Цитохром-b6f-комплекс
Цитохром b6f-комплекс | |
---|---|
Липидный бислой показан голубой и красной линиями. | |
Идентификаторы | |
Шифр КФ | 1.10.99.1 |
Базы ферментов | |
IntEnz | IntEnz view |
BRENDA | BRENDA entry |
ExPASy | NiceZyme view |
MetaCyc | metabolic pathway |
KEGG | KEGG entry |
PRIAM | profile |
PDB structures | RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum |
Поиск | |
PMC | статьи |
PubMed | статьи |
NCBI | NCBI proteins |
Медиафайлы на Викискладе |
Цитохро́м-b6f-ко́мплекс (комплекс
Цитохром-b6f-комплекс занимает особое стратегическое положение в электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) хлоропластов — между ФСI и ФСII. В электрон-транспортной цепи комплекса наблюдается наибольшее изменение
.Структурная организация
Цитохром-b6f-комплекс состоит из следующих субъединиц[6][7][8][9]:
Субъединица | кДа )
|
Описание |
---|---|---|
PetA (Цит. f) | 32,273 | Несёт гем c. Связывает и восстанавливает пластоцианин. |
PetB (Цит. b6) | 24,712 | Несёт гемы bp, bn и сn. Участвует в транспорте электронов. |
PetC (Белок Риске) | 19,295 | Несёт [2Fe-2S] железосерный кластер. Участвует в транспорте электронов. |
PetD (Субъединица IV) | 17,528 | Не несёт кофакторов, но необходима для работы комплекса. |
PetG | 4,058 | Необходима для работы комплекса, участвует в его сборке и обеспечивает стабильность. |
PetL | 3,530 | Не существенна для работы комплекса, но стабилизирует его. |
PetM | 3,841 | Необходимая субъединица, участвует в его сборке и обеспечивает стабильность. |
PetN | 3,304 | Необходимая субъединица, участвует в его сборке и обеспечивает стабильность. |
Белковый состав
Цитохром-b6f-комплекс — трансмембранный белок, который состоит из восьми субъединиц[10] и существует в виде димера с суммарной массой около 220 кДа[8]. Димеризация комплекса происходит за счёт взаимодействия трансмембранных доменов цитохрома b6 и белка Риске[англ.][9].
Ядро комплекса состоит из четырёх больших субъединиц: цитохром f или PetA, несущий гем c-типа, цитохром b6 или PetB , несущий три гема, железосерный белок Риске[англ.] (PetC), содержащий 2Fe-2S-кластер, и PetD или субъединица IV, которая не участвует в транспорте электронов, но вместе с цитохромом b6 образует Qp-сайт связывания пластохинона. Другие четыре субъединицы имеют массу 3—4 кДа и называются малыми субъединицами[10][11]. Все они состоят из одной α-спирали, обеспечивают комплексу стабильность и помогают ему принять правильную конформацию в процессе сборки[7]. У высших растений PetG, PetM и PetN необходимы для полноценной работы комплекса[9].
Димер цитохромного комплекса образует центральную обменную полость, в которой происходят все процессы окисления и восстановления пластохинонов и где находятся сайты их связывания. Стороны димера, обращённые в люмен и строму, не равнозначны: сторона, обращённая в люмен, электрохимически более положительна и потому называется p-стороной (от англ. positive), а сторона, обращённая в строму, электрохимически более отрицательна и называется n-стороной (от англ. negative). Ближе к р-стороне, в центральной обменной полости, между гемом bp и железосерным кластером белка Риске[англ.] расположен Qp-сайт, или центр связывания восстановленного пластохинона QH2, где происходит его окисление, а ближе к n-стороне рядом с парой гемов bn/сn расположен Qn-сайт связывания окисленного пластохинона Q, где происходит его восстановление[12].
Кроме восьми основных субъединиц, как девятую, самую большую, субъединицу можно рассматривать ферредоксин-НАДФ+-редуктазу[англ.] — белок массой 35,3 кДа, который может связываться с цитохромным комплексом. Такого рода комплексы были выделены из шпината и зелёного горошка. Предположительно ФНР, связанная с цитохром-b6f-комплексом, принимает участие в циклическом транспорте электронов[12].
