Centrum Algatech

Mikrobiologický ústav AV ČR, v.v.i. - vědecké pracoviště Třeboň

Skládání a kontrola kvality fotosyntetických membránových komplexů

Josef Komenda

​Hlavními součástmi fotosyntetického aparátu rostlin, řas a sinic jsou membránové pigment-proteinové komplexy. Tyto komplexy zachytávají  světlo a používají jeho energii pro elektronového transportu z vody na NADPH za současné tvorby univerzálního buněčného paliva ATP. Mezi těmito komplexy hraje ​klíčovou roli komplex fotosystému II (PSII), který je schopen využívat vodu jako zdroj elektronů a přitom uvolňuje kyslík.  ATP. PSII je velmi komplexní soubor polypeptidových řetězců, pigmentů, lipidů a dalších kofaktorů (Obr. 1), které musí být velmi přesně sestaveny, aby byl komplex perfektně funkční.

 

Obr. 1. Schématický model fotosystému II u sinic. Zelená barva označuje chlorofyl, purpurová polypetidové řetězce (modifikovaný obrázek od  Franck Michoux, Imperial College London)

 

Existující studie skládání komplexu PSII ukázaly, že tento proces probíhá postupně tak, že se nejprve vytvoří nejprve komplex reakčního centra (RC), složený z centrálních homologiích proteinů D1 a D2 (Obr. 2). Tento tzv. heterodimer váže většinu skupin, účastnících se elektronového transportu z vody na plastochinon.  Tento subkomplex RC váže postupně  vnitřní antény v pořadí CP47 a CP43, dále manganaté a vápenaté ionty tvořící kyslík vyvíjející klastr a nakonec lumenální proteiny, který tento klastr stabilizují.

Obr. 2. Zjednodušený model skládání komplexu fotosystému II u sinic.

Ve výzkumu výše zmíněných procesů skládání a kontroly kvality proteinů fotosystému II využíváme metody molekulární biologie včetně místně řízené mutageneze a genového umlčování, dále metody proteinové biochemie včetně separace proteinů chromatografií a nativní či denaturační elektroforézou (Obr. 3), imunodetekci, hmotnostní spektrometrii, overexprese proteinů a jejich purifikace, elektronovou mikroskopii, absorpční a fluorescenční spektroskopii. Jako modelový organismus většinou využíváme sinici Synechocystis PCC 6803, která je excelentní z důvodu snadné genetické manipulovatelnosti, znalosti jejího geonomu a schopnosti růst na glukóze při narušení fotosyntetických funkcí např. vlivem cílených mutací.

    

Obr. 3. Electroforetická separace nativních pigment-proteinových komplexů ze sinice Synechocystis PCC 6803. Zelené jsou chlorofyl-proteiny obou fotosystémů, oranžové karotenoidy a modré fykobiliproteiny a jejich komplexy. Panel vlevo ukazuje neobavené komplexy, vpravo jejich chlororofylovou fluorescenci