Orange karotenoidprotein
| Orange karotenoidbindande protein (Kerfeld et al., Structure 2003) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Kristallstruktur av orange karotenoidprotein (Kerfeld et al., Structure 2003)
| |||||||
| Identifierare | |||||||
| Organism | |||||||
| Symbol | Ocp | ||||||
| Alt. symboler | slr1963 | ||||||
| PDB | 1M98 | ||||||
| UniProt | P83689 | ||||||
| |||||||
| Pfam-domäner Carot_N , NTF2 | |||||||
Orange karotenoidprotein ( OCP ) är ett vattenlösligt protein som spelar en roll i fotoskydd i olika cyanobakterier . Det är det enda fotoaktiva proteinet som är känt för att använda en karotenoid som den fotoresponsiva kromoforen . Proteinet består av två domäner, med en enda ketokarotenoidmolekyl som är icke-kovalent bunden mellan de två domänerna. Det är en mycket effektiv utsläckare av excitationsenergi som absorberas av de primära ljusskördande antennkomplexen av cyanobakterier, fykobilisomerna . Släckningen induceras av blågrönt ljus. Det är också kapabelt att förhindra oxidativ skada genom att direkt avlägsna singletsyre ( 1 O 2 ).
Historia
OCP beskrevs första gången 1981 av Holt och Krogmann som isolerade den från den encelliga cyanobakterien Arthrospira maxima , även om dess funktion skulle förbli oklar fram till 2006. Kristallstrukturen hos OCP rapporterades 2003. Samtidigt visade sig proteinet vara en effektiv släckare av singlettsyre och föreslogs vara involverad i fotoskydd eller karotenoidtransport. År 2000 visades det att cyanobakterier kunde utföra fotoskyddande fluorescenssläckning oberoende av lipidfasövergångar, differentiellt transmembrant pH och inhibitorer. Handlingsspektrumet för denna släckningsprocess antydde involvering av karotenoider, och den specifika inblandningen av OCP visades senare av Kirilovsky och medarbetare 2006. 2008 visade sig OCP kräva fotoaktivering av starkt blågrönt ljus för sin fotoskyddande släckningsfunktion . Fotoaktivering åtföljs av en uttalad färgförändring, från orange till rött, vilket tidigare hade observerats av Kerfeld et al i de inledande strukturella studierna. 2015 visade en kombination av biofysikaliska metoder av forskare i Berkeley att den synliga färgförändringen är konsekvensen av en 12Å translokation av karotenoiden .
Fysiologisk betydelse
Under lång tid ansågs cyanobakterier vara oförmögna att utföra icke-fotokemisk släckning (NPQ) som en fotoskyddande mekanism, och förlitade sig istället på en mekanism för energiomfördelning mellan de två fotosyntetiska reaktionscentra , PSII och PSI , känd som "tillståndsövergångar" .
OCP finns i en majoritet av cyanobakteriella genom, med anmärkningsvärt bevarande av dess aminosyrasekvens, vilket innebär evolutionära begränsningar för att bevara en viktig funktion. Mutantceller konstruerade för att sakna OCP-fotoblekmedel under starkt ljus och blir fotoinhiberade snabbare under fluktuerande ljus. Under näringsstressförhållanden, som förväntas vara normen i marina miljöer, blir fotoskyddande mekanismer som OCP viktiga även vid lägre bestrålning.
Detta protein finns inte i kloroplaster och verkar vara specifikt för cyanobakterier.
Fungera
Fotoaktivitet
Vid belysning med blågrönt ljus växlar OCP från en orange form (OCP O ) till en röd form (OCP R ). Återgången av OCP R till OCP O är ljusoberoende och sker långsamt i mörker. OCP O anses vara den mörka, stabila formen av proteinet och bidrar inte till phycobilisome quenching. OCP R anses vara väsentligt för induktion av fotoskyddsmekanismen. Fotoomvandlingen från orange till röd form har en dålig ljuseffektivitet (mycket lågt kvantutbyte), vilket hjälper till att säkerställa att proteinets fotoskyddande roll endast fungerar under höga ljusförhållanden; annars kan den dissipativa NPQ-processen oproduktivt leda bort ljusenergi från fotosyntes under ljusbegränsande förhållanden.
Energisläckning
Som framgår av en minskad fluorescens kan OCP i sin röda form avleda absorberad ljusenergi från phycobilisome antennkomplexet. Enligt Rakhimberdieva och medarbetare når cirka 30-40% av energin som absorberas av fykobilisomer inte reaktionscentra när den karotenoidinducerade NPQ är aktiv. Den exakta mekanismen och släckningsstället i både karotenoiden och fykobilisomen är fortfarande osäkra. Linkerpolypeptiden ApcE i allofykocyanin (APC) kärnan i fykobilisomerna är känd för att vara viktig, men är inte platsen för släckning. Flera bevis tyder på att det är 660 nm fluorescensemissionsbandet i APC-kärnan som släcks av OCP R . Temperaturberoendet för hastigheten för fluorescenssläckning liknar det för lösligt proteinveckning, vilket stöder hypotesen att OCP O vecklas ut något när det omvandlas till OCP R .
