БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ, 2007, том 24, № 6, с. 457-464
УДК 577.3
ДИНАМИКА ВОЗБУЖДЕНИЙ В ПРОЧНО СВЯЗАННЫХ АССОЦИАТАХ КОМПЛЕКСОВ В800-850 И В800-830 ИЗ ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩЕЙ ПУРПУРНОЙ БАКТЕРИИ Thiorhodospira sibirica
© 2007 г. А. П. Разживин, И. А. Степаненко, В. С. Козловский, В. О. Компанец*, С. В. Чекалин*, 3. К. Махнева**, А. А. Москаленко**, А. В. Тихонов***, В. О. Попов***, Т. В. Тихонова***
Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. АН. Белозерского Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Ленинские горы; факс (095)939-31-81; электронная почта: razjivin@belozersky.msu.ru;
* Институт спектроскопии РАН, г. Троицк, Московской обл, 142190; факс (095)334-08-86; электронная почта: chekalin@isan.troisk.ru;
** Институт фундаментальных проблем биологии РАН, 142290 Пущино Московской обл.: электронная почта: andrey-mos@issp.serpukhov.su;
*** Институт биохимии им. А Н. Баха РАН, 119071 Москва, Ленинский проспект, д. 33, строение 2;
электронная почта: ttikhonova@inbi.ras.ru Поступила в редакцию 27.06.2007 г.
Исследовали прочно связанные ассоциаты светособирающих комплексов LH2 (В800-850) и LH3 (В800-830), выделенные из клеток фотосинтезирующей пурпурной бактерии Thiorhodospira sibirica. Показали, что ассоциаты содержат порядка 8-10 комплексов (ЬН2 : LH3 ~ 1 : 1). Рассчитали спектры оптического поглощения чистых комплексов LH2 и LH3 этой бактерии. При возбуждении ас-социатов в полосу поглощения В800 регистрируются: а) перенос энергии возбуждения внутри комплексов (от В800 к В830 или В850) с характерным временем порядка 500 фс; б) перенос энергии между комплексами (от полосы В830 комплекса LH3 (В800-830) к полосе В850 комплекса LH2 (В800-850)) с характерным временем порядка 2.5 пс; в) дезактивация возбуждений в полосе В850 комплекса LH2 с характерным временем порядка 800 пс. При этом степень поляризации фотоинду-цированных изменений оптического поглощения на длинноволновом краю спектра поглощения ас-социатов около 900 нм была отрицательной (-0.1). Проводится аналогия между взаимодействием комплексов LH2 и LH3 в ассоциате и взаимодействием комплексов LH2 и LH1 в фотосинтетической единице в процессе переноса энергии возбуждения. Характерное время переноса энергии между комплексами LH2 и LH3 в ассоциатах может быть минимальным характерным временем переноса энергии между периферическими и прицентровым антенными комплексами.
Первичные (физические) процессы протекают в двух основных структурных компонентах фотосинтетического аппарата пурпурных бактерий - в фотоактивном реакционном центре (РЦ) и свето-собирающей антенне. В РЦ происходит преобразование из физической формы энергии синглетно-го возбужденного состояния, возникшего в результате поглощения кванта света молекулами пигментов, в химическую форму энергии разделенных зарядов разного знака. Антенна служит для увеличения светосбора РЦ и согласования скорости поступления возбуждений на РЦ со скоростью работы циклической электрон-транспортной цепи.
Сокращения: комплекс LH2 (В800-850) - периферический светособирающий комплекс с полосами поглощения при 800 и 850 нм, комплекс LH3 (B800-820 или В800-830) - периферический светособираюший комплекс c полосами поглощения при 800 и 820 или 830 нм; РЦ - реакционный центр; БХл - бактериохлорофилл.
Структурной основой антенны и РЦ служат сложные пигмент-белковые комплексы, которые располагаются во внутренней мембране в виде двумерной системы. В антенне всегда присутствует прицентровый светособирающий комплекс LH1 (B875) с полосой поглощения в области 875-900 нм. Периферический светособирающий комплекс LH2 (B800-850) с полосами поглощения около 800 и 850 нм обнаруживается у большинства, но не у всех пурпурных бактерий. В настоящее время имеются рентгеноструктурные данные для всех упомянутых комплексов (LH2 [1, 2], LH1 + РЦ [3]) и электронно-микроскопические данные их расположения в мембране [4]. На один РЦ всегда приходится один комплекс LH1, что определяется структурой ансамбля LH1 + RC [3]. Число комплексов LH2 в пересчете на один РЦ обычно бывает равным четырем-шести.
При выращивании бактерий в условиях пониженной температуры или низкой освещенности спектральные свойства их периферического комплекса меняются - полоса поглощения B850 сдвигается примерно на 30 нм в коротковолновую сторону. Этот тип периферического комплекса обозначается как LH3 (B800-820 или B800-830). Рентгеновские данные показывают, что структуры комплексов LH2 и LH3 практически не отличаются [5, 6].
Перенос энергии возбуждения внутри комплексов LH2 и LH3 исследовали в ряде работ (см. обзор [7]). При комнатной температуре характерное время переноса энергии от полосы В800 к В850 в комплексе LH2 из Rhodobacter sphaeroides составляет 0.65-0.7 пс [8, 9], из Rhodospirillum molischianum [10] -~1.0 пс (0.9-1.2 пс), Rhodopseudomonas acidophila -0.9 пс [11] и 0.8 пс [9]. Для переноса от В800 к В820 в комплексе LH3 (В800-820) из Chromatium vinosum получено характерное время 0.9 пс [9], а в В800-820 из Rps. acidophila (штамм 7750) - 0.75 пс [12].
