Protein phosphorylation and proteolysis - regulation and adaptive responses in photosynthesis

Abstract

Just as all other organisms, plants adapt to various environmental conditions. This work focuses on the role of chloroplast light harvesting complex II, LHCII, in adaptation of photosynthesis to changed light conditions.



The two photosystems of oxygenic photosynthesis, photosystem I and II, use light of slightly different wavelengths for photochemistry. Since the photosystems are coupled in series, a light favouring one photosystem over the other leads to unbalanced electron transport. This work describes how plants adapt to such unbalanced light by "state transitions". State transitions involve changing the distribution of the light harvesting antenna complex, LHCII, between the two photosystems. Using antibodies directed towards phosphotyrosine and phosphothreonine, we found that phosphorylation of LHCII on both tyrosine and threonine residues were inhibited by the tyrosine kinase inhibitor, genistein, at concentrations not expected to cause any direct effect on threonine kinase activity. Results from spectroscopic methods for monitoring state transitions in combination with genistein suggested that tyrosine kinase activity is required for the state 2 transition.



Phosphorylation of LHCII and expression of genes encoding certain proteins involved in photosynthesis have been shown to be controlled by the redox-state of the plastoquinone pool. It is however not known how the signals emanate from the plastoquinone pool. One hypothesis is that two-component systems are involved. We have identified nuclear genes encoding elements of two-component systems, whose gene products are predicted to be targeted to the chloroplast. Thus genomic evidence suggests that chloroplasts have retained this system for signal transduction. We also describe a phosphoprotein associated with photosystem II which becomes dissociated from it upon phosphorylation. This phosphoprotein might also be involved in signalling events.



Two novel chloroplast proteolytic activities are described. One of the activities is found in the stroma and the other one is associated with the thylakoid membranes. Both proteases responsible are capable of cleaving a recombinant LHCII N-terminal peptide. The stromal protease, which cleaves preferentially on the carboxy-side of glutamic acid, has been partially purified. The protease associated with the thylakoid membrane seems to be under redox-control and may be involved in the degradation of LHCII as plants adapt to high-light conditions.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Fotosyntesen kan delas in i ljusreaktioner och mörkerreaktioner. I mörkerreaktionerna fixeras luftens koldioxid till kolhydrater med hjälp av den kemiska energin, ATP och NADPH, som bildas i ljusreaktionerna. I ljusreaktionerna används ljus som energikälla. Ljus skickas iväg ifrån solen som en blandning av ljus med olika våglängder. Synligt ljus har våglängder mellan ungefär 400 nm och 680 nm. 400 nm motsvarar violett ljus och 680 nm motsvarar rött ljus. Det är en uppdelning av ljusets olika våglängder man kan se då ljuset bryts och speglas i en glasprisma eller genom regndroppar och då syns i form av en regnbåge. Soljuset tas upp, absorberas, av klorofyllpigment som är bundna till speciella protein – antennkomplex. Antennkomplexen skickar den absorberade energin till det första av fotosyntesens två reaktioncentra. Ett reaktioncentrum är kärnan i ett av proteiner och pigmentmolekyler sammansatt, välordnat klorofyll-protein komplex. En elektron i en speciell klorofyll molekyl tar upp energin. Denna högenergi-elektron eller exciterade elektron transporteras snabbt genom en kedja av elektrontransportörer till ett andra reaktioncentrum. Här får elektronen ny energi från solen via detta reaktionscentrums antennkomplex. Nu kan elektronen transporteras till NADP+ och NADPH bildas (figur 3).



NADP+ + 2e- + H+ => NADPH (e- : elektron; H+ : vätejon)



Elektronen som ursprungligen flyttades från det första reaktioncentret måste ersättas. Suget efter en elektron är så starkt att vattenmolekyler (H2O) delas till elektroner (e-), vätejoner (H+) och syrgas (O2).



