![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Нефотохимическое тушение флуоресценции (НФТ), активно изучаемое последние 30 лет, является ключевым механизмом защиты фотосинтетического аппарата, обеспечивающим быстрый ответ на избыточное солнечное излучение. Механизмы, выработанные в ходе эволюции различными отрядами фотосинтетических организмов, объединяет наличие специальных pH-чувствительных белков, конформационные изменения в которых ведут к активации НФТ. В зеленых водорослях эти функции реализуются одним стрессовым белком LHCSR, эволюционно продвинутые высшие растения используют в качестве pH-сенсора белок PsbS фотосистемы II, активирующий НФТ в светособирающей антенне LHCII, являющейся основным центром тушения. Недавно полученный рекомбинантный химерный белок LHCII-SR, полученный заменой С-концевых аминокислот LHCII на pH-чувствительный С-концевой фрагмент белка LHCSR, успешно объединяет эти функции в одной светособирающей антенне. Известная с атомной точностью структура LHCII позволяет создать модель химеры LHCII-SR, исследовать молекулярные механизмы pH-зависимой регуляции с теоретической точки зрения и обнаружить связанные конформационные переходы, недоступные для экспериментальной регистрации. В данной работе будет проведено исследование структурных изменений, происходящих в LHCII-SR при понижении pH, с использованием молекулярной динамики. Моделирование квантовой динамики переноса энергии электронного возбуждения будет использовано, чтобы определить функции отдельных пигментов и выявить ключевые изменения, вызывающие активацию НФТ. Такое исследование белка LHCII-SR представляет фундаментальный интерес для понимания как механизма переноса энергии в ходе НФТ, так и функционирования pH-зависимой регуляции.
Non-photochemical quenching (NPQ), a process which has been studied intensively over the last 30 years, is the key protective mechanism of photosynthetic apparatus providing fast response to excessive sunlight. Mechanisms developed during evolution by various divisions of the photosynthetic organisms have a similarity - the presence of the pH-sensitive protein wherein conformational changes lead to activation of NPQ. These functions are performed by one stress protein LHCSR in green algae in contrast to advanced higher plants which utilize photosystem II protein PsbS promoting NPQ in light-harvesting antenna LHCII, the main quenching site. Recently synthesized recombinant chimeric protein LHCII-SR obtained by replacing the C-terminus of the LHCII by the pH-sensitive one of LHCSR successfully combines these functions in one light-harvesting antenna. LHCII structure known with atomic precision allows to make model of the LHCII-SR chimera, to study molecular mechanisms of pH-dependent regulation from theoretical viewpoint, and to reveal conformational transitions invisible for experimental observation. In this work, structural changes taking place in LHCII-SR at low pH conditions will be studied using molecular dynamics. Modeling of quantum dynamics of excitation energy transfer will be used to determine the functions of individual pigments and reveal the key changes promoting NPQ. Such study of LHCII-SR is of the fundamental interest for understanding both the mechanism of energy transfer during NPQ and the functioning of pH-dependent regulation.
В проекте будут исследованы конформационные изменения в химерном белке LHCII-SR и их влияние на скорость и механизм NPQ в комплексе. В частности: 1) создана модель трехмерной структуры комплекса, а подвижность белковой части исследована с помощью молекулярной динамики; 2) построены экситонные состояния в комплексе, рассмотрены вклады пигментов в них и сделаны предположения об их ролях; 3) смоделированы спектральные свойства комплекса LHCII-SR, а именно спектры поглощения, кругового и линейного дихроизма; 4) исследован перенос энергии электронного возбуждения в комплексе с использованием иерархических уравнений движения, в частности определены константы скорости переноса в среде экситонных состояний хлорофиллов и с хлорофиллов на ксантофиллы (определяющие скорость NPQ в принятой нами модели); 5) выделены пигменты, аминокислотные остатки, которые претерпевают конформационные изменения при понижении pH, сделаны предположения об их роли в регуляции NPQ. С одной стороны, данный проект позволит уточнить молекулярные механизмы NPQ в исходном белке LHCII, которые к настоящему времени остаются дискуссионными. С другой стороны, он позволит провести параллели с механизмом регуляции NPQ в стрессовых белках семейства LHCSR, для которых отсутствуют данные рентгеноструктурного анализа, а умеренная схожесть белков (около 50% совпадающих аминокислот) затрудняет восстановление их ядерной геометрии методами предсказания структуры белка на основе гомологичных антенн семейства lhcb.