Цитохром-b6f — не только самый маленький, но и самый стабильный из комплексов, участвующих в фотосинтезе. Это объясняется тем, что он практически не содержит фотоактивных веществ, которые могли бы привести к повреждению комплекса на свету. В то время как время
Кофакторы и электрон-транспортные цепи
Белок Риске | |
---|---|
| |
Идентификаторы | |
Символ | CytB6-F_Fe-S |
Pfam | PF08802 |
InterPro | IPR014909 |
Доступные структуры белков | |
Pfam | структуры |
PDB | RCSB PDB; PDBe; PDBj |
PDBsum | 3D-модель |
Медиафайлы на Викискладе |
Цитохром-b6f-комплекс содержит семь
Комплекс погружён в тилакоидную мембрану таким образом, что функциональная группа белка Риске и цитохрома f выходят на её внутреннюю, люменальную поверхность, тогда как два гема цитохрома b6 находятся в толще мембраны, причём bp приближен к её внутренней стороне, а bn к наружной. Такое асимметричное расположение редокс-центров в мембране обеспечивает существование двух пространственно разделённых цепей транспорта электронов внутри одного комплекса. Первая, низкопотенциальная цепь транспорта электронов формируется за счёт двух гемов цитохрома b6 — низкопотенциального bn (E°‘ = —0,15 В) и высокопотенциального bp (E°‘ = —0,05 В). Вторая, высокопотенциальная цепь включает белок Риске (E°‘ = +0,3 В) и гем цитохрома f (E°‘ = +0,34 В). При окислении пластохинолов в цитохромном комплексе реализуется два сопряжённых потока электронов — по низкопотенциальному и высокопотенциальнму пути[16].
Белок Риске
Высокое значение редокс-потенциала белка Риске объясняется участием в координационных связях с железом, наряду с двумя остатками цистеина, двух остатков гистидина. Такой высокий редокс-потенциал позволяет ему окислять пластохинолы, индуцируя реакции Q-цикла[англ.]. Белок Риске — ключевой элемент всего цитохромного комплекса, именно здесь происходит расхождение двух электронов. Изучение кристаллической структуры комплекса показало, что позиция 2Fe-2S-центра может смещаться относительно других редокс-центров. Оказалось, что белок Риске имеет подвижный домен, на котором, собственно, и расположен 2Fe-2S центр. Принимая электрон и восстанавливаясь, 2Fe-2S центр меняет своё положение и отдаляясь от Qp-сайта и гема bp на 17 Å с поворотом на 60° и тем самым приближаясь к цитохрому f. Отдав электрон цитохрому, 2Fe-2S центр, наоборот, сближается с Qp-центром для установления более тесного контакта. Таким образом функционирует своеобразный челнок (шаттл), гарантирующий уход второго электрона на гемы bp и bn. Пока это единственный известный пример, когда электронный транспорт связан с подвижным доменом в структуре белка[17].
Гем cn
Отличительная черта цитохром-b6f-комплекса — наличие в его структуре необычного гема, расположенного на внутренней поверхности обменной полости на стромальной или n-стороне цитохрома b6. Изначально этот гем был назван «гемом x», поскольку он обладал неожиданной
Поскольку гемы cn и bn расположены на расстоянии всего в 4 Å, полагают, что они действуют как единый двугемовый цитохром. Кроме того, эксперименты с аналогами
Отсутствие гема cn в цитохром bc1-комплексе указывает на то, что его возможная функция в цитохром-b6f-комплексе связана с циклическим транспортом электронов вокруг фотосистемы I, который, очевидно, отсутствует в bc1-комплексе. Свет на
Гены
Как указано выше, цитохромный комплекс состоит из восьми субъединиц и семи простетических групп. У
У прокариот ген белка Риске (petC) и ген petA образуют ещё один оперон petCA. Таким образом, транскрипция четырёх больших субъединиц у прокариот генетически скоординирована. Четыре малые субъединицы Pet G, L, M и N не находятся в одном опероне, и их генетическая координация и синтез мало изучены[18].
Механизм реакции
Цитохром-b6f-комплекс участвует в нециклическом (1) и циклическом (2) транспорте электронов между двумя подвижными переносчиками: пластохиноном (QH2) и пластоцианином (Pc):
H2O | → | Фотосистема II | → | QH2 | → | Цит. b6f | → | Pc | → | Фотосистема I | → | НАДФН | (1) |
НАДФН/ Ферредоксин
|
→ | ФНР | → | Цит. b6f | → | Pc | → | Фотосистема I | → | НАДФН | (2) |
Комплекс окисляет пластохинол, восстановленный фотосистемой II, а затем восстанавливает медьсодержащий белок пластоцианин, который осуществляет перенос электрона в водной фазе к следующему комплексу цепи — фотосистеме I. В электрон-транспортной цепи бактерий и митохондрий вместо пластоцианина присутствует цитохром c, который выполняет там аналогичную функцию[2]. Цитохромный комплекс окисляет восстановленный пластохинон и восстанавливает пластоцианин согласно уравнению:
QH2 + 2Pcox +2H+из стромы→ Q + 2Pcred + 4H+в люмен
Q-цикл
Первая часть Q-цикла
- QH2 связывается с электрохимически положительной 'p' стороной (люменальная сторона) комплекса в Qp-сайте, окисляется до семихинона (Q•) железосерным центром белка Риске и отдаёт два протона в люмен.