По современным представлениям, основанным на рентгеноструктурных данных [1-3], наименьшее расстояние между молекулами БХл соседних комплексов LH1 и LH2 составляет 22-24 Á [13, 14]. При этом кольца B850 и B875 расположены в одной плоскости. Однако взаимное расположение и количественное соотношение комплексов в антенне in vivo может существенно зависеть от типа бактерии и условий ее выращивания [4, 15-17].
Экспериментальные кинетические кривые переноса энергии от комплексов LH2 к LH1 в хрома-тофорах из клеток Rb. sphaeroides разных штаммов разлагаются на несколько экспонент. Основной временной компонент равен 3-5 пс и приписывается прямому переносу энергии LH2 —«- LH1 [18, 19]. Более длинные времена (25-30 пс) [18], по-видимому, связаны с наличием соседствующих друг с другом комплексов LH2, но не примыкающих непосредственно к LH1, и соответственно с процессами переноса LH2 —► LH2 перед окончательным этапом LH2 —► LH1. Однако прямых подтверждений этому пока нет.
Несколько лет назад была описана новая пурпурная бактерия Thiorhodospira sibirica [20]. Опубликованы работы [21, 22], согласно которым периферический комплекс этой бактерии имел три полосы поглощения - при 794, 825 и 855 нм (B800-830-850). В клетках пурпурных бактерий содержится, как правило, один тип периферийного светособира-ющего комплекса LH2, обозначаемого по основным максимумам поглощения как В800-850. У ряда бактерий при изменении условий выращивания (например, при снижении интенсивности света до 0.10.2 Вт/м2) вместо указанного комплекса собирается комплекс В800-830, у которого длинноволновая полоса смещена в синюю область. Соответственно, в спектрах оптического поглощения клеток
или хроматофоров обычно видны три полосы с максимумами около 800, 850 (830) и 880 (полоса поглощения комплекса LH1) нм. Клетки Trs. sibiri-са и выделенные из них хроматофоры имели необычные спектры поглощения, в которых регистрировались четыре полосы поглощения в ближней ИК-области около 800, 830, 850 и 900 нм [20, 22]. Очевидно, что в них могли содержаться одновременно периферийные светособирающие комплексы двух типов (В800-850 и В800-830) или один нестандартный комплекс В800-830-850. (Установлено, что полоса поглощения около 900 нм принадлежала ансамблю LШ-PЦ [22]).
Исходя из предположения о гомогенности этого комплекса, нами была предложена модель его строения [23] и проведены исследования переноса энергии возбуждения с фемтосекундным временным разрешением [24-26]. Позднее мы установили, что препарат "В800-830-850" из Trs. sibirica не является гомогенным - он содержит ассоциаты обычных для пурпурных бактерий светособираю-щих комплексов LH2 и LH3. Краткое сообщение об этом сделано на IV съезде фотобиологов России [27].
Между процессами переноса энергии возбуждения LH3 —► LH2 в ассоциатах из Trs. sibirica и LH2 —► LH1 в светособирающих антеннах других пурпурных бактерий может быть проведена аналогия. Действительно, расстояние между кольцами молекул БХл В830 и В850 комплексов LH3 и LH2 приблизительно такое же, как между кольцами БХл В850 и В875 комплексов LH2 и LШ. Спектральный сдвиг также примерно одинаков. Поэтому ассоциаты комплексов LH3 и LH2 из Тт. sibirica могут с достаточными основаниями рассматриваться как молекулярная модельная система взаимодействия периферического и прицентрового светособирающих комплексов фотосинтетического аппарата пурпурных бактерий. Учитывая вышесказанное, интересно исследовать процесс переноса возбуждений от полосы В830 комплекса LH3 к полосе В850 комплекса LH2 в сильно связанном ассоциате этих комплексов из клеток Тт. sibirica, поскольку это может внести вклад в понимание кинетики переноса энергии возбуждения от периферического све-тособирающего комплекса к прицентровому.
В данной работе исследовали свойства ассоциа-тов сильно связанных комплексов LH2 и LH3 из клеток Trs. sibirica и перенос энергии возбуждения в этих ассоциатах.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Клетки бактерий Trs. sibirica, штамм А12т, выращивали, как описано в работе [20]. Хроматофоры выделяли после разрушения клеток ультразвуком с помощью дифференциального центрифугирования [28]. Комплексы выделяли методом
электрофореза в полиакриламидном геле по разработанной методике [29]. Для солюбилизации мембран использованы детергенты тритон Х-100 и н-додецил-Р-О-мальтозид. Для лучшего разделения комплексов во втором случае в верхний буфер добавляли Дерифат 160 или додецилсульфат натрия в концентрации 0.05%. Спектры поглощения комплексов регистрировали на спектрофотометре UV-1601 ("Shimadzu", Япония). Комплексы B800-830 и B800-850 разделяли по модифицированной методике, описанной в [16], на колонке Mono QTM 10/100 GL ("Amersham Biosciences", США) или на колонке Fractogel TSK DEAE 650M ("Merck", Германия). Хорошее разделение комплексов получено только после их предварительного выделения методом электрофореза. Непосредственно из мембран выделить комплексы не удалось.
Описание разложения спектров оптического поглощения на составляющие по м
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.