1.97 Å 해상도에서 페레독신과 복합체를 형성한 시아노박테리아 광계 I의 구조

Oct 15, 2023

커뮤니케이션 생물학 5권, 기사 번호: 951(2022) 이 기사 인용

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광계 I(PSI)은 사이토크롬 c6(Cyt c6)에서 페레독신(Fd)으로 전자를 전달하는 광 구동 전자 펌프입니다. 이 전자 전달 과정에 대한 이해는 PSI:Fd 인터페이스와 Cyt c6의 가능한 결합 부위에 관한 구조적 세부 사항이 부족하여 방해를 받습니다. 여기에서는 Fd 및 느슨하게 결합된 Cyt c6과 복합체를 이루는 Thermosynechococcus elongatus BP-1 PSI의 고해상도 저온 EM 구조를 설명합니다. 물 분자 연결을 포함하는 PSI:Fd 인터페이스의 측쇄 상호작용이 자세히 시각화됩니다. 구조는 Fd 결합의 동역학에 영향을 미치는 PsaE 및 PsaC 돌연변이의 특성을 설명하고 환원 시 Fd 해리에 대한 분자 스위치를 제안합니다. 열량계 기반 열역학 분석은 Fd에 대한 단일 결합 부위를 확인하고 PSI:Fd 복합체화가 순전히 엔트로피에 의해 구동된다는 것을 보여줍니다. PSI를 통해 Cyt c6에서 Fd로 전자를 효율적으로 전달하기 위한 가능한 반응 주기가 제안되었습니다.

산소 발생 광합성은 명암 반응으로 구성되며, 전자는 광자 흡수에서 시작하여 물에서 시작하여 최종 전자 운반체 단백질인 페레독신1(Fd)까지 광합성 전자 수송 사슬을 구동합니다. 4개의 대형 막 단백질 복합체인 광계 II2, 시토크롬(Cyt) b6f3, 광계 I4(PSI) 및 NADH 유사 복합체 I5(NDH-1)는 틸라코이드 막 내의 전자 전달 사슬에서 작동합니다. 플라스토퀴논, 플라스토시아닌(Pc), Cyt c6 및 페레독신(Fd)은 이러한 막 복합체 사이에서 전자를 이동시키는 이동성 전자 운반체 역할을 합니다. 이러한 전자 운반체는 산화환원 파트너와 일시적 복합체를 형성합니다. 전자 전달 이벤트는 순차적이어야 하며, 높은 수준의 특이성과 속도론적으로 효율적인 방식으로 발생해야 합니다. 즉, 전자 전달 속도는 완전한 전기화학 반응의 최대 성능에 핵심입니다. 광계 II와 Cyt b6f 사이의 친유성 유기 분자, 플라스토퀴논 또는 퀴논 유사체의 분자간 상호 작용은 동역학6 및 X선 결정학7으로 잘 특성화되었습니다. 그러나 수용성 전자 운반체 Pc 및 Fd와 Cyt b6f, PSI 및 NDH-1의 단백질-단백질 상호 작용은 산화 환원 의존 구조의 분자 크기가 크기 때문에 연구하기가 어렵습니다.

