CC BY
19
УДК 539.196
МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЯЗЫВАНИЯ КАЛЬЦИЯ В СВЕТОСОБИРАЮЩЕМ КОМПЛЕКСЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО ЦЕНТРА БАКТЕРИИ Thermochromatium tepidum Б.Л. Григоренко, А.В. Немухин, Ж.-П. Жан*, П. Ванг*
(кафедра физической химии; e-mail: bell_grig@yahoo.com)
На основании первичной последовательности аминокислотных остатков а- и ß-полипептид-ных спиралей светособирающего комплекса LH1 фотосинтетического центра бактерий Thermochromatium tepidum построена трехмерная структурная модель субъединицы и предложено специфическое место связывания ионов кальция.
Ключевые слова: фотосинтез, светособирающие комплексы, трехмерные модели полипептидов, молекулярная механика.
Светособирающие комплексы - важные компоненты фотосинтетических систем растений и бактерий, ответственные за поглощение видимого света и передачу электронного возбуждения на реакционные центры. Первичные последовательности полипептидных цепей, окружающих кофакторы - молекулы хлорофил-лов (или бактериохлорофиллов) и каротиноидов, известны, однако получение трехмерной структуры с атомарным разрешением, особенно для комплексов типа ЬИ1, достаточно сложно из-за трудностей экспериментального исследования трансмембранных белков. Рентгено-структурные данные с приемлемым разрешением 2,0-2,5 А известны для светособирающих комплексов типа ЬИ2 из пурпурных бактерий Вкойо-pseudomonas аегйорНИа [1-3] или Вhodospirillum molischianum [4], в то время как структуры, полученные с разрешением 4,8 А, для комплексов типа ЬИ1 [5] позволяют анализировать лишь общие детали. Согласно результатам [5], комплекс ЬИ1 состоит из 15 или 16 субъединиц, т.е. пар а- и Р-полипептид-ных спиралей, между которыми заключены димеры молекул бактериохлорофилла (ВСЫ-а).
Интерес к структуре комплекса ЬИ1 пурпурных бактерий вызван особенностями свойств фотосинтетической термофильной бактерии Thermochromatium tepidum [6], которая может выдерживать экстремально высокие температуры вплоть до 58°С. Выделенный вместе с реакционным центром (ЯС) светособи-рающий комплекс ЬИ1 также оказался достаточно термостабильным [7]. Спектральные исследования ЬИ1-ЯС показали, что этот комплекс характеризуется
необычным красным сдвигом полосы поглощения перехода Qy BChl-a от типичных значений 885 нм до 915 нм [7-9]. Было показано, что и повышенная термостабильность, и наличие длинноволновой полосы поглощения при 915 нм полностью зависят от присутствия ионов кальция в комплексе [10, 11], причем на каждую субъединицу комплекса LH1 приходится один ион Ca2+.
Поскольку трехмерная атомарная структура а-, Р-полипептидов с включенными димерами бактериохло-рофилла для комплекса LH1 из Thermochromatium tepidum экспериментально не известна, то в работе [9] была предпринята попытка восстановить структуру субъединицы по шаблону методами молекулярного моделирования на основе процедур SWISS-MODEL и MODELER. Для этого известная первичная последовательность аминокислотных остатков а-, р-полипептидов LH1 из Thermochromatium tepidum [7] была выравнена по последовательностям а-, Р-полипептидов комплекса LH2 из Rhodo-pseudomonas acidophila [2] с известной кристаллографической структурой. По результатам анализа построенной модели было высказано предположение, что ионы Ca2+ связываются на С-конце а-спирали [9].
Последнее утверждение не свободно от недостатков. Предполагаемое в работе [9] место связывания Ca2+
находится на расстоянии более 22 А от ближайшего центра порфиринового кольца бактериохлорофилла, и трудно ожидать при столь отдаленном возмущении существенного сдвига в 30 нм для полосы поглощения BChl. Кроме того, не ясно, почему пред-
*Народный университет Китая, Пекин; e-mail: jpzhang@chem.ruc.edu.cn.