2H2O => 4H+ + 4e- + O2



Den från vattnet frigjorda elektronen blir ersättningen. Den för oss så viktiga syrgasen är bara en biprodukt i fotosyntesen och används ej här. Vätejonerna däremot används. De släpps ut i ett utrymme, lumen, som omsluts av ett membran. Under elektrontransporten flyttas dessutom andra vätejoner in i lumen. Detta leder till att det på ena sidan membranet, i lumen, är en hög koncentration av vätejoner medan det på andra sidan membranet, i stroman, är en låg koncentration. Dessutom bidrar reaktionen då NADPH bildas i stroman till att minska koncentrationen vätejoner där. Gradienten av vätejoner används som energikälla för ett annat proteinkomplex i tillverkningen av ATP.



Det är mycket viktigt för alla organismer att kunna anpassa sig efter ändrade förhållanden i omgivningen, speciellt för växter, som inte har möjlighet att förflytta sig från en olämplig miljö. Speciellt är olika ljusförhållande en viktig aspekt. Reaktioncentra använder solljuset som energikälla och detta ljus varierar i sammansättningen av de olika våglängderna. Eftersom de två olika reaktioncentra inte använder ljus av samma våglängd för att excitera elektroner under elektrontransporten lika bra, kan vissa ljusförhållanden leda till obalans i systemet, det vill säga, rektionscentran arbetar med olika effektivitet. För att fotosyntesen skall fungera ordentligt måste elektrontransporten mellan de två olika typerna av reaktioncentra vara balanserad. Reaktionscentran måste arbeta med samma effektivitet. Om inte, kommer bireaktioner att ske som kan leda till att proteiner, pigment och membran förstörs.



Antennkomplexen kan under obalans omfördelas mellan de två reaktionscentra så att alla reaktioncentra igen arbetar med samma effektivitet. Jag har studerat hur denna balansering sker i växten, hur växten kan känna av obalansen, vilka signaler som styr regleringen och vilka proteiner och mekanismer som verkar. Blir dessa förhållanden långvariga tillverkar växten mer av de komponenter som det behövs mer utav. Också för mycket ljus kan vara skadligt. Då förstör växten en del av sina antennkomplex så att en mindre mängd ljus absorberas. Jag har också sökt efter och studerat proteiner som kan vara inblandade i denna nerbrytning.

• author: Forsberg, Jens
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Anderson, Jan
• organization: Division of Molecular Medicine and Gene Therapy
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: Växtbiokemi, proteolysis, Plant biochemistry, protease, two-component systems, protein kinase, protein phosphorylation, state transitions, light-harvesting antenna, photosynthesis, chloroplast
• pages: 110 pages
• defense location: Hall A, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Lund
• defense date: 2002-04-11 10:15:00
• ISBN: 91-973969-1-5
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I - Race H.L., Forsberg J., Hind G. and Allen J.F. (1998) Photosystem II-associated protein kinase phosphorylates a novel 6.3 kDa protein which subsequently dissociates from photosystem II core complexes. In Garab, G. (ed), Photosynthesis: mechanisms and effects. Vol III, pp 1859-1863, Kluwer Academic Publishers, The Netherlands Article: II - Allen J.F. and Forsberg J. (2001) Molecular recognition in the thylakoid structure and function. Trends in Plant Sci. 6, 317-326 Article: III - Forsberg J., Rosenquist M., Fraysse L. and Allen J.F. (2001) Redox signalling in chloroplasts and mitochondria: genomic and biochemical evidence for two-component regulatory systems in bioenergetic organelles. Biochem Soc Trans. 29, 403-407 Article: IV - Forsberg J. and Allen J.F. (2001) Protein tyrosine phosphorylation in the transition to light state 2 of chloroplast thylakoids. Photosynthesis Res. 6, 317-326 Article: V - Forsberg J., Kieselbach T., Ström J., Alexciev K., Allen J.F. and Åkerlund H-E. (2002) Protease activities in the chloroplast stroma and thylakoid membrane capable of cleaving an LHCII N-terminal peptide. (manuscript)
• id: 2d3ff4af-bc0a-42ab-b578-6c9a3012f9ac (old id 464471)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:26:16
• date last changed: 2018-11-21 21:10:59