Кіріспе
Пластоцианин – электронды тасымалдауға қатысатын мыс қосқан ақуыз. Ол фотосинтезге қатысатын әртүрлі өсімдіктерде кездеседі. Бұл ақуыз, қарқынды көк түсті металлопротеиндер тобы – көк мыс ақуыздарының прототипі болып табылады. Нақтырақ айтқанда, ол "купредоксиндер" деп аталатын кішкентай I типті көк мыс ақуыздары тобына жатады.
Функция
Фотосинтезде пластоцианин фотожүйе II-нің цитохром b6f кешенінің цитохром f-ы мен фотожүйе I-нің P700+ арасында электронды тасымалдаушы агент ретінде жұмыс істейді. Цитохром b6f кешені мен P700+ екеуі де хлоропласттардың тилакоидты мембранасының люмен жағындағы әйнекшелерге ие мембранаға байланысқан ақуыздар болып табылады. Цитохром f электрон беретін зат ретінде, ал P700+ тотыққан пластоцианиннен электрондарды қабылдайды.
Құрылымы
Пластоцианин – көк мыс протеиндерінің алғаш рет рентгендік кристаллография арқылы сипатталғаны. Оның құрамында бір мыс орталығын қамтитын сегіз тізбекті антипараллель β-цилиндр бар. Попляр, балдырлар, петрушка, шпинат және француз бұршағы өсімдіктерінен алынған протеиннің құрылымы кристаллографиялық түрде анықталған. Пластоцианиннің тотыққан түрінде His 87 протондалады. Мыс байланысу орнына жақын протеиннің молекулалық беті шамалы өзгереді, бірақ барлық пластоцианиннің мыс байланысу орнының ашық гистидинін қоршап тұратын гидрофобтық беті болады. Өсімдік пластоцианиндерінде қышқыл қалдықтары жоғары сақталған тирозин 83-тің екі жағында орналасқан. Апиацея тұқымдасына жататын тамырлы өсімдіктер мен балдырлардың пластоцианиндері ұқсас қышқыл қалдықтарға ие, бірақ өсімдік пластоцианиндерімен салыстырғанда пішіндері әртүрлі – оларда 57 және 58 қалдықтары жоқ. Цианобактерияларда зарядталған қалдықтардың бетіндегі таралуы эукариоттық пластоцианиндерден өзгеше, ал бактерия түрлері арасындағы айырмашылықтар зор. Көптеген цианобактерия пластоцианиндері 107 аминқышқылынан тұрады. Бактерияларда қышқыл аймақтар сақталмаса да, гидрофобтық аймақ әрқашан кездеседі. Осы гидрофобтық және қышқыл аймақтар электронды тасымалдауға қатысатын басқа протеиндерді тану/байланысу орындары деп саналады.
Энтазиялық күй
Катализатордың функциясы – электрондық көшіру (редокс) реакциясының жылдамдығын арттыру. Пластоцианин ферменттер сияқты жұмыс істемейді, онда ферменттер электронды көшіруге қажетті энергияны төмендетіп жібереді. Пластоцианин энтатикалық күйлер принципі бойынша жұмыс істейді, ол реактивтердің энергиясын арттырып, редокс реакциясының жүруіне қажетті энергия мөлшерін азайтады. Пластоцианиннің функциясын тағы бір жолмен түсіндіруге болады: ол электрондық көшіру реакциясын жеңілдету үшін шағын қайта ұйымдастыру энергиясын қамтамасыз етеді, ол шамамен … құрайды. Пластоцианиннің редокс реакциясының қасиеттерін зерттеу үшін кванттық механика / молекулалық механика (QM/MM) молекулалық динамикалық модельдеу сияқты әдістер қолданылды. Бұл әдіс пластоцианиннің энтатикалық кернеу энергиясы шамамен … екенін анықтады. Төрт координациялық мыс кешендері көбінесе шаршы жазықтық геометрияны көрсетеді, бірақ пластоцианин үшбұрышты бұрмаланған тетраэдрлік геометрияға ие. Бұл бұрмаланған геометрия тригональдық бұрмалаудың нәтижесінде лигандтық өріс тұрақтандыруының төмендеуіне байланысты идеалды тетраэдрлік геометриядан тұрақсыз. Бұл ерекше геометрия белокпен ұйымдастырылған лиганд донорларының қатаң «алдын ала ұйымдастырылған» конформациясымен шақырылады, бұл энтатикалық күй. Пластоцианин Cu(I) және Cu(II) арасындағы редокс арқылы электрондық көшіруді жүзеге асырады, және оның энтатикалық күйі белоктың тотыққан Cu(II) орнына қарапайым Cu(I) кешендері ұнататын бұрмаланбаған тетраэдрлік геометрияны енгізгенінің нәтижесі деп болжанған. Дегенмен, тотыққан Cu(II) орнына толық симметриялық тетраэдрлік геометрияның орнына жоғары бұрмаланған тетраэдрлік геометрия шақырылады. Энтатикалық күйдің ерекшелігі – металл-лиганд байланысын бұзатын температурада да лигандтың диссоциациясын болдырмайтын белоктық орта. Пластоцианин жағдайында сіңіру спектроскопиясы арқылы ұзақ және әлсіз Cu(I) SMet байланысы бар екені анықталды, ол