Ο ρόλος των πολυαμινών στη διαχείριση των φωτονίων και των πρωτονίων από τη φωτοσυλλεκτική κεραία του φωτοσυστήματος ΙΙ
Authors: Τσιάβος Θεόδωρος 
Published: August 2021

Η φωτοσυλλεκτική κεραία του φωτοσυστήματος ΙΙ (LHCII) των φυτών λειτουργεί όχι μόνο απορροφώντας και μεταφέροντας την ηλιακή ενέργεια στα κέντρα αντίδρασης του φωτοσυστήματος ΙΙ (PSII), αλλά και προστατεύοντάς τα από την περίσσεια πίεση διέγερσης. Υπό συνθήκες υψηλού φωτισμού, το LHCII διαχέει την περίσσεια φωτονιακή ενέργεια ακίνδυνα στο περιβάλλον ως θερμότητα, μέσω του μηχανισμού της μη-φωτοχημικής απόσβεσης της ενέργειας (NPQ) (Horton et al. 1994). Ο ακριβής μοριακός μηχανισμός του συντελεστή qE του NPQ, που επάγεται αστραπιαία όταν αυξάνεται το ΔpH κατά μήκος της μεμβράνης των θυλακοειδών παραμένει άγνωστος. Η επικρατούσα θεωρία υποστηρίζει τη δημιουργία κάποιου κέντρου διάχυσης της ενέργειας από την αλληλεπίδραση κάποιας χλωροφύλλης (Chl) με κάποια ξανθοφύλλη που προκύπτει από την επαγόμενη από το ΔpH αλλαγή της οργάνωσης των χρωστικών σε κάποιο τριμερές ή μονομερές σύμπλοκο του LHCII (Ahn et al. 2008, Horton et al. 2000, Pascal et al. 2005, Ruban et al. 2007). Η παρούσα εργασία εστιάζεται στη μελέτη του ρόλου των πολυαμινών (ΠΑς) στο μηχανισμό του qE. Οι τρεις κύριες ΠΑς (πουτρεσίνη, Put, σπερμιδίνη, Spd και σπερμίνη, Spm) εντοπίζονται in vivo στο χλωροπλάστη προσδεμένες στο LHCII (Navakoudis et al., 2007) ενώ σε συνθήκες υψηλού φωτισμού συσσωρεύονται στο μικροχώρο (Ioannidis et al., 2012). Για τη σταδιακή εστίαση στο μηχανισμό υιοθετήθηκε μια in vitro βιοενεργητική πειραματική προσέγγιση από-το-ειδικό-στο-γενικό. Αρχικά, μελετήθηκαν διεξοδικά οι αλληλεπιδράσεις των ΠΑς με απομονωμένες Chls και με το υδατοδιαλυτό ανάλογό τους, τη χλωροφυλλίνη (SCC). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι και οι τρεις ΠΑς προσδένονται αξονικά μέσω των αμινομάδων τους στο Mg των Chls, αλλάζοντας την κατάσταση συναρμογής του. Παρουσιάζονται τα φασματοσκοπικά χαρακτηριστικά της αξονικής πρόσδεσης της Chl b, η οποία αλληλεπιδρά με τη Spm με ξεχωριστό τρόπο. Η Spm επάγει αντιστρεπτές αυξομειώσεις στα επίπεδα του φθορισμού της Chl b στα 661nm. Αμινικοί υποκαταστάτες όπως η Spm μπορούν να μετακινήσουν την ισορροπία της Chl b από μια διαμόρφωση διάχυσης της ενέργειας σε μια Pheo-like διαμόρφωση (μεγάλης εκπομπής φθορισμού) ή και το αντίθετο. Η πρόσδεση της Spm στο Mg της Chl b φαίνεται να περιλαμβάνει τις ιμινομάδες του μορίου της, καθώς πειράματα με την SCC ανέδειξαν τον εξαρτώμενο από το βαθμό πρωτονίωσής τους χαρακτήρα της αλληλεπίδρασης. Επιπλέον, νέα φασματοσκοπικά δεδομένα προέκυψαν για την προέλευση του ΔΑ535 που σχετίζεται βιβλιογραφικά με την επαγωγή του qE. Έπειτα, μελετήθηκαν οι αλληλεπιδράσεις των ΠΑς με απομονωμένα και λειτουργικά φωτοσυλλεκτικά σύμπλοκα της κεραίας του PSII. Οι ΠΑς βρέθηκε ότι επάγουν την απόσβεση του φθορισμού τόσο των τριμερών LHCII όσο και των μονομερών LHCb συμπλόκων σε φυσιολογικές τιμές pH, μιμούμενες τη δράση των πρωτονίων. Η απόσβεση του φθορισμού του LHCII από τη Spm συμβαίνει ταχύτατα μέσω της σάρωσης των αρνητικών φορτίων στην επιφάνειά του και στη συνέχεια σχηματίζονται μεγάλα συσσωματώματα. Η συσσωμάτωση που επάγεται από τη Spm οδηγεί στη διαμόρφωση διάχυσης της ενέργειας του LHCII που απαντάται κατά την ενεργοποίηση του qE, όπως έδειξαν τα αποτελέσματα της φασματοσκοπίας Raman. Όλα τα παραπάνω δείχνουν πως οι αμίνες, άμεσα (ως υποκαταστάτες του Mg) ή/και έμμεσα (μέσω της συσσωμάτωσης των πρωτεϊνικών συμπλόκων) οδηγούν στην μετατόπιση του Mg μιας Chl εντός του τετραπυρρολικού δακτυλίου της, αποσβένοντας την ενέργεια. Μάλιστα, μετά από in silico μελέτη των δομών της κεραίας υποδεικνύεται ως πιθανότερη υποψήφια για αυτόν τον ρόλο η Chl 8. Στο τρίτο μέρος της διατριβής, τα φωτοσυλλεκτικά σύμπλοκα ενσωματώθηκαν σε λιποσώματα σε μια προσπάθεια μελέτης τους σε ένα περιβάλλον που προσομοιώνει τις in vivo συνθήκες. Μελέτες αγωγιμότητας των πρωτεολιποσωμάτων σε πρωτόνια έδειξαν ότι τόσο τα τριμερή, όσο και τα μονομερή σύμπλοκα της κεραίας αυξάνουν τη διαπερατότητα τους όταν βρίσκονται στις μεμβράνες υπό μερική συσσωμάτωση. Η Spm επάγει τη μερική συσσωμάτωση των LHCII συμπλόκων που όταν ενσωματωθούν σε λιποσώματα αυξάνουν τη μη-ειδική μεταφορά των πρωτονίων, ενώ αντίθετα η προσθήκη Spm σε ήδη ενσωματωμένα σύμπλοκα βρέθηκε να μειώνει την αγωγιμότητά τους, υποδεικνύοντας την ύπαρξη και ειδικής μεταφοράς. Όλα τα παραπάνω επιτρέπουν να προταθεί ένα μοντέλο φωτοπροστασίας του φωτοσυνθετικού μηχανισμού από τη Spm.