Česky
Syntéza fotosyntetických komplexů v buňkách sinic
Fotosyntéza představuje fundamentální biochemický proces, na němž závisí udržení naprosté většiny forem života na Zemi; její výzkum patří v našich zemích mezi tradiční již od dob bývalého Československa. Týmy pracovníků třeboňského Centra Algatech Mikrobiologického ústavu AV ČR pod vedením prof. Josef Komendy a dr. Romana Sobotky se dlouhodobě věnují oboru, který lze označit jako molekulární biologie fotosyntézy.
Všechna fota: Archiv autorů
Modelová sinice Synechocystis PCC 6803 na snímku v elektronovém mikroskopu (vlevo nahoře), různé mutantní kmeny této sinice na agarovém médiu (vpravo nahoře, standardní kmen je označen WT), kultivace Synechocystis v tekutém médiu a na agarových plotnách
Fotosyntetické organismy přeměňují energii slunečního záření na formy využitelné i pro ostatní organismy včetně člověka. Na naší planetě je dominantní tzv. oxygenní fotosyntéza, při níž je produkován kyslík jako odpadní produkt a který je vlastní rostlinám, řasám a sinicím. Poslední jmenované jsou nejjednodušší známé organismy této přeměny schopné; patří do bakteriálního světa, ale přesto je fotosyntetický aparát sinic a rostlin podobný.
Publikování sekvence genomu modelové sinice Synechocystis PCC 6803 v roce 1996 bylo klíčovým stimulem pro rozvoj výzkumu fotosyntézy na buněčné úrovni. Je pozoruhodné, že genom nejstudovanějšího modelového organismu, bakterie Escherichia coli, byl publikován až o rok později. Synechocystis plní pro výzkum fotosyntetické buňky právě tak významnou roli jako E. coli pro studium molekulární biologie bakterií. Zatímco klasický výzkum fotosyntézy se zabýval převážně základními principy fungování fotosyntetického aparátu, molekulární biologie umožňuje detailně studovat dynamiku fotosyntetických komplexů, jejich biosyntézu, opravy a degradaci.
Model syntézy reakčního centra PSII, který se skládá z chlorofyl vázajících proteinů D1 a D2. Chlorofyly jsou postupně zabudovávány do proteinu D1 již v průběhu jeho syntézy ribozomem na translokáze (SecY-YidC). ChlG označuje enzym chlorofylsyntázu. Excitace chlorofylů je zhášená proteiny HliD, které obsahují karotenoidy. Nasyntetizovaný protein D1 je poté stále v kontaktu s HliD, a to i v dalším kroku, po připojení podjednotky D2, čímž zůstává chráněno také vzniklé reakční centrum PSII (RCII*). Pro zjednodušení nejsou v obrázku znázorněny ani doprovodné malé bílkovinné podjednotky, ani molekuly chlorofylu a dalších kofaktorů vázané v podjednotkách D1 a D2.
Klíčovou součástí oxygenního fotosyntetického aparátu je fotosystém II (PSII). Jde o složitý komplex proteinů, pigmentů a dalších kofaktorů, který je schopen jako jediný z existujících tzv. fotochemických reakčních center (kromě PSII mezi ně patří fotosystém I a komplexy anoxygenních fotosyntetických bakterií) používat vodu jako zdroj elektronů. Právě při této reakci se uvolňuje molekulární kyslík. Unikátní schopnost PSII nese odpovědnost i za existenci kyslíkové atmosféry na Zemi. Na druhé straně vysoká koncentrace kyslíku a fotochemické procesy spojené s fotosyntézou výrazně zvyšují nebezpečí vzniku reaktivních forem kyslíku (ROS), které mohou poškozovat fotosyntetické proteinové komplexy, ale i další buněčné složky fotosyntetické buňky. Z hlediska jednotlivých komponent fotosyntetického aparátu je PSII nejvíce náchylný na poškození (zničení) účinkem ROS. V podmínkách zvýšené ozářenosti jsou buňky nucené PSII intenzivně syntetizovat, a nahrazovat tak komplexy vyřazené z funkce.
