Введение
Пластоцианин – медьсодержащий белок, который обеспечивает перенос электронов. Он встречается у различных растений, где участвует в фотосинтезе. Этот белок является прототипом белков голубой меди – семейства интенсивно окрашенных в синий цвет металлопротеинов. В частности, он относится к группе небольших белков типа I голубой меди, называемых "купредоксинами".
Функция
В процессе фотосинтеза пластоцианин выполняет функцию переносчика электронов между цитохромом f комплекса цитохрома b6f, происходящего из фотосистемы II, и P700+ из фотосистемы I. Комплекс цитохрома b6f и P700+ – это оба мембранные белки с остатками, экспонированными на люменной стороне тилакоидной мембраны хлоропластов. Цитохром f выступает в роли донора электронов, а P700+ принимает электроны от восстановленного пластоцианина.
Структура
Пластоцианин был первым белком синей меди, структура которого была определена с помощью рентгеновской кристаллографии. Он состоит из восьми антипараллельных β-нитей, образующих бочкообразную структуру, содержащую один медный центр. Кристаллографически изучены структуры белка, выделенного из тополя, водорослей, петрушки, шпината и фасоли. В восстановленной форме пластоцианина гистидин 87 протонируется. Хотя молекулярная поверхность белка вблизи центра связывания меди незначительно различается, все пластоцианины имеют гидрофобную поверхность, окружающую экспонированный гистидин в месте связывания меди. У растительных пластоцианинов кислотные остатки расположены по обе стороны от высококонсервативного тирозина 83. Пластоцианины водорослей и сосудистых растений семейства Зонтичные (Apiaceae) содержат сходные кислотные остатки, но отличаются по форме от растительных пластоцианинов – им не хватает остатков 57 и 58. У цианобактерий распределение заряженных остатков на поверхности отличается от пластоцианинов эукариот, а вариации между различными видами бактерий значительны. Многие пластоцианины цианобактерий содержат 107 аминокислот. Хотя кислотные области не консервативны у бактерий, гидрофобные области всегда присутствуют. Считается, что эти гидрофобные и кислотные области являются участками распознавания/связывания для других белков, участвующих в переносе электронов.
Энтатичное состояние
Функция катализатора заключается в увеличении скорости реакции переноса электронов (редокс). Считается, что пластоцианин работает не совсем как фермент, где ферменты уменьшают энергию активации, необходимую для переноса электрона. Пластоцианин действует скорее на принципах энтатических состояний, увеличивая энергию реагентов и тем самым снижая количество энергии, необходимое для протекания окислительно-восстановительной реакции. Другой способ сформулировать функцию пластоцианина – он может облегчать реакцию переноса электронов, обеспечивая небольшую энергию реорганизации, величина которой составляет примерно . Для изучения свойств редокс-реакции пластоцианина используются методы, такие как молекулярная динамика с применением квантово-механико-молекулярно-механического подхода (QM/MM). С помощью этого метода было установлено, что энергия энтатического напряжения пластоцианина составляет около .]] Четырехкоординатные комплексы меди часто демонстрируют плоскоквадратную геометрию, однако пластоцианин имеет тригонально искаженную тетраэдрическую геометрию. Эта искаженная геометрия менее стабильна, чем идеальная тетраэдрическая, из-за меньшей стабилизации по лигандному полю, вызванной тригональным искажением. Эта необычная геометрия индуцируется жесткой, "предварительно организованной" конформацией доноров лигандов, поддерживаемой белком, что и является энтатическим состоянием. Пластоцианин осуществляет перенос электронов посредством редокс-перехода между Cu(I) и Cu(II), и первоначально предполагалось, что его энтатическое состояние является результатом навязывания белком неискаженной тетраэдрической геометрии, предпочтительной для обычных комплексов Cu(I), окисленной форме Cu(II). Однако, на окисленном центре Cu(II) индуцируется сильно искаженная тетраэдрическая геометрия, а не идеально симметричная. Характерной чертой энтатического состояния является белковое окружение, способное предотвращать диссоциацию лигандов даже при температуре, достаточной для разрыва металл-лигандной связи. В случае пластоцианина экспериментально установлено с помощью абсорбционной спектроскопии, что существует длинная и слабая связь Cu(I)-SMet, которая должна диссоциировать при физиологической температуре из-за увеличения энтропии. Однако эта связь не диссоциирует из-за доминирования ограничений белкового окружения над энтропийными силами. В обычных медных комплексах, участвующих в редокс-связи Cu(I)/Cu(II) без ограничивающего белкового окружения, их лигандная геометрия значительно изменяется и обычно соответствует наличию искажающей силы Яна-Теллера. Однако сила Яна-Теллера отсутствует в пластоцианине из-за большого расщепления орбиталей dx2-y2 и dxy (см. Энтатическое состояние белка голубой меди). Кроме того, структура пластоцианина характеризуется длинной связью Cu(I)-SMet (2,9 Å) с пониженной способностью к донорству электронов. Эта связь также укорачивает связь Cu(I)-SCys (2,1 Å), увеличивая ее способность к донорству электронов. В целом, пластоцианин демонстрирует более низкую энергию реорганизации благодаря энтатическому состоянию белкового лиганда, которое обеспечивает одинаковую искаженную тетраэдрическую геометрию как в состояниях окисления Cu(II), так и Cu(I), что позволяет ему осуществлять перенос электронов с более высокой скоростью. Энергия реорганизации белков голубой меди, таких как пластоцианин, составляет от 0,7 до 1,2 эВ (68-116 кДж/моль) по сравнению с 2,4 эВ (232 кДж/моль) в обычном комплексе меди, таком как [Cu(phen)2]2+/+.
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+/+.