Научный коллектив имеет большой опыт теоретического моделирования первичных процессов фотосинтеза и свойств фотосинтетических комплексов. Так, несколько работ посвящен антеннам пурпурных бактерий, в частности – экситонных состояний антенны LH1 и LH2. В комплексе LH2 были обнаружены конформационные изменения, ведущие к изменению энергий экситонных состояний. Ряд работ связан с моделированием оптических свойств периферических антенн фотосистемы II: были смоделированы спектральные свойства, изучена важность влияния поляризующегося белкового окружения на экситонные состояния в комплексах. Авторы располагают программными кодами для расчета эффективных TrESP-зарядов и TrCAMM-зарядов, экситонных гамильтонианов в поляризующемся окружении, уширения спектральных линий на основе теории Редфилда.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 19 марта 2018 г.-19 марта 2019 г. | Исследование pH-зависимых молекулярных механизмов фотозащиты в химерной фотоантенне LHCII-SR |
Результаты этапа: В ходе выполнения первого этапа проекта получены следующие результаты: - Для комплекса LHCII-SR предложена модель третичной структуры pH-чувствительного С-конца белка. Первичная модель, полученная с использованием I-TASSER на основе структур белков LHCII и LHCSR, из которых состоит химерный комплекс, была использована для поиска конформационных минимумов, соответствующих реальной структуре комплекса. В ходе такого поиска обнаружены 3 конформации, которые были рассмотрены в качестве возможных кандидатов на модель структуры LHCII-SR. - Для каждой из конформаций проведено моделирование спектров кругового дихроизма (КД), отличающихся высокой чувствительностью к взаиморасположению пигментов. Одна из конформаций, для которой спектр КД демонстрирует количественное согласие с экспериментальными данными, была выбрана для дальнейшего моделирования pH-зависимости нефотохимического тушения флуоресценции. - Проведена симуляция молекулярной динамики при постоянном pH для данной конформации (3 реплики при pH 4.4 общей продолжительностью 90 нс). В ходе динамики была обнаружена агрегация pH-чувствительного остатка и основной части комплекса, приводящая к структурным изменениям внутри комплекса, в том числе в сближение пигментов в гетеродимере хлорофилл 612 - лютеин 620, перенос энергии возбуждения в котором является скоростьлимитирующей стадией нефотохимического тушения флуоресценции. - Проведено моделирование возбужденных состояний пигментов гетеродимера методом МКССП для изучения влияния структурных изменений на энергию экситонного взаимодействия между пигментами (взаимодействие между переходами S0->Qy в хлорофилле и 1Ag-->2Ag- в лютеине). Проведен анализ влияния размера активного пространства МКССП на переходные свойства лютеина и энергию взаимодействия между пигментам. Была показана необходимость включения всех орбиталей сопряженной π-системы лютеина, что достигается использованием МКССП с ограниченной кратностью возбуждений. - Рассчитаны средние значения энергии экситонного взаимодействия на динамических траекториях при pH 4.4 и 7.5. Показано, что при понижении pH среднее значение энергии взаимодействия увеличивается с 18.9 см-1 до 20.5-23.8 см-1 (в зависимости от реплики), что соответствует росту скорости нефотохимического тушения флуоресценции в 1.17-1.59 раза, что согласуется с экспериментальными данными. Таким образом, в ходе работы, как и было запланировано, воссоздана структура комплекса LHCII-SR, смоделированы его спектральные свойства и предложена модель конформационных изменений, происходящих при понижении pH. | ||
2 | 19 марта 2019 г.-19 марта 2020 г. | Исследование pH-зависимых молекулярных механизмов фотозащиты в химерной фотоантенне LHCII-SR |