- Восстановленный железосерный центр передаёт один электрон на пластоцианин через цитохром f.
- Q связывается с 'n' стороной в Qn-сайте.
- Q• передаёт электроны к гему bp цитохрома b6 по низкопотенциальной ЭТЦ.
- Гем bp передаёт электрон на bn/cn.
- Пара bn/cn восстанавливает Q до состояния Q•.
Вторая часть Q-цикла
- Второй QH2 связывается с Qp-сайтом комплекса.
- Пойдя по высокопотенциальной ЭТЦ, один электрон восстанавливает ещё один пластоцианин. Ещё два протона поступают в люмен.
- По низкопотенциальной ЭТЦ электрон от bn/cn передаётся на Q•, и полностью восстановленный Q2− связывает два протона их стромы, превращаясь в QH2.
- Окисленный Q и восстановленный QH2 диффундируют в мембрану.
Электронный транспорт в комплексе сопряжён с переносом протонов из стромы в люмен и генерацией на мембране протонного градиента. Принцип Q-цикла состоит в том, что перенос H+ через мембрану происходит в результате окисления и восстановления пластохинонов на самом комплексе. При этом пластохиноны соответственно отдают и забирают H+ из водной фазы избирательно с разных сторон мембраны. Движущей силой восстановления одного пластохинона служит бифуркация электронов: один электрон окисляемого пластохинона переносится на восстанавливаемый пластохинон за счёт того, что другой его электрон переходит на более редокс-положительный пластоцианин, что сопровождается значительной потерей энергии[19][20].
С тех пор, как в 1975 году
Циклический транспорт электронов
В отличие от митохондриального комплекса III, цитохром-b6f-комплекс осуществляет ещё один вид электронного транспорта, необходимый для циклического фотофосфорилирования. Электрон от ферредоксина передаётся на пластохинон, а затем на цитохром-b6f-комплекс, где используется для восстановления пластоцианина, который затем вновь окисляется П700 в фотоситеме I[22]. Точный механизм того, как пластохинон восстанавливается ферредоксином, ещё не известен и является дискуссионным. Одно из предположений состоит в том, что существует специальный фермент ферредоксинпластохинонредуктаза или НАДФН-дигидрогеназа[22]. В качестве наиболее вероятного кандидата на эту роль последнее время рассматривают ферредоксин-НАДФ+-редуктазу, которая может образовывать комплекс с цитохром-b6f-комплексом. Полагают также, что в качестве акцептора электронов в циклическом транспорте может участвовать гем cn[20][21]. Большое количество данных также говорит в пользу образования суперкомплекса из цитохром-b6f-комплекса, ФСI, ферредоксин-НАДФ+-редуктазы и трансмембранного белка PGRL1. Образование и распад такого комплекса, как полагают, переключает режим потока электрона с нециклического на циклический и обратно[23][24].
Сравнение цитохром-bc1 и цитохром-b6f-комплексов
Цитохром-bc1-комплекс и цитохром-b6f-комплекс — это близкие по своей структуре белковые комплексы, из которых первый присутствует во
Топология хлоропласта может быть получена из топологии
Ядро комплекса структурно схоже с ядром цитохрома bc1. Железосерные белки Риске обоих комплексов
Цитохром b6 и субъединица IV гомологичны
У цитохром-bc1-комплекса нет субъединиц, гомологичных малым субъединицам цитохром-b6f-комплекса (Pet G, L, M и N), а их место в комплексе занимают липиды. В структуре цитохром-bc1-комплекса также есть несколько внешних полипептидов, как водорастворимых, так и трансмембранных, которые можно обнаружить только в эукариотических комплексах. Таких субъединиц нет в прокариотических bc1 и участвующих в фотосинтезе b6f-комплексах[18].
