Исследование pH-зависимых молекулярных механизмов фотозащиты в химерной фотоантенне LHCII-SRНИР

Study of the pH-dependent molecular mechanisms of photoprotection in chimeric photoantenna LHCII-SR

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 19 марта 2018 г.-19 марта 2019 г. Исследование pH-зависимых молекулярных механизмов фотозащиты в химерной фотоантенне LHCII-SR
Результаты этапа: В ходе выполнения первого этапа проекта получены следующие результаты: - Для комплекса LHCII-SR предложена модель третичной структуры pH-чувствительного С-конца белка. Первичная модель, полученная с использованием I-TASSER на основе структур белков LHCII и LHCSR, из которых состоит химерный комплекс, была использована для поиска конформационных минимумов, соответствующих реальной структуре комплекса. В ходе такого поиска обнаружены 3 конформации, которые были рассмотрены в качестве возможных кандидатов на модель структуры LHCII-SR. - Для каждой из конформаций проведено моделирование спектров кругового дихроизма (КД), отличающихся высокой чувствительностью к взаиморасположению пигментов. Одна из конформаций, для которой спектр КД демонстрирует количественное согласие с экспериментальными данными, была выбрана для дальнейшего моделирования pH-зависимости нефотохимического тушения флуоресценции. - Проведена симуляция молекулярной динамики при постоянном pH для данной конформации (3 реплики при pH 4.4 общей продолжительностью 90 нс). В ходе динамики была обнаружена агрегация pH-чувствительного остатка и основной части комплекса, приводящая к структурным изменениям внутри комплекса, в том числе в сближение пигментов в гетеродимере хлорофилл 612 - лютеин 620, перенос энергии возбуждения в котором является скоростьлимитирующей стадией нефотохимического тушения флуоресценции. - Проведено моделирование возбужденных состояний пигментов гетеродимера методом МКССП для изучения влияния структурных изменений на энергию экситонного взаимодействия между пигментами (взаимодействие между переходами S0->Qy в хлорофилле и 1Ag-->2Ag- в лютеине). Проведен анализ влияния размера активного пространства МКССП на переходные свойства лютеина и энергию взаимодействия между пигментам. Была показана необходимость включения всех орбиталей сопряженной π-системы лютеина, что достигается использованием МКССП с ограниченной кратностью возбуждений. - Рассчитаны средние значения энергии экситонного взаимодействия на динамических траекториях при pH 4.4 и 7.5. Показано, что при понижении pH среднее значение энергии взаимодействия увеличивается с 18.9 см-1 до 20.5-23.8 см-1 (в зависимости от реплики), что соответствует росту скорости нефотохимического тушения флуоресценции в 1.17-1.59 раза, что согласуется с экспериментальными данными. Таким образом, в ходе работы, как и было запланировано, воссоздана структура комплекса LHCII-SR, смоделированы его спектральные свойства и предложена модель конформационных изменений, происходящих при понижении pH.
2 19 марта 2019 г.-19 марта 2020 г. Исследование pH-зависимых молекулярных механизмов фотозащиты в химерной фотоантенне LHCII-SR
Результаты этапа: За первый год реализации проекта предложена модель структуры комплекса; идентифицированы структурные изменения в комплексе, происходящие при понижении pH; рассчитаны энергии экситонного взаимодействия в димере хлорофилл-лютеин и исследована их зависимость от pH. За второй год реализации проекта предложен подход к расчету энергий темнового электронного состояния 2Ag- для полиенов и каротиноидов; проведен расчет экситонного гамильтониана комплекса LHCII-SR; предложена кинетическая модель нефотохимического тушения флуоресценции в комплексе, включающая как молекулы лютеина, так и хлорофиллы; для предложенной модели исследовано влияние величины pH на скорости тушения флуоресценции; рассмотрен агрегат LHCII/LHCII-SR и предложена модель переноса энергии электронного возбуждения в нем. Рассмотрим результаты второго года подробнее. 1. Проведено исследование применимости комбинации метода DMRG с поправкой по теории возмущения NEVPT2 для расчета энергий возбужденных состояний структурных аналогов каротиондов – транс-полиенов. Показано, что а) релаксация состояния 2Ag- в его локальный минимум приводит значительному (~1 эВ) понижению его энергии по сравнению с геометрией основного состояния, что соответствует существенному различию ядерных геометрий состояний и низкой вероятности 0->0 перехода; б) предложенный подход позволяет достичь отклонения от эксперимента 0.15-0.30 эВ, что является хорошим согласием с учетом многоконфигурационной природы состояния 2Ag-. 2. Для незамещенных полиенов и лютеина рамках приближения Франка-Кондона проведено моделирование электронно-колебательных спектров поглощения из основного электронного состояния в состояния 2Ag- и 1Bu+, а также из состояния 2Ag- в 1Bu+. Для перехода экспериментально наблюдаемого перехода 1Ag-->1Bu+ показано хорошее согласие с экспериментом, для перехода 1Ag-->2Ag- показано, что наибольшая интенсивность наблюдается для электронно-колебательных переходов 0->3 и 0->4, что согласуется со значительным сдвигом минимумов энергии состояний 1Ag- и 2Ag-. 3. Проведен расчет из первых принципов экситонного гамильтониана комплекса LHCII-SR, включающего состояния Qy хлорофиллов и 2Ag- молекул лютеина, показано что энергия экситонного взаимодействия хлорофилл-лютеин является ощутимой (более 1 см-1) только для димеров хлорофилл-лютеин, располагающихся в центре комплекса, в то время как энергии взаимодействия лютеинов с остальными хлорофиллами пренебрежимо малы. Показано, что сильно взаимодействующий хлорофилл №612 имеет наименьшую энергию возбуждения среди состояний хлорофиллов, что согласуется с экспериментальными наблюдениями и позволяет рассматривать его в качестве основного переносчика энергии возбуждения с пула хлорофиллов а на лютеин. 4. Проведен расчет спектральных функций взаимодействия пигментов с белковым окружением и моделирование динамики переноса энергии возбуждения в комплексе после возбуждения в полосу экситонных состояний хлорофиллов а. Показано, что в полосе экситонных состояний хлорофиллов а быстро устанавливается термическое равновесие (<10 пс), в то время как перенос энергии возбуждения на лютеин представляет собой значительно более медленный процесс. При этом количественного согласия для скорости переноса в рамках теории Редфилда достичь не удалось в силу недостаточной ширины неэмпирической спектральной функции вместе с достаточно большой разницей энергий возбуждения пигментов в димере. 5. Поскольку, как было показано, термическое равновесие между хлорофиллами достигается очень быстро, моделирование кинетики тушения флуоресценции было проведенов рамках гибридной модели, включающей равновесие в полосе экситонных состояний хлорофиллов а и перенос энергии возбуждения с хлорофилла №612 на лютеин, рассчитанный в рамках теории Ферстера. Для предложенной модели получено как согласие с экспериментом абсолютных величин характерных времен тушения флуоресценции в нейтральной (1.93 нс против 2.19 нс) и кислой (1.66 нс против 1.83 нс) среде, так и хорошее согласие относительного изменения скорости тушения флуоресценции при понижении pH (1.16 раза против 1.20 раза).

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".