих сайтах, образованных отдельными участками полипептидных субъединиц PsaA и PsaB. Малая идентичность этих полипептидов (45-50% по всей длине) обуславливает различный характер связывания молекул витамина К, с белковым окружением и, следовательно, особенности их функций. На основании сайт-направленного мутагенеза было сделано предположение, что Тгр А697, принадлежащий PsaA-субъединице и являющийся лигандом, влияет на редокс-потенциал ДД и на восстановление железо-серного кластера Fx,
переносе
т^гС/,я
СПета
4 электрона только вдоль PsaA-области ФС I. Наряду с этим была высказана гипотеза о возможности переноса электрона как вдоль PsaA, так и вдоль PsaB ветвей. В этом случае одна молекула витамина К, ответственна за медленный, а вторая - за быстрый перенос электрона (Joliot Р. и Joliot А.). Аминокислотные остатки в составе PsaA и PsaB, вероятно, предопределяют такое различие в функции вторичного акцептора электрона. До сих пор остается открытым вопрос, участвуют ли в переносе электрона в ФС1 кофакторы обеих ветвей (PsaA и PsaB) или только одной, а также вопрос относительно роли отдельных кофакторов, в частности филлохинона.
Изучение взаимодействия филлохинона с аминокислотами хинон-связывающего сайта является необходимым для установления особенностей транспорта электрона и выяснения роли каждой молекулы филлохинона в этом процессе. Одним из удобных подходов для изучения - свойств Аі-сайта является создание искусственных нековалентно связанных систем, моделирующих взаимодействие витамина К, и его производных с аминокислотами.
Работа выполнена в рамках программ научных исследований Министерства образования РФ, проводимых в Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова - на кафедре Химии и технологии биологически активных соединений по теме № 1Б-3-865 «Химический и микробиологический синтез биологически активных соединений, моделирующих процессы энергопереноса и биорегуляции».
Цель работы. Данная диссертация посвящена изучению искусственных систем, моделирующих взаимодействия витамина К, и его производных с аминокислотами хинон-связывающего сайта фотосистемы I.
Научная новизна Разработан новый подход к моделированию взаимодействия витамина К, с аминокислотными остатками хинон-связывающего сайта фотосистемы I. Получены нековалентные комплексы витамина К, и его производных с аминокислотами, обеспечивающими локализацию филлохинона в А,, сайте ФС1. Показана роль Тгр в переносе энергии с участием витамина К,. Предложена схема энергетического изменения витамина К, в комплексе с Тгр, на основании которой сделано предположение, что нафтохроманол как структурный изомер восстановленной формы витамина К, может являться интермедиатом вторичного акцептора электрона в ФС1.
Получены модели взаимодействия первичного (Chi а) и вторичного (К1) акцепторов электронов с аминокислотами. Установлено влияние Тгр и Туг на донорно-акцепторное взаимодействие Chi а-К1. Получены комплексы Chi а и/или Chi b с К1 и
5 Тф, изучены их флуоресцентные свойства. Показана адекватность свойств искусственных моделей Chi а/Ь-Тгр-К1 минимальному комплексу ФС1, выделенному из шпината.
Получены модифицированные частицы ФС1, не содержащие вторичного акцептора А,, функция последнего реконструирована путем введения экзогенных К1 и нафтохроманола. Получены подтверждения возможности участия нафтохроманола в этом процессе.
Практическая ценность работы - Установлены свойства искусственных
нековалентно связанных комплексов витамина К, с хлорофиллами и ароматическими аминокислотами, моделирующие взаимодействия кофакторов с аминокислотными остатками белковых сайтов фотосистемы I. Разработанные подходы к моделированию могут быть использованы в исследовании молекулярных механизмов природных процессов переноса энергии и биорегуляции с участием хинонов (фотосинтез, у-карбоксилирование белков каскада свертывания крови, окислительное фосфорилирование).
На защиту выносятся следующие положения.
Разработка подхода к моделированию взаимодействия витамина К, с аминокислотными остатками АгсайтаФС1;
Изучение физико-химических свойств нековалентных комплексов витаминов К, и К, и- их производных (гидрохинона, хингидрона, нафтохроманола) с аминокислотами А^сайта;
Изучение физико-химических свойств моделей в виде нековалентных комплексов хлорофиллов а и/или b (Chi а и/или Ь) с витамином К, (или нафтохроманолом) и аминокислотами;
4. Изучение редокс-свойств Р7оо в модифицированных частицах ФСІ;
Публикации По материалам диссертации опубликованы 2 статьи и тезисы 3
докладов.
Апробация работы Основные результаты работы были доложены на III съезде фотобиологов России и школе молодых ученых (Воронеж, 2001), III съезде биохимического общества (Санкт-Петербург, 2002) и IX Международной конференции по химии порфиринов и их аналогов (Суздаль, 2003).
