Аномальная температурная зависимость триплет-триплетного переноса энергии в реакционных центрах мутанта I(L177)H Cereibacter sphaeroides

Аннотация

Тушение триплетного состояния первичного донора фотосинтетических реакционных центров за счёт переноса энергии на молекулу каротиноида является эффективным механизмом защиты от заселения химически активного синглетно-возбуждённого кислорода. Этот процесс в реакционных центрах Cereibacter sphaeroides является термоактивированным и прекращается при температурах ниже 40 К. Замещение в этих реакционных центрах аминокислотного остатка изолейцина на гистидин в положении 177 L‑субъединицы приводит к резкому уменьшению энергии активации, так что триплеты каротиноида продолжают заселяться даже при температуре 10 К. Энергия активации триплет-триплетного переноса энергии у мутанта оценена в 7,5 см⁻¹ , что более чем в десять раз ниже активационной энергии в исходных реакционных центрах. При этом в определённом диапазоне температур перенос энергии протекает у мутанта медленнее, что связано с увеличением эффективного расстояния триплет-триплетного переноса. Насколько нам известно, данная мутация – это первая модификация реакционных центров, в результате которой произошло значительное понижение энергии активации процесса триплет-триплетного переноса энергии на молекулу каротиноида. Реакционные центры мутанта I(L177)H представляют значительный интерес для дальнейших исследований механизмов тушения триплетных состояний и других фотофизических и фотохимических процессов в реакционных центрах бактериального фотосинтеза.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Дополнительные материалы

Приложение

Вклад авторов

И.И. Проскуряков – концепция исследования и руководство работой; Т.Ю. Фуфина, Л.Г. Васильева – направленный мутагенез, выделение реакционных центров, приготовление образцов; И.Б. Кленина, И.И. Проскуряков – проведение измерений, обработка результатов, написание и редактирование текста статьи; Т.Ю. Фуфина, Л.Г. Васильева, И.Б. Кленина, И.И. Проскуряков – обсуждение результатов.

Финансирование

Работа выполнена в рамках проекта № 122041100204-3 Минобрнауки России.

Благодарности

В работе использовались приборы ЦКП ПНЦБИ РАН (№ 670266, http://www.ckp-rf.ru/ckp/670266/).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Di Mascio, P., Martinez, G. R., Miyamoto, S., Ronsein, G. E., Medeiros, M. H. G., and Cadet, J. (2019), Singlet molecular oxygen reactions with nucleic acids, lipids, and proteins, Chem. Rev., 119, 2043-2086, https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00554.

2. Yeates, T. O., Komiya, H., Chirino, A., Rees, D. C., Allen, J. P., and Feher, G. (1988) Structure of the reaction center from Rhodobacter sphaeroides R-26 and 2.4.1: protein-cofactor (bacteriochlorophyll, bacteriopheophytin, and carotenoid) interactions, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 85, 7993-7997, https://doi.org/10.1073/pnas.85.21.7993.

3. Ermler, U., Fritzsch, G., Buchanan, S. K., and Michel, H. (1994) Structure of the photosynthetic reaction centre from Rhodobacter sphaeroides at 2.65 Å resolution: cofactors and protein-cofactor interactions, Structure, 2, 925-936, https://doi.org/10.1016/S0969-2126(94)00094-8.

4. Hoff, A. J., and Deisenhofer, J. (1997) Photophysics of photosynthesis. Structure and spectroscopy of reaction centers of purple bacteria, Phys. Rep., 287, 1-247, https://doi.org/10.1016/S0370-1573(97)00004-5.

5. Blankenship, R. E. (2021) Molecular Mechanisms of Photosynthesis, 3rd ed., John Wiley & Sons, Inc., Chichester, UK.

6. Parson, W. W., and Monger, T. G. (1976) Interrelationships among excited states in bacterial reaction centers, Brookhaven Symp. Biol., 28, 195-212.

7. Schenck, C. C., Mathis, P., and Lutz, M. (1984) Triplet formation and triplet decay in reaction centers from the photosynthetic bacterium Rhodopseudomonas sphaeroides, Photochem. Photobiol., 39, 407-417, https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.1984.tb08198.x.

