научная статья по теме АКТИВНОСТЬ ФОТОСИСТЕМ И ПЕРЕХОДНЫЕ СОСТОЯНИЯ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА МУТАНТОВ SYNECHOCYSTIS PCC 6803 С РАЗЛИЧНЫМ РЕДОКС-СОСТОЯНИЕМ ПЛАСТОХИНОНОВОГО ПУЛА Химия

Текст научной статьи на тему «АКТИВНОСТЬ ФОТОСИСТЕМ И ПЕРЕХОДНЫЕ СОСТОЯНИЯ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА МУТАНТОВ SYNECHOCYSTIS PCC 6803 С РАЗЛИЧНЫМ РЕДОКС-СОСТОЯНИЕМ ПЛАСТОХИНОНОВОГО ПУЛА»

УДК 577.355.132

АКТИВНОСТЬ ФОТОСИСТЕМ И ПЕРЕХОДНЫЕ СОСТОЯНИЯ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА МУТАНТОВ Synechocystis PCC 6803 С РАЗЛИЧНЫМ РЕДОКС-СОСТОЯНИЕМ ПЛАСТОХИНОНОВОГО ПУЛА*

© 2015 Ю.В. Болычевцева1**, Ф.И. Кузьминов24, И.В. Еланская3, М.Ю. Горбунов4, Н.В. Карапетян1

1 Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, 119071 Москва,

Ленинский проспект, 33; электронная почта: bolychev@inbi.ras.ru

2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,

физический факультет, 119991 Москва

3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,

биологический факультет, 119991 Москва

4 Institute of Marine and Coastal Sciences, Rutgers, the State University of New Jersey, New Brunswick, New Jersey 08901, USA

Поступила в редакцию 24.06.14 После доработки 31.07.14

Для выяснения механизма регуляции переходных состояний фотосинтетического аппарата цианобактерий исследовали активность фотосистем адаптированных к темноте клеток дикого типа (WT) цианобактерии Synechocystis PCC 6803 и мутантов, у одного из которых (Ox-) вследствие отсутствия терминальных оксидаз пул пластохинонов был восстановлен, а у другого (SDH) из-за отсутствия сукцинатдегидрогеназы — окислен. Измерение переменной флуоресценции и 77 К спектров флуоресценции клеток Synechocystis после 2 ч инкубации в темноте показало, что фотосинтетический аппарат клеток WT и мутанта SDH- находился в состоянии 1. Переменная флуоресценция мутанта Ox-, индуцированная светом 2 (620 нм) в присутствии ди-урона, была в 1,5 раза ниже, чем у дикого типа и мутанта SDH-, что характерно для состояния 2. Высокая скорость темнового восстановления П700+ в присутствии диурона и низкий уровень П700+ на свету 2 без ди-урона указывали на высокую активность циклического переноса электронов через ФС1 при состоянии 2 в клетках Ox-. Освещение адаптированных к темноте клеток постоянным слабым светом 1 (440 нм) одновременно со вспышками действующего света 2 (620 нм) не влияло на активность ФС11 у WT и мутанта SDH- . У мутанта Ox- в этих условиях наблюдалось возрастание переменной флуоресценции и содержания П700+ до уровня таковых у WT и SDH-, что указывало на ускорение линейного переноса электронов и переход фотосинтетического аппарата Ox- из состояния 2 в состояние 1. Таким образом, ФС11 при окисленном пуле пластохинонов в состоянии 1 обнаруживала высокую активность, но была обратимо инактивирована в состоянии 2 при восстановленном пластохиноновом пуле. Эти изменения активности контролировались ре-докс-состоянием пластохинонов через ускорение или замедление электронного транспорта на акцепторной стороне ФС11.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: цианобактерии, мутанты, фотосистема II, NADP+, переходные состояния, пластохиноны.

