오렌지 카로티노이드 단백질에서의 광활성화 메커니즘, 단백질 이차 구조 역학의 타이밍 및 카로티노이드 전이

오렌지 카로티노이드 단백질(OCP)은 비공유적으로 에키넨온(ECN) 카로티노이드를 결합하고 시아노박테리아에서 광보호를 매개하는 두 가지 도메인을 가진 광활성 단백질입니다. 어두운 환경에서 OCP는 OCPO라 알려진 주황색 비활성 상태를 가집니다; 블루 라이트 조명이 주어지면 활성 상태인 OCPR로 전환됩니다. OCPR 상태는 카로티노이드가 N-말단 도메인으로 전이되는 것과 함께 C-말단 및 N-말단 도메인의 분리와 해리라는 대규모 구조적 변화를 특징으로 합니다. 광자 흡수와 OCPR 상태의 형성 간의 메커니즘 및 동적 구조 관계는 대부분 알려지지 않았습니다. 여기서 우리는 시간 분해된 UV-가시광선 및 (편광된) 중적외선 분광법을 결합하여 카로티노이드와 단백질 이차 구조의 전자 및 구조 동역학을 피코초에서 0.5 밀리초까지 평가합니다. 우리는 OCP에서 식별되지 않은 카로티노이드 여흥 상태인 S* 상태를 발견했고, 이는 결합 주머니의 카로티노이드와 방향족 아미노산 간의 보존된 수소 결합 상호작용을 파괴하는 데 중요한 역할을 할 것으로 제안합니다. 우리는 카로티노이드 β1-링에서 방향족 곁사슬과의 수소 결합 파괴가 피코초에서 <1%의 낮은 수율로 발생하고 β1-링이 공액 π-전자 사슬에 대해 전이 상태를 유지하는 포괄적인 반응 모델에 도달했습니다. 이 사건은 N-말단 도메인에서 1 μs 동안 구조적 변화를 시작하여 카로티노이드가 10 μs 내에 N-말단 도메인으로 전이할 수 있게 합니다. 우리는 어두운 환경에서 C-말단 도메인 β-시트에 도킹하고 빛에서 펼쳐져 도메인 분리를 허용하는 나선형 요소의 적외선 신호를 식별했습니다. 이 나선형 요소는 0.5 밀리초의 실험 범위 내에서 이동하지 않으며, 이는 도메인 분리가 카로티노이드 전이를 최소 20배 긴 시간에 지연시키는 상황이 발생함을 나타냅니다.