8. Frank, H. A., Chynwat, V., Hartwich, G., Meyer, M., Katheder, I., and Scheer, H. (1993) Carotenoid triplet state formation in Rhodobacter sphaeroides R-26 reaction centers exchanged with modified bacteriochlorophyll pigments and reconstituted with spheroidene, Photosyth. Res., 37, 193-203, https://doi.org/10.1007/BF00032823.

9. Frank, H. A., Innes, J., Aldema, M., Neumann, R., and Schenck, C. C. (1993) Triplet state EPR of reaction centers from the His^L173 → Leu¹⁷³ mutant of Rhodobacter sphaeroides which contains a heterodimer primary donor, Photosyth. Res., 38, 99-109, https://doi.org/10.1007/BF00015066.

10. Frank, H. A., Chynwat, V., Posteraro, A., Hartwich, G., Simonin, I., and Scheer, H. (1996) Triplet state energy transfer between the primary donor and the carotenoid in Rhodobacter sphaeroides R-26.1 reaction centers exchanged with modified bacteriochlorophyll pigments and reconstituted with spheroidene, Photochem. Photobiol., 64, 823-883, https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.1996.tb01842.x.

11. Angerhofer, A., Bornhaüser, F., Aust, V., Hartwich, G., and Scheer, H. (1998) Triplet energy transfer in bacterial photosynthetic reaction centres, Biochim. Biophys. Acta, 1365, 404-420, https://doi.org/10.1016/S0005-2728(98)00093-0.

12. Laible, P. D., Chynwat, V., Thurnauer, M. C., Schiffer, M., Hanson, D. K., and Frank, H. A. (1998) Protein modifications affecting triplet energy transfer in bacterial photosynthetic reaction centers, Biophys. J., 74, 2623-2637, https://doi.org/10.1016/S0006-3495(98)77968-8.

13. De Winter, A., and Boxer, S. G. (1999) The mechanism of triplet energy transfer from the special pair to the carotenoid in bacterial photosynthetic reaction centers, J. Phys. Chem. B, 103, 8786-8789, https://doi.org/10.1021/jp992259d.

14. Laible, P. D., Morris, Z. S., Thurnauer, M. C., Schiffer, M., and Hanson, D. K. (2003) Inter- and intraspecific variation in excited-state triplet energy transfer rates in reaction centers of photosynthetic bacteria, Photochem. Photobiol., 78, 114-123, https://doi.org/10.1562/0031-8655(2003)0780114IAIVIE2.0.CO2.

15. Mandal, S., Carey, A.-M., Locsin, J., Gao, B.-R., Williams, J. C., Allen, J. P., Lin, S., and Woodbury, N. W. (2017) Mechanism of triplet energy transfer in photosynthetic bacterial reaction centers, J. Phys. Chem. B, 121, 6499-6510, https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.7b03373.

16. Mandal, S., Espiritu, E., Akram, N., Lin, S., Williams, J. C., Allen, J. P., and Woodbury, N. W. (2018) Influence of the electrochemical properties of the bacteriochlorophyll dimer on triplet energy-transfer dynamics in bacterial reaction centers, J. Phys. Chem. B, 122, 10097-10107, https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.8b07985.

17. Dexter, D. L. (1953) A theory of sensitized luminescence in solids, J. Chem Phys., 21, 836-850, https://doi.org/10.1063/1.1699044.

18. You, Z.-Q., Hsu, C.-P., and Fleming, G. R. (2006) Triplet-triplet energy-transfer coupling: theory and calculation, J. Chem. Phys., 124, https://doi.org/10.1063/1.2155433.

19. 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, https://doi.org/10.1007/s10541-005-0256-3.

20. 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, https://doi.org/10.1002/jcp.1030490104.

21. Fufina, T. Y., 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 P_A bacteriochlorophyll to the L subunit, FEBS Lett., 581, 5769-5773, https://doi.org/10.1016/j.febslet.2007.11.032.