физиологиялық температурада энтропияның артуына байланысты диссоциациялануы керек. Алайда, бұл байланыс энтропиялық күштерге үстемдік ететін белоктық ортаның шектеулеріне байланысты ажырамайды. Cu(I)/Cu(II) редокс жұптасуына қатысқан қарапайым мыс кешендерінде шектеуші белоктық орта болмаған жағдайда, олардың лиганд геометриясы айтарлықтай өзгереді және әдетте Яхн-Теллер бұрмалау күшінің болуына сәйкес келеді. Алайда, Яхн-Теллер бұрмалау күші пластоцианинде dх2-у2 және dху орбитальдарының үлкен айырылуына байланысты жоқ (Көк мыс ақуызының энтатикалық күйін қараңыз). Сонымен қатар, пластоцианиннің құрылымы электрондық донорлық қабілеті төмендеген ұзақ Cu(I) SMet байланысын (2.9 Å) көрсетеді. Бұл байланыс сонымен қатар Cu(I) SCys байланысын (2.1 Å) қысқартады, оның электрондық донорлық қабілетін арттырады. Жалпы, пластоцианин төмен қайта ұйымдастыру энергиясына ие, себебі белок лигандының энтатикалық күйі Cu(II) және Cu(I) тотығу күйлерінде бірдей бұрмаланған тетраэдрлік геометрияны сақтайды, бұл оған электронды көшіруді жоғары жылдамдықпен жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Пластоцианин сияқты көгілдір мыс ақуыздарының қайта ұйымдастыру энергиясы 0.7-1.2 эВ (68-116 кДж/моль) құрайды, бұл [Cu(phen)2]2+/+ сияқты қарапайым мыс кешеніндегі 2.4 эВ (232 кДж/моль) көрсеткіштен төмен.
To study the properties of the redox reaction of plastocyanin, methods such as quantum mechanics / molecular mechanics (QM/MM) molecular dynamics simulations. This method was used to determine that plastocyanin has an entatic strain energy of about .]] Four coordinate copper complexes often exhibit square planar geometry, however plastocyanin has a trigonally distorted tetrahedral geometry. This distorted geometry is less stable than ideal tetrahedral geometry due to its lower ligand field stabilization as a result of the trigonal distortion. This unusual geometry is induced by the rigid “pre organized” conformation of the ligand donors by the protein, which is an entatic state. Plastocyanin performs electron transfer with the redox between Cu(I) and Cu(II), and it was first theorized that its entatic state was a result of the protein imposing an undistorted tetrahedral geometry preferred by ordinary Cu(I) complexes onto the oxidized Cu(II) site. However, a highly distorted tetrahedral geometry is induced upon the oxidized Cu(II) site instead of a perfectly symmetric tetrahedral geometry. A feature of the entatic state is a protein environment that is capable of preventing ligand dissociation even at a high enough temperature to break the metal ligand bond. In the case of plastocyanin, it has been experimentally determined through absorption spectroscopy that there is a long and weak Cu(I) SMet bond that should dissociate at physiological temperature due to increased entropy. However, this bond does not dissociate due to the constraints of the protein environment dominating over the entropic forces. In ordinary copper complexes involved in Cu(I)/Cu(II) redox coupling without a constraining protein environment, their ligand geometry changes significantly, and typically corresponds to the presence of a Jahn Teller distorting force. However, the Jahn Teller distorting force is not present in plastocyanin due to a large splitting of the dx2 y2 and dxy orbitals (See Blue Copper Protein Entatic State). Additionally, the structure of plastocyanin exhibits a long Cu(I) SMet bond (2.9Å) with decreased electron donation strength. This bond also shortens the Cu(I) SCys bond (2.1Å), increasing its electron donating strength. Overall, plastocyanin exhibits a lower reorganization energy due to the entatic state of the protein ligand enforcing the same distorted tetrahedral geometry in both the Cu(II) and Cu(I) oxidation states, enabling it to perform electron transfer at a faster rate. The reorganization energy of blue copper proteins such as plastocyanin from 0.7 to 1.2 eV (68 116 kJ/mol) compared to 2.4 eV (232 kJ/mol) in an ordinary copper complex such as [Cu(phen)2]2+/+.