Singlet syrgassläckning
Som först visades 2003, har karotenoidernas hjälpfunktion som släckare av singlettsyre bidragit till OCP:s fotoskyddande roll, har också visats under starkt orange-rött ljus, vilket är förhållanden där OCP inte kan fotoaktiveras för sin energisläckande roll. Detta är betydelsefullt eftersom alla syrehaltiga fototrofer har en särskild risk för oxidativ skada initierad av singlettsyre ( 1 O 2 ), som produceras när deras egna ljusupptagande pigment fungerar som fotosensibilisatorer.
Strukturera
3D-struktur
Den tredimensionella proteinstrukturen hos OCP (i OCP O -form) löstes 2003, innan dess fotoskyddande roll hade definierats. 35 kDa-proteinet innehåller två strukturella domäner : en helt α-helix N-terminal domän (NTD) bestående av två interfolierade 4-helixbuntar och en blandad α/β C-terminal domän (CTD). De två domänerna är förbundna med en utökad länk. I OCP O spänner karotenoiden över båda domänerna, som är tätt associerade i denna form av protein. 2013 visade Kerfeld och medarbetare att NTD är effektordomänen (quencher) för proteinet medan CTD spelar en reglerande roll.
Interaktioner mellan protein och protein
OCP deltar i viktiga protein-proteininteraktioner som är avgörande för dess fotoskyddande funktion. Den aktiverade OCP R -formen binder till allofykocyanin i kärnan av fykobilisomen och initierar den OCP-beroende fotoskyddande släckningsmekanismen. Ett annat protein, fluorescensåtervinningsproteinet ( FRP), interagerar med CTD i OCP R och katalyserar reaktionen som återgår till OCP O -formen. Eftersom OCP O inte kan binda till phycobilisome-antennen, kan FRP effektivt ta bort OCP från antennen och återställa full ljusupptagningskapacitet.
Evolution
Den primära strukturen (aminosyrasekvensen) är mycket konserverad bland OCP-sekvenser, och fullängdsproteinet är vanligtvis samlokaliserat på kromosomen med en andra öppen läsram som senare karakteriserades som FRP. Ofta finns biosyntetiska gener för ketokarotenoidsyntes (t.ex. CrtW) i närheten. Dessa bevarade funktionella länkar understryker den evolutionära betydelsen av OCP-stilen för fotoskydd för många cyanobakterier.
Den första strukturbestämningen av OCP sammanföll med början av genomsekvenseringseran, och det var redan 2003 uppenbart att det också finns en mängd olika evolutionärt relaterade gener som kodar för proteiner med endast en av de två domänerna närvarande i OCP. Den N-terminala domänen (NTD), "Carot_N" , finns endast i cyanobakterier, men uppvisar en avsevärd mängd genduplicering. Den C-terminala domänen (CTD) är emellertid homolog med den utbredda NTF2-superfamiljen, som delar en proteinveckning med sin namne, nukleär transportfaktor 2 , såväl som ett 20-tal andra underfamiljer av proteiner med så olika funktioner som limonen-1 ,2-epoxidhydrolas, SnoaL-polyketidcyklas och delta-5-3-ketosteroidisomeras (KSI). De flesta, om inte alla, medlemmarna av NTF2-superfamiljen bildar oligomerer, och använder ofta ytan av deras beta-ark för att interagera med en annan monomer eller annat protein.
Bioinformatiska analyser som genomförts under de senaste 15 åren har resulterat i identifieringen av nya grupper av karotenoidproteiner: Förutom nya familjer av OCP finns det HCP och CCP som motsvarar OCP:s NTD respektive CTD. Baserat på den primära strukturen kan HCP:erna delas in i minst nio evolutionärt distinkta klader, var och en binder karotenoid. CCP:erna löses upp i två huvudgrupper, och dessa proteiner binder också karotenoider. Givet dessa data, och förmågan att delegera OCP till dess två komponentdomäner med bibehållen funktion har lett till en rekonstruktion av utvecklingen av OCP.
Ansökningar
Dess vattenlöslighet, tillsammans med dess status som det enda kända fotoaktiva proteinet som innehåller en karotenoid, gör OCP till en värdefull modell för att studera lösningstillstånds energetiska och fotofysiska egenskaper hos karotenoider, som är en mångsidig klass av molekyler som finns över alla livets domäner. . Dessutom undersöks karotenoider i stor omfattning för deras egenskaper som antioxidanter, och därför kan proteinet fungera som en mall för leverans av karotenoider för terapeutiska ändamål inom humanmedicin.
På grund av dess höga effektivitet av fluorescenssläckning, kopplat till dess låga kvantutbyte av fotoaktivering genom specifika våglängder av ljus, har OCP idealiska egenskaper som fotoswitch och har föreslagits som ett nytt system för att utveckla optogenetikteknologier och kan ha andra tillämpningar inom optofluidik och biofotonik .