22. Fufina, T. Y., Selikhanov, G. K., Gabdulkhakov, A. G., and Vasilieva, L. G. (2023) Properties and crystal structure of the Cereibacter sphaeroides photosynthetic reaction center with double amino acid substitution I(L177)H + F(M197)H, Membranes, 13, 157, https://doi.org/10.3390/membranes13020157.

23. Фуфина Т. Ю., Васильева Л. Г. (2021) Влияние детергентов и осмолитов на термостабильность нативных и мутантных реакционных центров Rhodobacter sphaeroides, Биохимия, 86, 607-614, https://doi.org/10.31857/S0320972521040126.

24. Vasilieva, L. G., Fufina, T. Y., Gabdulkhakov, A. G., Leonova, M. M., Khatypov, R. A., and Shuvalov, V. A. (2012), The site-directed mutation I(L177)H in Rhodobacter sphaeroides reaction center affects coordination of P_A and B_B bacteriochlorophylls, Biochim. Biophys. Acta, 1817, 1407-1417, https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2012.02.008.

25. Budil, D. E., and Thurnauer, M. C. (1991), The chlorophyll triplet state as a probe of structure and function in photosynthesis, Biochim. Biophys. Acta, 1057, 1-41, https://doi.org/10.1016/S0005-2728(05)80081-7.

26. Frank, H. A., Bolt, J. D., de B. Costa, S. M., and Sauer, K. (1980), Electron paramagnetic resonance detection of carotenoid triplet states, J. Am. Chem. Soc., 102, 4893-4898, https://doi.org/10.1021/ja00535a009.

27. Фуфина Т. Ю., Леонова М. М., Хатыпов Р. А., Христин А. М., Шувалов В. А., Васильева Л. Г. (2019) Особенности аксиального лигандирования бактериохлорофиллов в фотосинтетическом реакционном центре пурпурных бактерий, Биохимия, 84, 509-519, https://doi.org/10.1134/S0320972519040043.

28. Фуфина Т. Ю., Васильева Л. Г., Шувалов В. А. (2010) Исследование стабильности мутантного фотосинтетического реакционного центра Rhodobacter sphaeroides I(L177)H и установление местоположения бактериохлорофилла, ковалентно связанного с белком, Биохимия, 75, 256-263, https://doi.org/10.1134/s0006297910020112.

29. Parson, W. W., Clayton, R. K., and Cogdell, R. J. (1975) Excited states of photosynthetic reaction centers at low redox potentials, Biochim. Biophys. Acta, 387, 265-278, https://doi.org/10.1016/0005-2728(75)90109-7.

30. Norris, J. R., Budil, D. E., Gast, P., Chang, C.-H., El-Kabbani, O., and Schiffer, M. (1989) Correlation of paramagnetic states and molecular structure in bacterial photosynthetic reaction centers: the symmetry of the primary electron donor in Rhodopseudomonas viridis and Rhodobacter sphaeroides R-26, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 86, 4335-4339, https://doi.org/10.1073/pnas.86.12.4335.

31. 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, 84, 739-744, https://doi.org/10.1134/S0320972519050129.

32. Забелин А. А., Фуфина Т. Ю., Васильева Л. Г., Шкуропатова В. А., Зверева М. Г., Шкуропатов А. Я., Шувалов В. А. (2009) Мутантные реакционные центры Rhodobacter sphaeroides I(L177)H с прочно связанным бактериохлорофиллом а: структурные свойства и пигмент-белковые взаимодействия, Биохимия, 74, 86-94, https://doi.org/10.1134/s0006297909010106.

33. Scholes, G. D. (2003) Long-range resonance energy transfer in molecular systems, Annu. Rev. Phys. Chem., 54, 57-87, https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.54.011002.103746.

34. Quintes, T., Mayländer, M., and Richert, S. (2023) Properties and applications of photoexcited chromophore–radical systems, Nature Rev. Chem., 7, 75-90, https://doi.org/10.1038/s41570-022-00453-y.

35. Chidsey, C. E. D., Takiff, L., Goldstein, R. A., and Boxer, S. G. (1985) Effect of magnetic fields on the triplet state lifetime in photosynthetic reaction centers: Evidence for thermal repopulation of the initial radical pair, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 82, 6850-6854, https://doi.org/10.1073/pnas.82.20.6850.