БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 10, с. 1447–1458

УДК 541.14

Свойства мутантных фотосинтетических реакционных центров пурпурной бактерии Cereibacter sphaeroides с замещением M206 Ile → Gln

© 2022 Т.Ю. Фуфина, О.А. Третчикова, А.М. Христин, Р.А. Хатыпов, Л.Г. Васильева *vsyulya@mail.ru

ФИЦ ПНЦБИ РАН, Институт фундаментальных проблем биологии РАН, 142290 Пущино, Московская обл., Россия

Поступила в редакцию 09.06.2022
После доработки 14.08.2022
Принята к публикации 14.08.2022

DOI: 10.31857/S0320972522100104

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: реакционный центр фотосинтеза, Rhodobacter capsulatus, Cereibacter sphaeroides, бактериохлорофилл, пурпурные несерные бактерии, фотохимическое разделение зарядов, квантовый выход разделения зарядов, пигментный состав, редокс-потенциал, первичный донор электрона, термостабильность мембранных белков.

Аннотация

В структуре фотосинтетического реакционного центра (РЦ) пурпурной несерной бактерии Cereibacter sphaeroides консервативный аминокислотный остаток Ile‑M206 расположен вблизи димера бактериохлорофилла P и мономерного бактериохлорофилла BA, являющихся первичным донором и ближайшим акцептором электрона соответственно. Непосредственная близость Ile‑M206 к С2‑ацетильной группе бактериохлорофилла PB, гидроксильной группе Tyr‑M210, С9‑кето-группе бактериохлорофилла BA, а также к молекуле воды вблизи этой группы позволяет использовать данный сайт для мутагенеза с целью исследования механизмов первичных фотохимических процессов в РЦ. Ранее было показано, что внесение аминокислотного замещения Ile → Glu в положении М204 (аналог положения М206 в РЦ C. sphaeroides) в РЦ близкородственной пурпурной несерной бактерии Rhodobacter capsulatus заметно повлияло на кинетику образования состояния с разделенными зарядами P+НA, а замена Ile M204 на Gln привела к потере бактериохлорофилла BA из структуры комплекса. В нашей работе показано, что одиночная I(M206)Q и двойная мутация I(M206)Q + F(M208)A в РЦ C. sphaeroides не приводят к изменению пигментного состава комплекса и существенно не влияют на редокс-потенциал первичного донора электрона. В то же время замещение Ile M206 на Gln повлияло на положение и амплитуды полос поглощения бактериохлорофиллов РЦ, привело к увеличению времени жизни возбужденного состояния первичного донора электрона P* c 3,1 пс до ~22 пс и снижению квантового выхода образования состояния P+QA до ~60%, что указывает на значительные изменения пигмент-белковых взаимодействий в окружении первичного донора P и ближайшего акцептора электрона BA. Также было отмечено снижение устойчивости мутантных РЦ к тепловой денатурации, более выраженное для РЦ с двойным замещением I(M206)Q + F(M208)A и обусловленное, по-видимому, нарушением плотной упаковки белка вблизи бактериохлорофиллов PB и BA. Обсуждаются возможные причины различного влияния одинаковых мутаций на свойства двух высокогомологичных РЦ из близкородственных пурпурных несерных бактерий.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена в рамках госзадания № 122041100204-3.

Благодарности

Авторы выражают благодарность М.М. Леоновой за ее вклад в начальный этап работы.

Вклад авторов

Л.Г. Васильева – концепция и руководство работой; Т.Ю. Фуфина, О.А. Третчикова, А.М. Христин, Р.А. Хатыпов – проведение экспериментов; Л.Г. Васильева, Т.Ю. Фуфина, О.А. Третчикова, А.М. Христин, Р.А. Хатыпов – обсуждение результатов исследования; Л.Г. Васильева, Т.Ю. Фуфина, А.М. Христин, Р.А. Хатыпов – написание и редактирование текста статьи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Статья не содержит описания каких-либо исследований с использованием людей и животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Hordt, A., Lopez, M. G., Meier-Kolthoff, J. P., Schleuning, M., Weinhold, L. M., et al. (2020) Analysis of 1,000+ type-strain genomes substantially improves taxonomic classification of Alphaproteobacteria, Front. Microbiol., 11, 468, doi: 10.3389/fmicb.2020.00468.