34
а-ч а С Т Ь ... LYKIWLILDPRRVLVSIVAFQIVLGLLIHMIVLSTDLNWLDDNIPVSYQAL...
-Mg2+-
-Mg2+-
р-ч a с т ь
Рис. 1. Структура субъединицы комплекса LH1 из Thermochromatium tepidum
... QSM YAWFGL VVIAHLLA WL YRP WL...
36
полагаемое место связывания иона металла (в основном, посредством заряженных аминокислотных остатков Asp) специфично по кальцию - любой ион
+ 2+
металла (Na , Mg ), рассматриваемый в экспериментальных работах [7-11], должен также легко связываться на данном сайте и также оказывать влияние на спектр димера бактериохлорофилла, однако этого не наблюдается.
В данной работе мы предлагаем другую модель трехмерной структуры субъединицы комплекса LH1 из Thermochromatium tepidum и другое место локализации ионов кальция в данной структуре.
На рис. 1 схематично показана структура моделируемой субъединицы. Аминокислотный состав а- и Р-полипептидов записан по данным первичных последовательностей, приведенным в работе [2]. Аминокислотные остатки His по позиции 34 в а-пептиде и 36 в Р-пептиде координируют через атомы Nc ионы магния, располагающиеся в центрах порфириновых колец молекул бактериохлорофилла.
В качестве шаблона мы использовали структуру соответствующего фрагмента, включающего а- и Р-полипептиды, димер BChl-а, еще одну молекулу BChl-а и молекулу каротиноида, из комплекса LH2 бактерии Rhodopseudomonas acidophila [3], приведенную в базе данных белковых структур с кодом PDBid: 2FKW. Далее структурные фрагменты были выравнены по позициям остатков His в обоих полипе-тидах. Замена каждого аминокислотного остатка была проведена вручную в обе стороны от позиции выравнивания так, чтобы, сохранив форму спиралей, восстановить состав, показанный на рис. 1. На каждом шаге точечных мутаций проводилась частичная оптимизация геометрических параметров методами молекулярной механики с отслеживанием сеток водородных связей. На рис. 2 изображен фрагмент модельной системы в окрестности ключевых аминокислотных остатков a-His34 и P-His36. Атомы азота Nc остатков гистидина связаны координационными связями с расстояниями 2,1 и 2,4 А с магниевыми центрами порфириновых колец молекул бактериохлорофилла, причем остаток a-His34 связан с молекулой BChl-а,
ближайшей к Р-спирали, а остаток Р-Б^Зб - с молекулой ВСЫ-а, ближайшей к а-спирали.
Важным результатом, полученным из анализа построенной модельной трехмерной системы, является наличие подходящей полости для иона кальция в непосредственной близости от молекул бактериохлоро-
Рис. 2. Фрагмент структуры субъединицы комплекса ЬИ1 из ТквттосктотаИит гвр1йит. Для наглядности показаны только тяжелые атомы (расстояния указаны в ангстремах)
Рис. 3. Предполагаемое место связывания иона кальция в структуре субъединицы комплекса ЬИ1 из ТквгтоскготаИит 1вр1йит. Для наглядности показаны только тяжелые атомы (расстояния указаны в ангстремах)
филла (рис. 3). Ион металла может быть координирован четырьмя кислородными атомами карбонильных групп молекул ВСЫ-а, а пятую координационную связь предоставляет атом кислорода карбонильной группы остатка а-Ол26 одной из полипептидных спиралей. На рис. 3 показаны примерные расстояния от предполагаемой позиции иона Са2+ до координирующих его атомов кислорода. Известно, что координационная сфера кальция принципиально может содержать пять лигандов [12], в отличие от магния или натрия. Близкое расположение иона металла к хромофорным молекулам вполне может приводить к заметному сдвигу в положении полосы поглощения. Предварительные оценки методами квантовой химии согласуются с направлением этого сдвига в сторону
более длинных волн. Данная позиция иона металла равно отстоит от обеих полипептидных спиралей и вполне может объяснять возрастание термостабильности комплекса при связывании кальция.
