Описан механизм фотоактивации оранжевого каротиноидного белка

Российские ученые совместно с коллегами из Германии и Чехии расшифровали механизм, лежащий в основе активации оранжевого каротиноидного белка — фоторецептора цианобактерий. Используя мутантный вариант белка и новейшие спектроскопические методы, ученые смогли описать фотохимическую реакцию, ранее не известную для каротиноидов. Результаты работы открывают перспективы для разработки новых светоуправляемых систем и биоматериалов. Статья опубликована в журнале Communications Biology, исследование поддержано грантом РНФ.

Свет необходим фотосинтезирующим организмам для переработки неорганических соединений в органические. Однако избыток солнечной энергии может оказаться губительным для клеток. Благодаря пигментам каротиноидам, которые входят в состав специальных фотозащитных белков, излишек энергии переводится в тепло. Объектом исследования авторов статьи стал один из таких белков — оранжевый каротиноидный белок (Orange carotenoid protein, OCP), впервые обнаруженный в 1981 году у цианобактерий. OCP состоит из двух частей, образующих полость, внутри которой содержится одна молекула каротиноида.

«При поглощении света молекулой каротиноида ОСР способен переходить из неактивной оранжевой в активную красную форму. Этот процесс является многостадийным и подчиняется сложной иерархии событий. Ранее мы показали асинхронность этих изменений, однако механизм самой первой стадии фотоактивации ОСР, связанный с разрывом водородных связей между каротиноидом и белком, оставался неразгаданным», — рассказывает один из авторов исследования Евгений Максимов.

Ученые провели комплексное исследование, используя методы структурной биологии, спектроскопии, биохимии и квантовой химии. Сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН создали «сверхоранжевый» вариант ОСР с уникальными спектральными и структурными свойствами и определили его кристаллическую структуру с наивысшим пространственным разрешением среди всех известных ОСР-подобных белков.

Анализ результатов показал, что после поглощения фотона в ОСР может произойти реакция разделения зарядов вдоль водородной связи между молекулой каротиноида и одним из аминокислотных остатков белка. Эта водородная связь в темноте стабилизирует оранжевое состояние ОСР, однако на свету крайне быстро рвется благодаря перераспределению электронной плотности в молекуле каротиноида. В результате этого в белке образуются отрицательный и положительный полюса, что приводит к изменению всей его структуры. Такая фотохимическая реакция была впервые описана для каротиноидов.