PSI는 틸라코이드 막을 통과하는 전자의 이동을 위해 빛에 의한 고속 전하 분리를 실행합니다8. 100%에 가까운 양자 효율을 지닌 PSI는 자연에서 발견되는 가장 효율적인 에너지 변환기입니다9. PSI 반응 센터의 주변 안테나 색소에 의해 유입된 여기 에너지를 사용하여 P7004라고 하는 엽록소 a/엽록소 a' 분자 쌍에서 전하 분리가 발생합니다. 활성화된 전자는 전자 전달 사슬(ETC)을 통해 전달되고 [4Fe-4S] 클러스터 FA 및 FB를 통해 간질 측의 하류 수용성 전자 수용체 Fd로 전달됩니다10. 강력한 환원제인 Fd는 NADPH 생성, 질소 및 황 동화, 지방산 불포화화와 같은 다양한 하류 반응에 전자를 제공합니다11. 산화된 P700은 이후 관강 전자 공여체 단백질인 Cyt c6 또는 Pc에 의해 환원되어 다음 단계의 전자 전달을 시작합니다. 시아노박테리아 PSI는 주로 동종삼량체이지만, 단량체13 또는 사량체14 형태도 존재합니다. 각 PSI 프로토머는 100개 이상의 보철 그룹을 호스팅하는 최대 12개의 하위 단위로 구성되며, 이는 복합체 전체 질량의 3분의 1을 차지합니다15. Thermosynechococcus elongatus(이전 Synechococcus elongatus)의 삼량체 시아노박테리아 PSI의 X선 구조는 2001년에 2.5Å 해상도(PDB ID: 1JB04)로 확인되었으며, 2018년에는 Synechocystis sp. 2.5Å 해상도의 PCC 6803(PDB ID: 5OY016). 나중에 빛을 수확하는 엽록소 단백질 I(LHCI)과 복합체를 이루는 녹색 식물형 PSI를 포함한 여러 다른 PSI 구조가 X선 결정학 및 극저온 전자 현미경(cryo-EM)을 통해 더 높은 해상도로 밝혀졌습니다. 즉, 2.4Å의 완두콩의 PSI-LHCI(PDB ID: 7DKZ17), 녹조류의 PSI-LHCI-LHCII(PDB ID: 7D0J18), 2.38 및 2.4Å 해상도의 규조류의 두 PSI-LHCI 복합체(PDB ID) : 6LY519, 6L4U20). Cryo-EM의 해상도 혁명21 이후, 약간 더 높은 해상도의 시아노박테리아 PSI의 두 가지 Cryo-EM 구조가 더 발표되었습니다. 즉, 2.35Å의 Halomicronema hongdecloris C2206(PDB ID: 6KMW22)의 삼량체 PSI와 이종낭 형성 Anabaena sp.의 사량체 PSI입니다. 2.37Å의 PCC7120(PDB ID: 6K6114).

0.7 Å before and after complex formation are highlighted by arrowheads for one protomer. Because individual side chains may be involved in the crystal packing for X-ray structures of PSI or Fd, we intentionally used the α-carbon positions of main chain structures for comparisons and the Cα-baton models without side chains were shown in Fig. 6. The analysis shows that perturbations caused by Fd binding and the presence of Cyt c6 are not limited to the stromal side, but also propagate to the luminal side. When comparing the atomic model of Fd in our complex structure (PDB ID: 7FIX) against the atomic model of free Fd (PDB ID: 5AUI27) by displaying displacements of >0.7 Å at the α-carbon (Fig. 6c), we found that the cluster proximal region remained unperturbed whereas three distal regions (in dashed circles) underwent structural changes after binding to PSI./p> 0 and ΔS > 0) but not to that of the Fd:SiR type59 (ΔH < 0 and ΔS > 0). Binding of Fd to its partner protein (in this case, PSI) appears to be entirely driven by entropy. Attractive electrostatic interactions, polar interactions, and Van der Waals’ force-driven interactions might contribute to a negative ΔH (ΔH < 0), but detachment of water molecules bound to interfaces for complexation of Fd and PSI will cost thermodynamically to give a positive value for the net ΔH (ΔH > 0), as also observed in the Fd:FNR complex formation57, 60. Nonetheless, conformational disorder accompanying the displacement of water molecules from the interface can make complex formation energetically favorable due to the associated increase in entropy. The ITC analysis demonstrates a strong inter-protein affinity between Ga-Fd and PSI with a Kd value of ~0.8 μM, which closely corresponds to the affinity of native Fd to PSI as measured by flash-absorption spectroscopy24. Last, the binding stoichiometry (n value) calculated based on ITC measurement results was approximately three, meaning that one Ga-Fd binds to one PSI protomer in solution, which is consistent with the results of our cryo-EM structure./p>

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