2. Wöhri, A. B., Wahlgren, W. Y., Malmerberg, E., Johansson, L. C., Neutze, R., et al. (2009) Lipidic sponge phase crystal structure of a photosynthetic reaction center reveals lipids on the protein surface, Biochemistry, 48, 9831-9838, doi: 10.1021/bi900545e.

3. Selikhanov, G., Fufina, T., Vasilieva, L., Betzel, C., and Gabdulkhakov, A. (2020) Novel approaches for the lipid sponge phase crystallization of the Rhodobacter sphaeroides photosynthetic reaction center, IUCrJ, 7, 1084-1091, doi: 10.1107/S2052252520012142.

4. Komiya, H., Yeates, T. O., Rees, D. C., Allen, J. P., and Feher, G. (1988) Structure of the reaction center from Rhodobacter sphaeroides R-26 and 2.4.1: symmetry relations and sequence comparisons between different species, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 85, 9012-9016, doi: 10.1073/pnas.85.23.9012.

5. Wraight, C. A., and Clayton, R. K. (1974) The absolute quantum efficiency of bacteriochlorophyll photooxidation in reaction centres of Rhodopseudomonas sphaeroides, Biochim. Biophys. Acta, 333, 246-260, doi: 10.1016/0005-2728(74)90009-7.

6. Леонова М. М., Фуфина Т. Ю., Шувалов В. А., Васильева Л. Г. (2014) Исследование пигмент-белковых взаимодействий в фотосинтетическом реакционном центре пурпурных бактерий. Глава в кн. Современные проблемы фотосинтеза, том 1 (под ред. Аллахвердиева С. И., Рубина А. Б., Шувалова В. А.), Ижевский Институт компьютерных исследований, Москва–Ижевск, с. 157-196.

7. Alden, R. G., Parson, W. W., Chu, Z. T., and Warshel, A. (1996) Orientation of the OH dipole of tyrosine (M)210 and its effect on electrostatic energies in photosynthetic bacterial reaction centers, J. Phys. Chem., 100, 16761-16770, doi: 10.1021/jp961271s.

8. Yakovlev, A. G., Vasilieva, L. G., Shkuropatov, A. Ya., Bolgarina, T. I., Shkuropatova, V. A., et al. (2003) Mechanism of charge separation and stabilization of separated charges in reaction centers of Chloroflexus aurantiacus and of YM210W(L) mutants of Rhodobacter sphaeroides excited by 20 fs pulses at 90 K, J. Phys. Chem. A, 107, 8330-8338, doi: 10.1021/jp0300647.

9. Potter, J. A., Fyfe, P. K., Frolov, D., Wakeham, M. C., van Grondelle, R. B. R., et al. (2005) Strong effects of an individual water molecule on the rate of light-driven charge separation in the Rhodobacter sphaeroides reaction center, J. Biol. Chem., 280, 27155-27164, doi: 10.1074/jbc.M501961200.

10. Robert, B., and Lutz, M. (1988) Proteic events following charge separation in the bacterial reaction center: resonance Raman spectroscopy, Biochemistry, 27, 5108-5114, doi: 10.1021/bi00414a024.

11. Yakovlev, A. G., Jones, M. R., Potter, J. A., Fyfe, P. K., Vasilieva, L. G., et al. (2005) Primary charge separation between P* and BA: electron-transfer pathways in native and mutant GM203L bacterial reaction centers, Chem. Phys., 319, 297-307, doi: 10.1016/j.chemphys.2005.08.018.

12. Болгарина Т. И., Хатыпов Р. А., Васильева Л. Г., Шкуропатов А. В., Шувалов В. А. (2004) Замещение изолейцина М206 на гистидин в реакционных центрах Rhodobacter sphaeroides приводит к изменению структуры молекулы бактериохлорофилла специальной пары, Доклады Академии наук, 394, 265-268, doi: 10.1023/b:dobi.0000017147.33235.b4.