Результаты этапа: За первый год реализации проекта предложена модель структуры комплекса; идентифицированы структурные изменения в комплексе, происходящие при понижении pH; рассчитаны энергии экситонного взаимодействия в димере хлорофилл-лютеин и исследована их зависимость от pH. За второй год реализации проекта предложен подход к расчету энергий темнового электронного состояния 2Ag- для полиенов и каротиноидов; проведен расчет экситонного гамильтониана комплекса LHCII-SR; предложена кинетическая модель нефотохимического тушения флуоресценции в комплексе, включающая как молекулы лютеина, так и хлорофиллы; для предложенной модели исследовано влияние величины pH на скорости тушения флуоресценции; рассмотрен агрегат LHCII/LHCII-SR и предложена модель переноса энергии электронного возбуждения в нем. Рассмотрим результаты второго года подробнее. 1. Проведено исследование применимости комбинации метода DMRG с поправкой по теории возмущения NEVPT2 для расчета энергий возбужденных состояний структурных аналогов каротиондов – транс-полиенов. Показано, что а) релаксация состояния 2Ag- в его локальный минимум приводит значительному (~1 эВ) понижению его энергии по сравнению с геометрией основного состояния, что соответствует существенному различию ядерных геометрий состояний и низкой вероятности 0->0 перехода; б) предложенный подход позволяет достичь отклонения от эксперимента 0.15-0.30 эВ, что является хорошим согласием с учетом многоконфигурационной природы состояния 2Ag-. 2. Для незамещенных полиенов и лютеина рамках приближения Франка-Кондона проведено моделирование электронно-колебательных спектров поглощения из основного электронного состояния в состояния 2Ag- и 1Bu+, а также из состояния 2Ag- в 1Bu+. Для перехода экспериментально наблюдаемого перехода 1Ag-->1Bu+ показано хорошее согласие с экспериментом, для перехода 1Ag-->2Ag- показано, что наибольшая интенсивность наблюдается для электронно-колебательных переходов 0->3 и 0->4, что согласуется со значительным сдвигом минимумов энергии состояний 1Ag- и 2Ag-. 3. Проведен расчет из первых принципов экситонного гамильтониана комплекса LHCII-SR, включающего состояния Qy хлорофиллов и 2Ag- молекул лютеина, показано что энергия экситонного взаимодействия хлорофилл-лютеин является ощутимой (более 1 см-1) только для димеров хлорофилл-лютеин, располагающихся в центре комплекса, в то время как энергии взаимодействия лютеинов с остальными хлорофиллами пренебрежимо малы. Показано, что сильно взаимодействующий хлорофилл №612 имеет наименьшую энергию возбуждения среди состояний хлорофиллов, что согласуется с экспериментальными наблюдениями и позволяет рассматривать его в качестве основного переносчика энергии возбуждения с пула хлорофиллов а на лютеин. 4. Проведен расчет спектральных функций взаимодействия пигментов с белковым окружением и моделирование динамики переноса энергии возбуждения в комплексе после возбуждения в полосу экситонных состояний хлорофиллов а. Показано, что в полосе экситонных состояний хлорофиллов а быстро устанавливается термическое равновесие (<10 пс), в то время как перенос энергии возбуждения на лютеин представляет собой значительно более медленный процесс. При этом количественного согласия для скорости переноса в рамках теории Редфилда достичь не удалось в силу недостаточной ширины неэмпирической спектральной функции вместе с достаточно большой разницей энергий возбуждения пигментов в димере. 5. Поскольку, как было показано, термическое равновесие между хлорофиллами достигается очень быстро, моделирование кинетики тушения флуоресценции было проведенов рамках гибридной модели, включающей равновесие в полосе экситонных состояний хлорофиллов а и перенос энергии возбуждения с хлорофилла №612 на лютеин, рассчитанный в рамках теории Ферстера. Для предложенной модели получено как согласие с экспериментом абсолютных величин характерных времен тушения флуоресценции в нейтральной (1.93 нс против 2.19 нс) и кислой (1.66 нс против 1.83 нс) среде, так и хорошее согласие относительного изменения скорости тушения флуоресценции при понижении pH (1.16 раза против 1.20 раза). |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".