Krystalová struktura dimerní formy fotosystému II. Na jednom ze dvou monomerů fotosystému II (vlevo) jsou znázorněny molekuly chlorofylu zelenou a karotenoidy oranžovou barvou. Chlorofyl vázající podjednotky D1 a D2 je spolu s anténními proteiny CP43 a CP47 barevně zvýrazněný v pravé části na druhém monomeru.
Vzhledem ke složitosti PSII je syntéza tohoto komplexu sofistikovaný proces, který vyžaduje koordinované poskládání několika desítek membránových proteinů v přesném pořadí spolu s navázáním velkého počtu kofaktorů, byť spíše než vlastní počet podjednotek je problémem přítomnost molekul chlorofylu, hojně zastoupených v centrálních podjednotkách PSII. Chlorofyl je oním pigmentem, jehož nadměrná excitace světlem způsobuje tvorbu ROS; tento proces je potenciálně intenzivnější v případě nehotového komplexu, který není zapojen do fotosyntézy a absorbovanou energii není schopen zužitkovat. Tvorbu ROS tlumí karotenoidy, ovšem ty musejí být zabudovány v proteinech včas a ve správné pozici, aby tuto úlohu mohly plnit. Proces syntézy PSII se tudíž stává velmi delikátním. Je třeba zabránit, aby se nezničily jednotlivé komponenty ještě před tím, než se podaří komplex vůbec dokončit.
Mechanismus syntézy chlorofyl vázajících podjednotek PSII nebyl dlouho objasněn. Jde samozřejmě o membránové proteiny a experimentální výsledky naznačovaly, že jsou již během své syntézy integrovány do buněčných membrán pomocí tzv. Sec systému. Základem je translokáza SecY – proteinový kanál zabudovaný v membráně, na který nasedá ribozom. Během translace je prodlužující se polypeptid tlačen do nitra translokázy, jež má schopnost se ve správný moment otevřít a vystrčit každý nově nasyntetizovaný hydrofobní segment do lipidové dvojvrstvy. V činnosti mu pomáhá další protein – inzertáza YidC. Třeboňské pracoviště publikovalo v tomto roce dvě práce, které objasňují, jak je Sec systém provázán se syntézou chlorofylu, jakým způsobem je během navázání chlorofylu do proteinů zabráněno vzniku ROS a jak jsou chráněné i následující kroky při sestavování PSII (Chidgey a kol. (2014) Plant Cell 26, 1267–1279; Knoppová a kol. (2014), Plant Cell 26, 1200–1212).
Autoři příspěvku Josef Komenda (lvlevo) a Roman Sobotka
První studie prokázala, že finální enzym biosyntetické dráhy chlorofylu, chlorofylsyntáza, je v kontaktu s invertázou YidC. Ukazuje to, že molekuly chlorofylu jsou postupně začleňovány do rodících se podjednotek PSII. Jako ochranný štít slouží několik kopií malého, ale důležitého proteinu HliD, který je schopen trvale vázat karotenoidy a odebírat světelnou energii z excitovaných chlorofylů. Poslední odhalenou komponentou je protein Ycf39, který byl identifikován již u rostlin jako důležitá součást procesu tvorby PSII. Konkrétní funkci proteinu Ycf39 se však doposud nepodařilo odhalit. Druhá publikace navázala na předchozí výsledky tím, že výrazně rozšířila znalost o procesu, který následuje po vzniku chlorofyl--proteinů, a to o jejich skládání do tzv. reakčního centra PSII. Jde o jakési minimální funkční jádro fotosystému – kromě několika malých podjednotek je složeno z chlorofyl vázajících proteinů D1 a D2. Podařilo se prokázat, že proteiny HliD a Ycf39 zů-stávají v kontaktu s nově vytvořenou podjednotkou D1, a to i po připojení podjednotky D2 a zformování kompletního reakčního centra. V tomto okamžiku je již rodící se fotosystém velmi pravděpodobně schopen základních fotochemických reakcí a ochrana před poškozením světlem je zajištěna schopností HliD proteinů disipovat energii. Přestože byl výše popsaný proces vzniku PSII charakterizován u sinice, je velmi pravděpodobné, že jeho principy jsou platné také pro vznik dalších chlorofyl-proteinových komplexů, a to i v chloroplastech řas a rostlin.
JOSEF KOMENDA a ROMAN SOBOTKA,
Mikrobiologický ústav AV ČR, v. v. i., Třeboň