13. Фуфина Т. Ю., Селиханов Г. К., Проскуряков И. И., Шувалов В. А., Васильева Л. Г. (2019) Свойства реакционных центров Rhodobacter sphaeroides с аминокислотными замещениями Ile на Tyr в позициях L177 и М206, Биохимия, 5, 739-744, doi: 10.1134/S0006297919050110.

14. Васильева Л. Г., Фуфина, Т. Ю., Габдулхаков, А. Г., Шувалов, В. А. (2015) Разные последствия одинаковых симметричных мутаций вблизи димера бактериохлорофилла в реакционном центре Rhodobacter sphaeroides. Биохимия, 80, 767-774, doi: 10.1134/S0006297915060012.

15. Camara-Artigas, A., Brune, D., and Allen, J. P. (2002) Interactions between lipids and bacterial reaction centers determined by protein crystallography, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99, 11055-11060, doi: 10.1073/pnas.162368399.

16. Saggu, M., Carter, B., Zhou, X., Faries, K., Cegelski, L., et al. (2014) Putative hydrogen bond to tyrosine M208 in photosynthetic reaction centers from Rhodobacter capsulatus significantly slows primary charge separation, J. Phys. Chem. B, 118, 6721-6732, doi: 10.1021/jp503422c.

17. Carter, B., Boxer, S. G., Holten, D., and Kirmaier, C. (2012) Photochemistry of a bacterial photosynthetic reaction center missing the initial bacteriochlorophyll electron acceptor, J. Phys. Chem. B, 116, 9971-9982, doi: 10.1021/jp305276m.

18. Хатыпов Р. А., Васильева Л. Г., Фуфина Т. Ю., Болгарина Т. И., Шувалов В. А. (2005) Влияние замещения изолейцина L177 гистидином на пигментный состав и свойства реакционных центров пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides, Биохимия, 70, 1527-1533, doi: 10.1007/s10541-005-0256-3.

19. Keen, N. T., Tamaki, S., Kobayashi, D., and Trollinger, D. (1988) Improved broad-host-range plasmids for DNA cloning in gram-negative bacteria, Gene, 70, 191-197, doi: 10.1016/0378-1119(88)90117-5.

20. Jones, M. R., Visschers, R. W., van Grondelle, R., and Hunter, C. N. (1992) Construction and characterization of a mutant strain of Rhodobacter sphaeroides with the reaction center as the sole pigment–protein complex, Biochemistry, 31, 4458-4465, doi: 0.1021/bi00133a011.

21. Cohen-Basire, G., Sistrom, W. R., and Stanier, R. Y. (1957) Kinetic studies of pigment synthesis by non-sulfur purple bacteria, J. Cell Comp. Physiol., 49, 25-68, doi: 10.1002/jcp.1030490104.

22. Goldsmith, J. O., and Boxer, S. G. (1996) Rapid isolation of bacterial photosynthetic reaction centers with an engineered poly-histidine tag, Biochim. Biophys. Acta, 1276, 171-175, doi: 10.1016/0005-2728(96)00091-6.

23. Fufina, T. Yu., Vasilieva, L. G., Khatypov, R. A., Shkuropatov, A. Ya., and Shuvalov, V. A. (2007) Substitution of isoleucine L177 by histidine in Rhodobacter sphaeroides reaction center results in the covalent binding of PA bacteriochlorophyll to the L subunit, FEBS Lett, 581, 5769-5773, doi: 10.1016/j.febslet.2007.11.032.

24. Фуфина Т. Ю., Васильева Л. Г. (2021) Влияние детергентов и осмолитов на термостабильность нативных и мутантных реакционных центров Rhodobacter sphaeroides, Биохимия, 86, 607-614, doi: 10.1134/S000629792104012X.

25. Vasilieva, L. G., Fufina, T. Yu., Gabdulkhakov, A. G., Leonova, M. M., Khatypov, R. A., et al. (2012) The site-directed mutation I(L177)H in Rhodobacter sphaeroides reaction center affects coordination of PA and BB bacteriochlorophylls, Biochim. Biophys. Acta, 1817, 1407-1417, doi: 10.1016/j.bbabio.2012.02.008.

