Struttura del fotosistema cianobatterico I complessato con ferredossina con risoluzione di 1,97 Å

Oct 15, 2023

Biologia delle comunicazioni volume 5, numero articolo: 951 (2022) Citare questo articolo

2537 accessi

4 citazioni

23 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Il fotosistema I (PSI) è una pompa elettronica guidata dalla luce che trasferisce gli elettroni dal citocromo c6 (Cyt c6) alla ferredossina (Fd). La comprensione di questo processo di trasferimento di elettroni è ostacolata dalla scarsità di dettagli strutturali riguardanti l'interfaccia PSI:Fd e i possibili siti di legame di Cyt c6. Qui descriviamo la struttura cryo-EM ad alta risoluzione del Thermosynechococcus elongatus BP-1 PSI in complesso con Fd e un Cyt c6 debolmente legato. Le interazioni della catena laterale all'interfaccia PSI:Fd, comprese le molecole d'acqua a ponte, vengono visualizzate in dettaglio. La struttura spiega le proprietà dei mutanti di PsaE e PsaC che influenzano la cinetica del legame di Fd e suggerisce un interruttore molecolare per la dissociazione di Fd dopo la riduzione. Le analisi termodinamiche basate sulla calorimetria confermano un singolo sito di legame per Fd e dimostrano che la complessazione PSI:Fd è puramente guidata dall'entropia. Viene proposto un possibile ciclo di reazione per il trasferimento efficiente di elettroni da Cyt c6 a Fd tramite PSI.

La fotosintesi ossigenica consiste in reazioni di luce e oscurità, la prima delle quali inizia dall'assorbimento dei fotoni e guida la catena di trasporto degli elettroni fotosintetici originati dall'acqua fino alla proteina trasportatrice finale degli elettroni, la ferredossina1 (Fd). Quattro grandi complessi proteici di membrana, il fotosistema II2, il citocromo (Cyt) b6f3, il fotosistema I4 (PSI) e il complesso simile al NADH I5 (NDH-1) operano nella catena di trasporto degli elettroni all'interno della membrana tilacoide. Plastochinone, plastocianina (Pc), Cyt c6 e ferredossina (Fd) agiscono come trasportatori mobili di elettroni per trasportare gli elettroni tra questi complessi di membrana. Questi trasportatori di elettroni formano complessi transitori con i loro partner redox. Gli eventi di trasferimento degli elettroni dovrebbero essere sequenziali, avvenire con un alto grado di specificità e in modo cineticamente efficiente. In breve, la velocità di trasferimento degli elettroni è fondamentale per ottenere le massime prestazioni dell’intera reazione elettrochimica. L'interazione intermolecolare di molecole organiche lipofile, analoghi del plastochinone o del chinone, tra il fotosistema II e il Cyt b6f è stata ben caratterizzata mediante la cinetica6 e la cristallografia a raggi X7. Tuttavia, le interazioni proteina-proteina dei trasportatori di elettroni idrosolubili Pc e Fd con Cyt b6f, PSI e NDH-1 sono difficili da studiare a causa delle grandi dimensioni molecolari delle strutture redox-dipendenti.

Il PSI esegue una rapida separazione di carica guidata dalla luce per il trasferimento di elettroni attraverso la membrana tilacoide8. Con un'efficienza quantica prossima al 100%, il PSI è il convertitore di energia più efficiente presente in natura9. Utilizzando l'energia di eccitazione incanalata dai pigmenti dell'antenna circostanti nel centro di reazione PSI, la separazione della carica avviene in una coppia di molecole di clorofilla a/clorofilla a′ denominate P7004. L'elettrone attivato viene quindi trasferito attraverso la catena di trasferimento degli elettroni (ETC) e inoltrato tramite i cluster [4Fe-4S] FA e FB all'accettore di elettroni idrosolubile a valle Fd sul lato stromale10. Il forte riducente Fd fornisce elettroni a una varietà di reazioni a valle come la produzione di NADPH, l'assimilazione di azoto e zolfo o la desaturazione di acidi grassi11. Il P700 ossidato viene successivamente ridotto da una proteina donatrice di elettroni luminale, Cyt c6 o Pc, avviando il ciclo successivo di trasferimento di elettroni12. Il PSI cianobatterico è principalmente un omotrimero, sebbene siano presenti forme monomeriche13 o tetrameriche14. Ciascun protomero PSI comprende fino a 12 subunità che ospitano più di 100 gruppi prostetici, che costituiscono un terzo della massa totale del complesso15. La struttura a raggi X del PSI cianobatterico trimerico di Thermosynechococcus elongatus (precedentemente Synechococcus elongatus) è stata determinata nel 2001 con una risoluzione di 2,5 Å (ID PDB: 1JB04) e nel 2018 quella di Synechocystis sp. PCC 6803 anche con risoluzione 2,5 Å (ID PDB: 5OY016). Successivamente, diverse altre strutture PSI, incluso il PSI di tipo pianta verde complessato con le proteine ​​della clorofilla I (LHCI) che raccolgono la luce, sono state rivelate con una risoluzione più elevata mediante cristallografia a raggi X e anche mediante microscopia elettronica criogenica (crio-EM); vale a dire, PSI-LHCI dal pisello a 2,4 Å (ID PDB: 7DKZ17), PSI-LHCI-LHCII (ID PDB: 7D0J18) da alghe verdi e due complessi PSI-LHCI da una diatomea con risoluzione 2,38 e 2,4 Å (ID PDB : 6LY519, 6L4U20). Dopo la rivoluzione della risoluzione21 nella crio-EM, sono state pubblicate altre due strutture crio-EM di PSI cianobatterici con una risoluzione leggermente superiore; vale a dire PSI trimerico da Halomicronema hongdecloris C2206 a 2,35 Å (ID PDB: 6KMW22) e PSI tetramerico da Anabaena sp che forma eterocisti. PCC7120 a 2,37 Å (ID PDB: 6K6114).