Цитохром-b6f-комплекс содержит три дополнительных
Регуляция
Поскольку цитохром-b6f-комплекс находится на пересечении всех основных
Регуляция осуществляется на уровне транскрипции, а также сборки комплекса в мембране тилакоида. Весь процесс регуляции ещё плохо изучен, а у высших растений практически не исследован. Эксперименты на
Синтез цитохромного комплекса
Биологические функции
В процессе фотосинтеза цитохром-b6f-комплекс обеспечивает транспорт электронов между двумя реакционными центрами — от фотосистемы II к фотосистеме I, а также транспорт протонов из стромы хлоропластов в просвет тилакоида[5]. Электронный транспорт отвечает за создание протонного градиента, который обеспечивает синтез АТФ в хлоропластах[11].
Цитохром-b6f-комплекс является важным регуляторным участником
Число оборотов этого комплекса самое низкое по сравнению с остальными компонентами ЭТЦ хлоропластов, поэтому он контролирует скорость фотосинтеза и может снижать скорость протекающих внутри себя реакций в зависимости от интенсивности света или pH. Механизм этого процесса неизвестен[30]. Также показана роль комплекса в усилении или ослаблении циклического потока электронов независимо от состояния хлоропластов, но в прямой зависимости от их редокс-потенциала[24].
Положение в мембране
Цитохромный комплекс примерно в равных количествах присутствует в мембранах
Галерея
-
Мономер Цит. b6f.
-
Цит. b6f в мембране.
-
Цит. b6f с кофакторами и липидами.
-
Цит. b6f, вид снизу.
-
Цит. b6f из M. laminosus (1vf5).
-
Цит. b6f из M. laminosus (2d2c).
-
Цит. b6f, вид сбоку.
-
Цит. b6f изC. reinhardtii.
-
Brassica rapa.
-
ДваC. reinhardtii.
-
Белок Риске из M. laminosus.
-
Белки Риске в Цит. b6f, вид сверху.
-
Положение двух белков Риске в Цит. b6f.
См. также
- Фотосистема I
- Фотосистема II
- Терминальная оксидаза
- Альтернативная оксидаза
- Окислительное фосфорилирование
- Цитохром-bc1-комплекс
Примечания
- ↑ PDB id:1q90
- ↑ 1 2 Хелдт, 2011, с. 95.
- ↑ Berg, Jeremy M. (Jeremy M.); Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert.; Stryer, Lubert. Biochemistry. Biochemistr (неопр.). — New York: W.H. Freeman[англ.], 2007. — ISBN 978-0-7167-8724-2.
- ↑ 1 2 Ермаков, 2005, с. 176.
- ↑ 9 июня 2022 года.
- ↑ 1 2 Cramer Lab. Project Page: Cytochrome b6f complex . Дата обращения: 5 августа 2015. Архивировано 23 июля 2012 года.
- ↑ 24 сентября 2015 года.
- ↑ .
- ↑ .
- ↑ .
- ↑ 1 2 Voet Donald J. Biochemistry / Donald J. Voet ; Judith G. Voet (неопр.). — New York, NY: Wiley, J, 2011. — ISBN 978-0-470-57095-1.
- ↑ 24 сентября 2015 года.
- .
- .
- ↑ .
- ↑ 1 2 Ермаков, 2005, с. 177.
- ↑ Ермаков, 2005, с. 243.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 S. Saif Hasana, Eiki Yamashitab, William A. Cramera. Transmembrane signaling and assembly of the cytochrome b6f-lipidic charge transfer complex (англ.) // Biochimica et Biophysica Acta[англ.] : journal. — Vol. 1827, no. 11—12. — P. 1295—1308. — PMID 23507619.
- ↑ Ермаков, 2005, с. 240.
- ↑ .
- ↑ .
- ↑ .
- .
- ↑ .
- .
- .
- .
- ↑ Ермаков, 2005, с. 179.
- 9 марта 2016 года.
- .
- ↑ Ермаков, 2005, с. 180.
Литература
- Зитте П. и др. Ботаника / Под ред. В. В. Чуба. — 35-е изд. — М.: Академия, 2008. — Т. 2. Физиология растений. — 495 с.
- Медведев С. С. Физиология растений. — СПб.: БХВ-Петербург, 2013. — 335 с.
- Физиология растений / Под ред. И. П. Ермакова. — М.: Академия, 2005. — 634 с.
- Хелдт Г. В. Биохимия растений. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. — 471 с.
Ссылки
- Информационная система «Фотосинтетическая мембрана»
- Q цикл на сайте «Фотосинтетическая мембрана»
- «Циклический и нециклический поток электронов.» в онлайн энциклопедии Физиология растений
Эта статья входит в число хороших статей русскоязычного раздела Википедии. |