26. Хатыпов Р. А., Христин А. М., Фуфина Т. Ю., Шувалов В. А. (2017) Альтернативный путь индуцированного светом трансмембранного переноса электрона в фотосинтетических реакционных центрах Rhodobacter sphaeroids, Биохимия, 82, 916-922, doi: 10.1134/S0006297917060050.

27. DeLano, W. L. (2002) The PyMOL molecular graphics system, URL: http://www.Pymol.Org.

28. Jones, M. R. (2008) Structural plasticity of reaction centers from purple bacteria, in The Purple Phototrophic Bacteria (Hunter, C. N., Daldal, F., Thurnauer, M. C., and Beatty, N., eds) Springer, pp. 295-321, doi: 10.1007/978-1-4020-8815-5_16.

29. Holden-Dye, K., Crouch, L. I., Williams, C. M., Bone, R. A., Cheng, J., et al. (2011) Opposing structural changes in two symmetrical polypeptides bring about opposing changes to the thermal stability of a complex integral membrane protein, Arch. Biochem. Biophys., 505, 160-170, doi: 10.1016/j.abb.2010.09.029.

30. Spiedel, D., Roszak, A. W., McKendrick, R., McAuley, K. E., Fyfe, P. K., et al. (2002) Tuning of the optical and electrochemical properties of the primary donor bacteriochlorophylls in the reaction centre from Rhodobacter sphaeroides: spectroscopy and structure, Biochim. Biophys. Acta, 1554, 75-93, doi: 10.1016/S0005-2728(02)00215-3.

31. Haffa, A. L. M., Lin, S., Katilius, E., Williams, J. C., Taguchi, A. K. W., et al. (2002) The dependence of the initial electron-transfer rate on driving force in Rhodobacter sphaeroides reaction centers, J. Phys. Chem. B, 106, 7376-7384, doi: 10.1021/jp0257552.

32. Dods, R., Bath, P., Morozov, D., Gagner, V. A., Arnlund, D., et al. (2021) Ultrafast structural changes within a photosynthetic reaction centre, Nature, 589, 310-314, doi: 10.1038/s41586-020-3000-7.

33. Youvan, D. C., Ismail, S., and Bylina, E. J. (1985) Chromosomal deletion and plasmid complementation of the photosynthetic reaction center and light-harvesting genes from Rhodopseudomonas capsulate, Gene, 38, 19-30, doi: 10.1016/0378-1119(85)90199-4.

34. Foloppe, N., Ferrand, M., Breton, J., and Smith, J. C. (1995) Structural model of the photosynthetic reaction center of Rhodobacter capsulatus, Proteins, 22, 226-244, doi: 10.1002/prot.340220304.

35. Michel, H., Epp, O., and Deisenhofer, J. (1986) Pigment-protein interactions in the photosynthetic reaction centre from Rhodopseudomonas viridis, EMBO J., 5, 2445-2451, doi: 10.1002/j.1460-2075.1986.tb04520.x.

36. Lancaster, C. R. D., Ermler, U., and Michel, H. (1995) The structures of photosynthetic reaction centers from purple bacteria as revealed by X-ray crystallography. Anoxygenic Photosynthetic Bacteria, Advances in Photosynthesis and Respiration v. 2. (Blankenship, R. E., Madigan, M. T., Bauer, C. E., eds) Kluwer Academic Publishers, Netherlands, pp. 503-526, doi: 10.1007/0-306-47954-0_23.

37. Wang, S., Lin, S., Lin, X., Woodbury, N. W., and Allen, J. P. (1994) Comparative study of reaction centers from purple photosynthetic bacteria: Isolation and optical spectroscopy, Photosynth. Res., 42, 203-215, doi: 10.1007/BF00018263.

38. Rautter, J., Lendzian, F., Lubitz, W., Wang, S., and Allen, J. P. (1994) Comparative study of reaction centers from photosynthetic purple bacteria: electron paramagnetic resonance and electron nuclear double resonance spectroscopy, Biochemistry, 33, 12077-12084, doi: 10.1021/bi00206a010.

39. Нолдинг Б. (2005) Новейшие методы исследования биосистем, Техносфера, Москва.