Пресс-центр / новости / Наука /

Предложен механизм фотоинактивации целентеразина - хромофора фотопротеина гребневика Beroe abyssicola

Сотрудники ИБХ РАН вместе с коллегами из Лаборатории фотобиологии красноярского Института биофизики (ИБФ СО РАН) определили строение продуктов фотоинактивации хромофора фотопротеина гребневика Beroe abissycola и предложили механизм этого процесса. Впервые показано родство химических трансформаций для хромофоров фотопротеинов и флуоресцентных белков GFP-типа. Результаты опубликованы в журнале Organic Letters. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 17-14-01169p.

фотопротеины, биолюминесценция

Григоров А.С.

Burakova LP, Lyakhovich MS, Mineev KS, Petushkov VN, Zagitova RI, Tsarkova AS, Kovalchuk SI, Yampolsky IV, Vysotski ES, Kaskova ZM

Большинство обитателей морских глубин обладают способностью светиться в темноте [1], или биолюминесценцией. Биолюминесценция - это биохимический процесс, в ходе которого происходит окисление молекулой кислорода субстрата, называемого люциферином, под действием фермента - люциферазы. В морских организмах роль субстрата-люциферина чаще всего выполняет соединение, называемое целентеразином. Часть биолюминесцентных целентеразин-зависимых систем относят к фотопротеиновому типу. Фотопротеин - это комплекс, состоящий из молекулы белка и “предокисленного” кислородом целентеразина (2-гидропероксицелентеразина), прочно, но нековалентно связанного с белком. Реакция биолюминесценции в фотопротеине инициируется добавлением ионов кальция и является следствием декарбоксилирования исходного субстрата. Полученный в возбужденном состоянии продукт реакции релаксирует путем высвобождения кванта видимого света.

Первые эксперименты со светящимися экстрактами фотопротеинов были проведены в 20-х годах XX века [2]. Структура целентеразинового хромофора фотопротеина из A. aequorea и возможный механизм реакции люминесценции были предложены еще в 1960-х годах. На сегодняшний день биолюминесценция гидроидных фотопротеинов, например, акворина и обелина, хорошо изучена. Свечение фотопротеинов из гребневиков, несмотря на их значительные различия в строении с гидроидными белками, проходит по такому же механизму, однако, только им свойственна необратимая потеря биолюминесцентных свойств под действием видимого света, называемая фотоинактивацией. Было известно, что хромофор (2-гидропероксицелентеразин) белка необратимо деградирует после облучения с образованием продуктов неизвестного строения, однако механизм и причины такой особенности фотопротеинов гребневиков не были установлены. Первые попытки выделить продукты световой инактивации 2-гидропероксицелентеразина и определить их структуру не были успешными и приводили к противоречивым результатам [3].

В результате совместной работы сотрудников Лаборатории химии метаболических путей, Лаборатории биомолекулярной ЯМР-спектроскопии, Лаборатории биоинформационных методов комбинаторной химии и биологии ИБХ РАН и Лаборатории фотобиологии Института биофизики СО РАН впервые были выделены продукты фотоинактивации 2-гидропероксицелентеразина из рекомбинантного фотопротеина Beroe abissycola беровина. Методами ЯМР и масс-спектрометрии было показано, что это изомерные соединения, имеющие ту же массу, что и исходный хромофор, однако сильно отличающиеся по спектральным свойствам. Благодаря усилиям Лаборатории химии метаболических путей методом встречного синтеза была окончательно подтверждена структура выделенных природных соединений - это необычные продукты деградации целентеразина гидантоиновой природы. Согласно предложенному авторами механизму, в ходе фотоинактивации происходит расщепление С-С связи в пиразиновом кольце 2-гидропероксицелентеразина. Похожий механизм расщепления был ранее обнаружен при окислении хромофоров GFP-подобных флуоресцентных белков [4]. Склонность беровина к фотоинактивации позволяет предполагать, что 2-гидропероксицелентеразин в белке, в отличие от гидроидных фотопротеинов, координирован в форме аниона. И несмотря на то, что до сих пор не совсем понятен приспособительный смысл такого процесса для жизнедеятельности гребневиков, еще одна тайна природы была раскрыта.

Литература

  1. Martini, S.; Kuhnz, L.; Mallefet, J.; Haddock, S. H. D. Sci. Rep., 2019, 9 (1), 14654.
  2. Shimomura, O.; Yampolsky, I. Bioluminescence: Chemical Principles and Methods, 3rd ed.; World Scientific: Singapore, 2019.
  3. (a) Anctil, M.; Shimomura, O. Biochem. J. 1984, 221 (1), 269−272. (b) Ward, W. W.; Seliger, H. H. Photochem. Photobiol. 1976, 23 (5), 351−363.
  4. Ivashkin, P. E.; Lukyanov, K. A.; Lukyanov, S.; Yampolsky, I. V. J. Org. Chem. 2011, 76 (8), 2782−2791.

27 августа 2021 года