Для подтверждения данных результатов моделирования необходимо выполнить дополнительные расчеты структурных характеристик модельного комплекса методами молекулярной динамики, в частности, следуя работе [13], а также более дорогостоящие расчеты полос в оптических спектрах поглощения методами квантовой химии и комбинированными методами квантовой и молекулярной механики. Более отдаленные перспективы связаны с симуляцией процессов переноса энергии при возбуждении свето-собирающего комплекса [14].
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 08-03-92203-ГФЕН-а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. McDermott G., Prince S.M., Freer A.A. et al. // Nature. 1995. 374. P. 517.
2. Papiz M. Z., Prince S. M, Howard T, et al. // J. Mol. Biol. 2003. 326. P. 1523.
3. Cherezov V., Clogston J., PapizM.Z., CaffreyM. // J. Mol. Biol.
2006. 357. P. 1605.
4. Koepke J., HuX., Muenke C. et al. // Structure. 1996. 4. P. 581.
5. RoszakA. W., Howard T.D., Southhal J., et al. // Science. 2003. 302. P. 1969.
6. Madigan M. T. // Science. 1984. 225. P. 313.
7. Suzuki H., Hirano Y., Kimura Y. et al. // Biochim. Biophys. Acta.
2007. 1767. P. 1057.
8. Ma F, Kimura Y, Zhao X.-H. et al. // Biophys. J. 2008. 95. P. 3349.
9. Ma F., Kimura Y., Yu L.-J., et al. // FEBS J. 2009. 276. P.1739.
10. Kimura Y, Hirano Y, Yu L.-J. et al. // J. Biol. Chem. 2008. 283. P. 13867.
11. Kimura Y, Yu L.-J., Hirano Y. et al. // J. Biol. Chem. 2009. 284. P. 93.
12. Vysotski E.S., Lee J. // Acc. Chem. Rev. 2004. 37. P. 405.
13. HuX., SchultenK. // Biophys. J. 1998. 75. P. 683.
14. БеловA.C., ЕреминB.B. // Вестн. Моск. ун-та. Сер.2. Химия. 2009. 50. С. 219.
Поступила в редакцию 02.02.10
MODELING CALCIUM BINDING AT THE LIGHT HARVESTING COMPLEX OF THE BACTERIAL PHOTOSYNTHETIC CENTER OF Thermochromatium tepidum
B.L. Grigorenko, A.V. Nemukhin, J.-P. Zhang, P. Wang
(Division of Physical Chemistry)
By using the sequence of amino acid residues of the а- and p- polypeptide helices from the light harvesting complex LH1 of the bacterial photosynthetic center of Thermochromatium tepidum the three-dimensional structural model of the subunit was constructed and the specific binding site of calcium ions was proposed.
Key words: photosynthesis, light harvesting complexes, three dimensional polypeptide models, molecular mechanics.
Сведения об авторах: Григоренко Белла Людвиговна — ст. науч. сотр. лаборатории химической кибернетики кафедры физической химии химического факультета МГУ, докт. физ.-матем. наук (bell_grig@yahoo.com); Немухин Александр Владимирович - профессор кафедры физической химии химического факультета МГУ, лаборатория химической кибернетики; докт. хим. наук (anemukhin@yahoo.com); Жан Жиан-Пинг (Zhang Jian-Ping) -профессор химического факультета Народного университета Китая (jpzhang@chem.ruc.edu.cn); Ванг Пен (Wang Peng) - профессор химического факультета Народного университета Китая (wpeng@chem.ruc.edu.cn).
