Протохлорофиллид , [1] или моновинилпротохлорофиллид , является промежуточным продуктом в биосинтезе хлорофилла а . У него отсутствует фитоловая боковая цепь хлорофилла и восстановленный пиррол в кольце D. [2] Протохлорофиллид обладает высокой флуоресценцией ; мутанты, накапливающие его, светятся красным при облучении синим светом. [3] У покрытосеменных более поздние стадии преобразования протохлорофиллида в хлорофилл зависят от света, и такие растения бледны ( хлоротичны ), если выращиваются в темноте. Голосеменные растения , водоросли и фотосинтезирующие бактерии имеют еще один светонезависимый фермент и также растут зелеными в темноте.
Ферментом, который превращает протохлорофиллид в хлорофиллид а , следующий промежуточный продукт на пути биосинтеза, [4] является протохлорофиллидредуктаза , [5] EC 1.3.1.33. Существует два структурно неродственных белка с такой активностью: светозависимый и темнодействующий. Для работы светозависимой редуктазы необходим свет. Темно-оперативная версия представляет собой совершенно другой белок, состоящий из трех субъединиц, которые демонстрируют значительное сходство последовательностей с тремя субъединицами нитрогеназы , катализирующей образование аммиака из динитрогена. [6] Этот фермент может быть эволюционно старше, но (похожий на нитрогеназу) очень чувствителен к свободному кислороду и не работает, если его концентрация превышает примерно 3%. [7] Следовательно, альтернативная, светозависимая версия должна была развиваться.
Большинство фотосинтезирующих бактерий имеют как светозависимые, так и светонезависимые редуктазы. Покрытосеменные утратили темно-действующую форму и полагаются на 3 слегка отличающиеся копии светозависимой версии, часто обозначаемые сокращенно POR A, B и C. Голосеменные имеют гораздо больше копий аналогичного гена ( сосна лоблолли имеет около 11 копий сосны лоблолли (сосна лоблолли). Pinus taeda L.) Содержит множественные экспрессируемые гены, кодирующие светозависимую НАДФН:протохлорофиллидоксидоредуктазу (ПОР)). У растений ПОР кодируется в ядре клетки и лишь позже транспортируется к месту своей работы — хлоропласту . В отличие от ПОР, у растений и водорослей, имеющих темнодействующий фермент, он, по крайней мере, частично кодируется в геноме хлоропластов . [8]
Сам хлорофилл связан с белками и может передавать поглощенную энергию в нужном направлении. Однако протохлорофиллид встречается преимущественно в свободной форме и при освещении действует как фотосенсибилизатор, образуя высокотоксичные свободные радикалы. Следовательно, растениям необходим эффективный механизм регулирования количества предшественника хлорофилла. У покрытосеменных это происходит на стадии δ-аминолевулиновой кислоты (АЛК), одного из промежуточных соединений биосинтетического пути. Растения, получающие АЛК, накапливают высокие и токсичные уровни протохлорофиллида, как и мутанты с нарушенной регуляторной системой.
Мутант Arabidopsis FLU с нарушенной регуляцией может выжить только либо в постоянной темноте (протохлорофиллид в темноте не опасен), либо при постоянном освещении, когда растение способно превращать весь образующийся протохлорофиллид в хлорофилл и не накапливает его в избытке, несмотря на отсутствие регуляции. . У мутанта ячменя Tigrina (мутировавшего по тому же гену [9] ) свет убивает большую часть ткани листа, развившейся в темноте, но часть листа, возникшая в течение дня, выживает. В результате листья покрываются белыми полосами некротизированных участков, количество белых полос приближается к возрасту листа в днях. Зеленые области сохраняются в последующие ночи, вероятно, потому, что синтез хлорофилла в зрелой ткани листа и так сильно снижается.
Несмотря на многочисленные прошлые попытки найти мутанта, который сверхнакопляет протохлорофиллид в обычных условиях, в настоящее время (2009 г.) известен только один такой ген ( грипп ). Грипп (впервые описанный в [3] ) представляет собой белок, кодируемый ядром и локализованный в хлоропластах, который, по-видимому, содержит только сайты белок-белкового взаимодействия. В настоящее время неизвестно, какие еще белки взаимодействуют через этот линкер. Регуляторный белок представляет собой трансмембранный белок, расположенный в мембране тилакоида . Позднее было обнаружено, что известные давно мутанты Tigrina в ячмене также мутируют по этому же гену. [9] Непонятно, почему не наблюдалось никаких мутантов какого-либо другого гена; возможно, мутации в других белках, участвующих в регуляторной цепи, фатальны. Грипп — это отдельный ген, а не член семейства генов .
Позднее по сходству последовательностей аналогичный белок был обнаружен у водорослей Chlamydomonas [10] , что показало, что эта регуляторная подсистема существовала задолго до того, как покрытосеменные растения утратили самостоятельный конверсионный фермент. В другом отношении регуляторный белок Chlamydomonas устроен сложнее: он крупнее, пересекает тилакоидную мембрану дважды, а не один раз, содержит больше сайтов белок-белковых взаимодействий и даже подвергается альтернативному сплайсингу . Судя по всему, в ходе эволюции система регулирования претерпела упрощение.