Протохлорофиллид [1] или моновинилпротохлорофиллид — промежуточное вещество в биосинтезе хлорофилла a . У него отсутствует фитоловая боковая цепь хлорофилла и восстановленный пиррол в кольце D. [2] Протохлорофиллид сильно флуоресцентен ; мутанты, которые его накапливают, светятся красным при облучении синим светом. [3] У покрытосеменных растений более поздние этапы, которые превращают протохлорофиллид в хлорофилл, зависят от света, и такие растения бледнеют ( хлоротичны ), если растут в темноте. Голосеменные растения , водоросли и фотосинтезирующие бактерии имеют другой, независимый от света фермент и также зеленеют в темноте.
Фермент, который преобразует протохлорофиллид в хлорофиллид a , следующий промежуточный продукт на пути биосинтеза, [4] — это протохлорофиллидредуктаза , [5] EC 1.3.1.33. Существует два структурно неродственных белка с этой активностью: светозависимый и темновой. Светозависимой редуктазе для работы нужен свет. Темновая версия — это совершенно другой белок, состоящий из трех субъединиц, которые демонстрируют значительное сходство последовательностей с тремя субъединицами нитрогеназы , которая катализирует образование аммиака из диазота. [6] Этот фермент может быть эволюционно старше, но (будучи похож на нитрогеназу) очень чувствителен к свободному кислороду и не работает, если его концентрация превышает примерно 3%. [7] Следовательно, альтернативная, светозависимая версия должна была эволюционировать.
Большинство фотосинтезирующих бактерий имеют как светозависимые, так и светонезависимые редуктазы. Покрытосеменные растения утратили темно-функциональную форму и полагаются на 3 немного отличающиеся копии светозависимой версии, часто сокращенно обозначаемые как POR A, B и C. Голосеменные растения имеют гораздо больше копий похожего гена ( ладанная сосна имеет около 11 Ладанная сосна (Pinus taeda L.) содержит множественные экспрессированные гены, кодирующие светозависимую НАДФН: протохлорофиллид оксидоредуктазу (POR)). У растений POR кодируется в ядре клетки и только позже транспортируется к месту своей работы, хлоропласту . В отличие от POR, у растений и водорослей, имеющих темно-функциональный фермент, он, по крайней мере, частично кодируется в геноме хлоропласта . [8]
Сам хлорофилл связан с белками и может переносить поглощенную энергию в нужном направлении. Однако протохлорофиллид встречается в основном 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 этапе δ-аминолевулиновой кислоты (АЛК), одного из промежуточных соединений в биосинтетическом пути. Растения, питающиеся АЛК, накапливают высокие и токсичные уровни протохлорофиллида, как и мутанты с нарушенной регуляторной системой.
Мутант Arabidopsis FLU с нарушенной регуляцией может выживать только в условиях постоянной темноты (протохлорофиллид не опасен в темноте) или при постоянном освещении, когда растение может преобразовать весь произведенный протохлорофиллид в хлорофилл и не накапливает его сверх меры, несмотря на отсутствие регуляции. У мутанта ячменя Tigrina (мутировавшего по тому же гену, [9] ) свет убивает большую часть листовой ткани, которая развилась в темноте, но часть листа, которая возникла в течение дня, выживает. В результате листья покрываются белыми полосами некротических областей, а количество белых полос близко к возрасту листа в днях. Зеленые области выживают в последующие ночи, вероятно, потому, что синтез хлорофилла в зрелой листовой ткани в любом случае значительно снижен.
Несмотря на многочисленные прошлые попытки найти мутант, который перенакапливает протохлорофиллид в обычных условиях, в настоящее время (2009) известен только один такой ген ( flu ). Flu (впервые описанный в [3] ) — это кодируемый ядром, локализованный в хлоропласте белок, который, по-видимому, содержит только сайты белок-белкового взаимодействия. В настоящее время неизвестно, какие еще белки взаимодействуют через этот линкер. Регуляторный белок — это трансмембранный белок, который локализован в тилакоидной мембране. Позже было обнаружено, что мутанты Tigrina в ячмене, известные давно, также мутируют в том же гене. [9] Неочевидно, почему не наблюдалось мутантов ни одного другого гена; возможно, мутации в других белках, вовлеченных в регуляторную цепь, являются фатальными. Flu — это один ген, а не член семейства генов .
Позже, по сходству последовательностей, аналогичный белок был обнаружен в водорослях Chlamydomonas , [10] показывая, что эта регуляторная подсистема существовала задолго до того, как покрытосеменные растения утратили независимый фермент конверсии. В другом смысле регуляторный белок Chlamydomonas более сложен: он крупнее, пересекает тилакоидную мембрану дважды, а не один раз, содержит больше участков белок-белковых взаимодействий и даже подвергается альтернативному сплайсингу . Похоже, что регуляторная система претерпела упрощение в ходе эволюции.