Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego opisali struktury kompleksu białkowego, pełniącego kluczową rolę w fotosyntezie u roślin. Pozwoli to na lepsze zrozumienie molekularnych procesów warunkujących zachodzenie reakcji katalitycznych w tym białku.
Chodzi o kompleks białkowy cytochromu b6f, jedno z kluczowych białek fotosyntezy u roślin. Dzięki wykorzystaniu mikroskopii krioelektronowej (cryo-EM) naukowcom z Uniwersytetu Jagiellońskiego udało się uchwycić strukturę tego kompleksu podczas przeprowadzania cyklu katalitycznego. Ujawnione elementy struktury pozwalają na lepsze zrozumienie molekularnych procesów warunkujących zachodzenie reakcji katalitycznych w tym białku.
Komórki roślinne są zdolne do przetwarzania energii świetlnej w energię chemiczną w procesie zwanym fotosyntezą. Molekularnymi maszynami, które działają jak elektrownie komórkowe, są kompleksy białkowe zwane fotosystemami, które połączone są za pomocą kompleksu zwanego cytochromem b6f. Jego rolą jest przeprowadzanie reakcji chemicznych, w których cząsteczki plastochinonu (związek chemiczny występujący w chloroplastach) pozostają substratami. Opisane przez krakowskich badacze struktury cytochromu b6f pokazują po raz pierwszy, jak substrat wiąże się do centrum katalitycznego. Pozycja substratu uchwycona została w trakcie cyklu katalitycznego i okazało się, że jest ona zaskakująco różna w porównaniu do znanych wcześniej pozycji inhibitorów, które mogą wypierać substrat z miejsca katalitycznego.
Cząsteczka plastochinonu, w odróżnieniu od inhibitorów, nie oddziałuje bezpośrednio z hemem cn (strukturalnym elementem centrum katalitycznego). Zamiast tego oddziałuje z cząsteczką wody, która najprawdopodobniej uczestniczy w reakcji chemicznej – wyjaśnia dr Rafał Pietras.
Jak dodaje dr hab. Sebastian Glatt, uzyskane struktury uwidoczniły obecność specyficznych kanałów wypełnionych wodą, które łączą miejsce katalityczne z powierzchnią białka. W oparciu o te obserwacje naukowcy zaproponowali mechanizm, w którym zastosowano analogię do działania tłoczka w strzykawce.
Pod nieobecność substratu, centrum katalityczne jest wypełnione wodą. Substrat wchodząc do centrum wypiera wodę przez te kanały, a po zajściu reakcji gdy produkt opuszcza centrum, cząsteczki wody napływają z powrotem do centrum przez te same kanały. Przypuszczamy, że podobny mechanizm wymiany platochinonu i wody może być bardziej uniwersalny i mieć miejsce w podobnych centrach innych białek – tłumaczy prof. Artur Osyczka.
Wyniki prac ukazały się w najnowszym numerze Nature Plants. Artykuł jest efektem współpracy między Zakładem Biofizyki Molekularnej na Wydziale Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ (kierowanym przez prof. Artura Osyczkę) a Grupą Max Plancka z Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ (dowodzoną przez dr hab. Sebastiana Glatta). W zeszłym roku zespoły opublikowały rezultaty wspólnych badań w czasopiśmie Science Advances, gdzie pokazano inne molekularne własności cytochromu b6f.
Wszystkie dotychczas opisane struktury cytochromu b6f zostały przygotowane w oparciu o dane zebrane przy użyciu mikroskopu Titan Krios G3i w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS. Struktura o rozdzielczości 1,9 Å opisana w Nature plants jest obecnie najdokładniejszym modelem cytochromu b6f uzyskanym dla roślin wyższych. Dzięki tak wyjątkowo wysokiej rozdzielczości możliwe było oznaczenie położenia pojedynczych cząsteczek wody w strukturze tego dużego kompleksu białkowego. Opisane struktury dostarczą modeli do dokonywania obliczeń kwantowo-mechanicznych celem dalszego zrozumienia fizyko-chemicznych podstaw kluczowych reakcji fotosyntezy katalizowanych przez cytochrom b6f.
Badania były finansowane przez Narodowe Centrum Nauki oraz Fundację na rzecz Nauki Polskiej.
MK, źródło: UJ