Фотосинтетические организмы обладают несколькими механизмами, позволяющими сохранять высокую эффективность биоэнергетических процессов при различных условиях освещения. Эти механизмы включают способность к

диссипации избытка энергии, поглощенной пигмент-белковыми комплексами, и структурные перестройки фотосинтетического аппарата, оптимизирующие поглощение световой энергии при изменении интенсивности и спектраль-

Принятые сокращения: WT — дикий тип; Ox- — мутант, лишенный терминальных оксидаз; SDH-— мутант, лишенный сукцинатдегидрогеназы; PQ — пластохинон; ФС11 (ФС1) — фотосистема II (фотосистема I); П700 (П700+) — первичный донор электрона ФС1 в восстановленном (окисленном) состоянии; cyt Ьц/f — комплекс цитохромов Ьц/f; PBS — фико-билисома; LHCII — хлорофилл-а/Ь-светособирающий комплекс; Fd — ферредоксин; DCMU — дихлорфенил-диметилмо-чевина; NAD(P+), NAD(P)H — никотинамидадениндинуклеотид (фосфат) окисленный, восстановленный; FNR — ферре-доксин:NADP-оксидоредуктаза; QA, (Q—), QB, (Q—) — первичный и вторичный акцепторы электрона хиноновой природы ФСП в окисленном (восстановленном) состоянии.

* Первоначально английский вариант рукописи был опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow), Papers in Press, BM14-182, 28.12.2014.

** Адресат для корреспонденции.

5

65

ного состава света [1, 2]. Механизм перераспределения поглощенной световой энергии между ФС1 и ФС11, позволяющий фотосинтезирую-щим организмам изменять скорости переноса электронов через фотосистемы в различных режимах освещения, известен как «быстрые» (short-term) изменения организации фотосинтетического аппарата (так называемые переходы между состояниями 1 и 2) [3—6]. Изменение состояния фотосинтетического аппарата зависит от редокс-состояния переносчиков электронов между фотосистемами [6—8]. При освещении светом 1 клетки переходят в состояние 1 (результат окисления PQ-пула и cyt b6/f), и светосо-бирающая антенна направляет поглощенную энергию преимущественно на ФС11. Переход в состояние 2 вызван восстановлением переносчиков электронов между фотосистемами, которое происходит при освещении светом 2, поглощаемым ФС11; при этом усиливается перенос энергии от фикобилисом (PBS) к ФС1.

Механизм процессов, регулирующих смену переходных состояний у цианобактерий, отличается от механизма, функционирующего у растений, из-за различий в организации пигментного аппарата. В фотосинтетических мембранах растений и водорослей, содержащих интегральный хлорофилл-а/Ь-светособирающий комплекс (LHCII), изменение переходных состояний происходит вследствие обратимого фосфорилирова-ния комплекса LHCII, индуцирующего миграцию LHCII между гранами (обогащены ФС11) и стромальными мембранами (обогащены ФО). Протеинкиназа, фосфорилирующая LHCII, локализована в тилакоидной мембране, и ее активность может контролироваться редокс-состоя-нием пула PQ и/или цитохромного комплекса b/f [6—9]. Тилакоидные мембраны цианобакте-рий лишены LHCII, и основным светособираю-щим комплексом служат немембранные фико-билипротеиновые комплексы — PBS, направляющие поглощенную световую энергию к ФСП и ФО [10—12]. В отличие от тилакоидных мембран эукариот тилакоидные мембраны цианобак-терий обеднены ФСП [12, 13]. Наряду с фотосинтетическими компонентами (PQ, cyt b6/f, ФО, ФСП) тилакоидные мембраны цианобак-терий содержат компоненты дыхательной цепи переноса электронов: NDH-1 и сукцинатдегид-рогеназу (SDH), которые могут восстанавливать пул PQ [14—16], а также терминальные оксида-зы, способствующие окислению PQ-пула при избытке восстановителя [17]. Несмотря на такие отличия, цианобактерии также способны к переходным изменениям фотосинтетического аппарата, которые зависят от редокс-состояния пула PQ и цитохромного комплекса b/f [8, 18, 19].

