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叶绿素诱导的类脂双层到非类脂双层相转变及植物类囊体膜中的动力学不均匀性。

Chlorophyll-Induced Lamellar to Nonlamellar Phase Transitions and Dynamical Heterogeneity in Plant Thylakoid Membranes.

机构信息

Department of Chemistry, IIT Jodhpur, Jodhpur, Rajasthan 342037, India.

出版信息

J Phys Chem B. 2024 Oct 17;128(41):10154-10164. doi: 10.1021/acs.jpcb.4c04164. Epub 2024 Oct 7.

DOI:10.1021/acs.jpcb.4c04164
PMID:39370833
Abstract

Chlorophyll a (CLA) pigments and thylakoid membranes are crucial components of plants for photosynthesis. To understand the effect of CLA on the structure and dynamics of thylakoid membranes, coarse-grained molecular dynamics (CG MD) simulations of thylakoid membranes are performed by varying the numbers of CLA at 293 K using MARTINI-2 force fields. The membrane undergoes a lamellar to nonlamellar phase transition above a critical concentration of CLA. The CLAs dynamically form aggregates of different orders and preferentially fetch the least unsaturated nonbilayer-forming lipids around them, resulting in a nonlamellar phase with fused regions. These fused regions cause a structural arrest of CLA and lipids, inducing dynamic heterogeneity manifested by non-Gaussian parameters and van Hove correlation functions. The lamellar to nonlamellar phase transition of the membrane is associated with a drastic reduction in correlation length of the immobile CLA and lipids governed by the fused topology. Such insights into CLA-induced structural transitions in thylakoid membranes are pertinent for understanding nonphotochemical quenching mechanisms and hold promise for designing future artificial photosynthetic materials and applications in photodynamic therapy.

摘要

叶绿素 a (CLA) 色素和类囊体膜是植物光合作用的关键组成部分。为了了解 CLA 对类囊体膜结构和动力学的影响,我们使用 MARTINI-2 力场在 293 K 下通过改变 CLA 的数量对类囊体膜进行了粗粒分子动力学 (CG MD) 模拟。在临界 CLA 浓度以上,膜经历了从层状到非层状的相变。CLA 动态地形成不同阶数的聚集体,并优先提取它们周围最不饱和的非双层形成脂质,导致融合区域的非层状相。这些融合区域导致 CLA 和脂质的结构停滞,诱导由非高斯参数和范霍夫相关函数表现出的动态异质性。膜的层状到非层状相变与由融合拓扑控制的不可移动 CLA 和脂质的相关长度的急剧减少有关。这些对 CLA 诱导的类囊体膜结构转变的深入了解对于理解非光化学猝灭机制具有重要意义,并为设计未来的人工光合作用材料和光动力疗法应用提供了希望。

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