Протохлорофиллид

Arabidopsis с мутацией в гене flu, неспособный контролировать биосинтез протохлорофиллида, при облучении синим светом флюоресцирует красным.

Структура моновинил протохлорофиллида.

Протохлорофиллид,^[1] или моновинил протохлорофиллид, это непосредственный предшественник хлорофилла a с отсутствующим фитольным хвостом.^[2] В отличие от хлорофилла, протохлорофиллид имеет сильную флюоресценцию; мутанты, накапливающие его в своих тканях, светятся красным, если облучить их синим светом.^[3] У цветковых растений, реакция превращения протохлорофиллида в хлорофилл является светозависимой, и такие растения становятся белыми (хлорозными) если выращивать их в темноте. В отличие от них голосеменные, водоросли, и фотосинтезирующие бактерии используют другой, не зависящий от света фермент, и вырастают зелёными даже в темноте.

Превращение в хлорофилл

Превращение протохлорофиллида в хлорофилл осуществляет фермент протохлорофиллид редуктаза,^[4] Шифр КФ 1.3.1.33. Существует два различных по структуре фермента, обладающих такой активностью — светозависимая и темновая редуктазы. Для работы светозависимой редуктазы необходим свет, в то время как темновая редуктаза это совершенно другой белок, состоящий из трёх субъединиц, демонстрирующих значительное сходство с тремя субъединицами нитрогеназы, которая катализирует образование аммиака из молекулы азота.^[5] Этот энзим, который возможно эволюционно появился гораздо раньше (явное сходство с нитрогеназой), высоко чувствителен к свободному кислороду и не работает, если его концентрация превосходит 3 %.^[6] Следовательно, альтернативной, светозависимой версии всё ещё предстоит усовершенствоваться в процессе эволюции.

Большинство фотосинтезирующих бактерий имеет обе формы фермента. У цветковых растений произошла потеря темновой формы и они полагаются на три немного отличающихся копии светозависимой редуктазы, которые обычно обозначают как ПХР A, B, и C. У голосемянных присутствует ещё больше копий это гена (У ладанной сосны их около одиннадцати [6]). В растениях, светозависимая протохлорофиллид редуктаза кодируется генами ядра и только позже транспортируется к месту своего функционирования, в хлоропласт. В отличие от них у растений и водорослей с темновой формой фермента, он по крайненй мере частично кодируется хлоропластным ДНК.^[7]

Потенциальная опасность для растения

Хлорофилл в клетке связан с белками и может поглощать и передавать энергию в заданном направлении. Однако, протохлорофиллид, находится в клетке в основном в несвязанной форме и в присутствии света, ведёт себя как фотосенсибилизатор, образуя токсичные свободные радикалы. Следовательно, растениям необходим эффективный механизм регуляции количества метаболических предшественников хлорофилла. В цветковых растениях, подобный контроль осуществляется на стадии формирования δ-аминолевулиновая кислоты (АЛА), одного из промежуточных соединений в пути биосинтеза хлорофилла. Растения, которых искусственно подкармливали AЛA, накапливали протохлорофиллид в больших, токсичных для себя количествах, также как и мутанты с повреждённой системой регуляции.

Arabidopsis FLU — с повреждённой системой регуляции может выжить только в постоянной темноте(протохлорофиллид не опасен при отсутствии света) или при постоянном освещении, когда растение способно переработать весь произведённый протохлорофиллид в хлорофилл, и не накапливать его сверх меры, несмотря на отсутствие регулирования. В мутировавшем ячмене Tigrina (мутация происходит в том же гене,^[8]) свет убивает большую часть ткани листа, которая развивалась в темноте, однако часть листа, которая образовалась в течение дня, остаётся живой. В результате, листья оказываются покрыты белыми полосками из омертвевших клеток, а их количество близко к количеству дней, прожитых листом. Зелёные части переживают последующую ночь, вероятно, потому, что синтез хлорофилла во взрослой ткани листа почти всегда серьёзно снижен.

Регуляторный белок FLU

Несмотря на множество попыток найти мутации, вызывающие переизбыток протохлорофиллида при нормальных условиях, на данный момент (2009) известен только один такой ген — (flu). Flu (впервые описанный в^[3]) это локализованный в хлоропласте и кодируемый ядерной ДНК белок, который по-видимому содержит исключительно сайты взаимодействия типа протеин-протеин. Это трансмембранный белок, локализованный в мембране тилакоида. До сих пор окончательно не выяснено почему не были обнаружены другие типы подобных мутаций; вероятно, изменения в других белках, участвующих в регуляторной цепочке, оказываются летальными. Flu это одиночный ген, он не принадлежит к какому-либо семейству генов.

Позднее, основываясь на сходстве последовательностей, похожий белок был найден у водоросли Chlamydomonas^[9]. Это доказывает, что такого рода регуляторная система существовала за долго до того, как цветковые растения утратили темновую редуктазу. Регуляторный белок хламидомонады является намного более сложным: он больше, пересекает две тилакоидные мембраны вместо одной, содержит больше сайтов взаимодействия с другими белками и даже подвергается альтернативному слайсингу. Это даёт нам понять, что, по-видимому, регуляторная система значительно упростилась в процессе эволюции.

Примечания

1. KEGG compound database entry
2. Entry in Mondofacto library
3. Meskauskiene R, Nater M, Goslings D, Kessler F, op den Camp R, Apel K. FLU: a negative regulator of chlorophyll biosynthesis in Arabidopsis thaliana. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2001; 98(22):12826-31 pdf Архивная копия от 19 марта 2013 на Wayback Machine.
4. Шифр КФ 1.3.1.33
5. Yuichi FujitaDagger and Carl E. Bauer (2000). Reconstitution of Light-independent Protochlorophyllide Reductase from Purified Bchl and BchN-BchB Subunits. J. Biol. Chem., Vol. 275, Issue 31, 23583-23588. [1] Архивная копия от 20 марта 2008 на Wayback Machine
6. S.Yamazaki, J.Nomata, Y.Fujita (2006) Differential operation of dual protochlorophyllide reductases for chlorophyll biosynthesis in response to environmental oxygen levels in the cyanobacterium Leptolyngbya boryana. Plant Physiology, 2006, 142, 911—922 [2] Архивная копия от 12 июня 2012 на Wayback Machine
7. J Li, M Goldschmidt-Clermont, M P Timko (1997). Chloroplast-encoded chlB is required for light-independent protochlorophyllide reductase activity in Chlamydomonas reinhardtii. Plant Cell 5(12): 1817—1829. [3].
8. TIGRINA d, required for regulating the biosynthesis of tetrapyrroles in barley, is an ortholog of the FLU gene of Arabidopsis thaliana. FEBS Letters, 553, 119—124.[4].
9. A Falciatore, L Merendino, F Barneche, M Ceol, R Meskauskiene, K Apel, JD Rochaix (2005). The FLP proteins act as regulators of chlorophyll synthesis in response to light and plastid signals in Chlamydomonas. Genes & Dev, 19:176-187 [5] Архивная копия от 19 июля 2018 на Wayback Machine