Для объяснения природы процессов, лежащих в основе перераспределения поглощенной PBS энергии между фотосистемами, было предложено несколько механизмов: изменение эффективного сечения поглощения ФСП и ФО в результате латеральной диффузии PBS [20, 21]; изменение степени агрегации комплекса ФО (тример— мономеры) и ФСП (димер—мономеры) [22—25]; модель подвижности всех пигмент-белковых комплексов и передачи энергии по механизму «spillover» [26]. Однако механизм влияния ре-докс-состояния переносчиков электронов между фотосистемами на процессы миграции энергии у цианобактерий пока не выяснен.

В темноте пул PQ в клетках цианобактерий может быть восстановлен дыхательными дегид-рогеназами NDH-1, NDH-2 и SDH, при этом фотосинтетический аппарат переходит в состояние 2 [5, 8, 18, 27]. На свету NDH-1, которая окисляет преимущественно NADPH [14, 28, 29], может восстанавливать пул PQ, обеспечивая наряду с Fd-зависимым NDH-1-зависимый путь циклического транспорта электронов через ФО [30, 31]. У мутанта Synechococcus PCC 7002 с нарушением NDH-1-зависимого восстановления пула PQ вследствие мутации по NdhF-субъединице NDH-1, а также у двойного мутанта без NdhF и PsaE-субъединицы ФО, у которого нарушены NDH-1- и Fd-зависимые пути циклического транспорта электронов, фотосинтетический аппарат находился преимущественно в состоянии 1 после 2 мин инкубации в темноте в присутствии DCMU. Однако в анаэробных условиях или в присутствии цианида калия (KCN) фотосинтетический аппарат этих мутантов переходил в состояние 2 [27]. Показано, что у зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii переход фотосинтетического аппарата из состояния 1 в состояние 2 сопровождается переключением линейного пути переноса электронов на циклический [32]. В состоянии 2 (активен циклический путь) обратимое фотоингибирование ФСП более выражено, чем в состоянии 1, когда преобладает линейный перенос электронов [33]. Ускорение циклического переноса электронов у мутантов Synechocystis с заблокированными NDH-1- или Fd-зависимым путями наблюдали при высокой интенсивности освещения, достаточной для фотоинактивации ФСП [31]. Таким образом, состояние фотосинтетического аппарата у цианобактерий может регулироваться балансом между циклическим и линейным путями переноса электронов.

Показано, что в темноте основным путем переноса электронов из стромы цианобактериаль-ной клетки в пул PQ является восстановление пластохинонов сукцинатдегидрогеназой [29], тогда как NDH-дегидрогеназы типов I и II регу-

лируют в клетках уровень окисленных пиридин-нуклеотидов (NADP+ и NAD+ соответственно), от которого в свою очередь зависит поток электронов через SDH к пулу PQ. Поэтому у мутанта, лишенного SDH, пул PQ в темноте более окислен, чем у дикого типа [29]. В то же время выдерживание клеток цианобактерий в темноте в течение нескольких часов также может приводить к окислению пула PQ из-за снижения уровня восстановителя в клетках в результате темно-вого дыхания [14, 34]. В связи с этим можно предполагать, что фотосинтетический аппарат клеток дикого типа Synechocystis и мутанта SDH— после инкубации в темноте должен был бы находиться в состоянии 1. В отличие от дикого типа и SDH— у мутанта, лишенного терминальных оксидаз, после темновой адаптации пул PQ восстановлен [35], и фотосинтетический аппарат должен находиться в состоянии 2.

Цель данной работы состояла в выяснении возможной роли ФСП в переходах фотосинтетического аппарата цианобактерий из одного состояния в другое. Для этого исследовали влияние редокс-состояния хиноновых компонентов акцепторной части ФСП на активность реакционных центров этой фотосистемы в кле

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»