Динамика фотохромных реакций бактериородопсина Halobacterium salinarum в фемто- и пикосекундном диапазоне времен
Смитиенко О.А., Фельдман Т.Б., Шелаев И.В., Гостев Ф.Е., Айбуш А.В., Черепанов Д.А., Надточенко В.А., Островский М.А.
В основе функционирования родопсинов – большой группы белков, встречающихся во всех доменах живых организмов и играющих важную роль в процессе автотрофного питания и фоторецепции, лежит фотохимическая реакция изомеризации хромофорной группы ретиналя. Эта реакция протекает в возбужденном состоянии за фемто- и пикосекунды и запускает дальнейшие более медленные изменения конформации белка. Изучение фотохимической реакции родопсинов важно с точки зрения понимания механизмов преобразования энергии кванта света в химическую энергию, которую живые организмы используют для процессов жизнедеятельности. Новые знания могут быть полезными при создании сверхбыстрых оптических молекулярных фотопереключателей. Кроме того, в настоящее время изучение механизмов фотохимической реакции ретиналь-содержащих белков становится актуальным и важным направлением в оптогенетике при разработке методов протезирования дегенеративной сетчатки при поиске светочувствительного «инструмента».
Бактериородопсин, трансмембранный белок галоархеи Halobacterium salinarum, функционирует как светозависимый протонный насос, осуществляя простейший фотосинтез путем создания градиента концентрации протонов на цитоплазматической мембране, который используется для синтеза АТФ. Фотохимическая реакция в бактериородопсине протекает с образованием первого продукта J625 и последующего продукта K590, в котором часть энергии кванта света запасена в напряженной структуре ретиналя и системе водородных связей. Известно, что родопсины обладают фотохромными свойствами, поглощение кванта света продуктами прямой фотореакции приводит к обратной фотоизомеризации ретиналя с образованием в большинстве случаев исходного состояния BR568.
Учёные представили новые результаты по исследованию сверхбыстрой динамики обратной фотореакции бактериородопсина, инициированной из первичного продукта K590 на ранней стадии его образования (5 пс), в сравнении с прямой фотореакцией. Работа проводилась методом фемтосекундной абсорбционной лазерной спектроскопии в сотрудничестве с лабораторией био- и нанофотоники ФИЦ ХФ РАН.
Коллектив показал, что обратная фотореакция K590 → BR568 протекает с характерными временами 0,19 пс (20%), 1,1 пс (60%) и 16 пс (20%), в то время как прямая фотореакция BR568 → J625 протекает за время 0,52 пс с дополнительным нереакционным каналом, характеризующимся временем 3,5 пс (9%). Квантовый выход обратной фотореакции составил ~1. Полученные данные позволяют предположить, что продукт K590 существует в трех формах, которые, вероятно, отличаются характером хромофор-белкового взаимодействия, что сильно влияет на скорость обратной фотоизомеризации ретиналя. Кроме того полученные результаты указывают на то, что обратная фотореакция бактериородопсина в целом протекает медленнее, чем прямая фотореакция, из-за увеличения вклада пикосекундных компонент. Таким образом, результаты исследований дают новую информацию о структуре хромофорного центра бактериородопсина и о характере взаимодействия ретиналь-белок. Высокий квантовый выход обратной фотореакции бактериородопсина позволяет рассматривать этот белок как прообраз сверхбыстрого молекулярного переключателя.
Smitienko, O.; Feldman, T.; Shelaev, I.; Gostev, F.; Aybush, A.; Cherepanov, D.; Nadtochenko, V.; Ostrovsky, M. Reversible Photochromic Reactions of Bacteriorhodopsin from Halobacterium salinarum at Femto- and Picosecond Times. Molecules 2024, 29, 4847. DOI: 10.3390/molecules29204847
#наукаИБХФ #публикацииИБХФ #ИБХФ #ИБХФРАН
