МИКРОБИОЛОГИЯ, 2015, том 84, № 2, с. 131-143
= ОБЗОРЫ =
УДК 577.1122+577.122
ФИКОБИЛИСОМЫ И ФИКОБИЛИПРОТЕИНЫ ЦИАНОБАКТЕРИЙ © 2015 г. И. Н. Стадничук*, 1, П. М. Красильников**, Д. В. Зленко**
*Институт биохимии им. А.Н. Баха Российской академии наук, Москва **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет
Поступила в редакцию 11.08.2014 г.
У цианобактерий фикобилисомы (ФБС) выполняют функцию антенны в пигментном аппарате фотосинтеза. Они сформированы ярко окрашенными белками-фикобилипротеинами (ФБП), являясь гигантскими надмолекулярными комплексами, достигающими массы 3000—7000 кДа и аккумулирующими в себе от 200 до 500 ковалентно связанных с белком фикобилиновых хромофоров. Известно более десяти различных ФБП, разделяемых на три группы: фикоэритрины, фикоцианины и ал-лофикоцианин. С помощью бесцветных линкерных белков имеющие форму полых дисков тримеры и гексамеры ФБП состыковываются в цилиндры, затем собираемые в ФБС. Типичные полудиско-видные ФБС состоят из центральной части — ядра, образованного тремя цилиндрами аллофикоци-анина, и шести боковых цилиндров, составленных другими ФБП и состыкованных в виде веера с ядром. Число, размеры и пигментный состав ФБС зависят от световых и иных условий обитания цианобактерий. ФБС обладают рядом преимуществ в светопоглощении перед другими антеннами, но являются более энергозатратными пигмент-белковыми комплексами по сравнению с хлорофилл а/Ь- и хлорофилл а/с-протеинами оксигенных фотосинтетиков.
Ключевые слова: аллофикоцианин, фикобилины, фикобилипротеины, фикобилисомы, цианобактерии.
DOI: 10.7868/S0026365615020159
Название цианобактериям (сине-зеленым водорослям) дано по окраске, обусловленной пигментированными белками фотосинтетического аппарата фикобилипротеинами (ФБП). Содержание ФБП в клетках достигает 60% массы всех водорастворимых белков или 20% общего сухого веса. Кроме цианобактерий, ФБП найдены у багрянок и глаукофитовых водорослей, где они собраны в ФБС, и у криптофитовых водорослей, где эти пигменты не образуют ФБС и отличаются рядом других особенностей. ФБП стали известны с первой половины 19-го века, когда был получен первый из них, фикоцианин [1], и с тех пор служат объектами изучения.
ФИКОБИЛИНЫ
Хромофоры ФБП аналогичны по химическому строению пигментам желчи, билинам, и потому названы фикобилинами. ФБП также нередко именуют билинами, фикобилинами или били-протеинами, хотя во избежание разночтений желательно использование точных названий.
1 Автор для корреспонденции (e-mail: stadnichuk@mail.ru).
Распространение билиновых пигментов
Пигменты с химическим строением билинов найдены у бактерий, высших растений и животных. Билины позвоночных, билирубин и би-ливердин 1Ха, концентрируются в желчи как продукты расщепления гема из гемоглобина крови. В клубеньках бобовых растений присутствует леггемоглобин и продукт его катаболизма — лег-холеглобин, хромофором которого также является биливердин 1Ха. У фотосинтезирующих организмов, начиная фотобактериями и заканчивая высшими растениями, светозависимые процессы регулируются фитохромом и другими фоторецеп-торными белками. Простетическими группами этих фоторецепторов служат фитохромобилин и его аналоги, называемые бактобилинами и фико-хромобилинами. Для других природных билинов характерны функции, связанные с цветностью этих соединений. Как пигмент защитной окраски биливердин 1Ха находится в яичной скорлупе птиц, в покровах пиявок, в раковинах моллюсков, в крыльях ряда бабочек и в покровах их личинок. Кроме того, пигмент найден в плавниках и мышцах рыб, в скелете голубых кораллов, в тканях пауков, многоножек и других членистоногих. Биливердин 1Ха присутствует в клетках дрожжей и иных грибов. Его гомолог, биливердин 1Ху, обнаружен у чешуекрылых, и еще один билин, тур-
(а)
СУ; НООС
Н
Н3С111
О
О
(б)
Н
Н3С1111
О
Су\ НООС Нз^ 8
СООН
СО /
КН
(в)
СООН
НзС
О
СО /КН Н3С'//,.
СООН Н3С /•"*/ Б
Н О
Рис. 1. Химическое строение нативных фикобили-нов, соединенных через пиррольное кольцо А тио-эфирной связью с цистеиновыми остатками апопро-теина: а — фикоцианобилин; б — фикоэритробилин; в — фикоуробилин с дополнительной тиоэфирной связью в кольце D.
бовердин, — в раковинах улиток. Сообщения о новых фитохромобилинах продолжают поступать [2].
Химическое строение фикобилинов
Фикобилины относятся к нециклическим, или незамкнутым, или линейным, тетрапирролам, в основе химического строения которых лежат четыре пиррольных кольца, соединенных а-, в- и у-моноуглеродными мостиками. Пиррольные кольца молекул обозначаются заглавными латинскими буквами: одно из крайних колец как кольцо А и три последующих — в алфавитном порядке. Два крайних пиррольных кольца, т.е. кольца А и
Э, несут по одному атому кислорода. Средние пиррольные кольца В и С связаны с остатками пропионовой кислоты. Иногда в обозначения химических формул вводят римские цифры (например, биливердин 1Ха), наследуемые линейными тетрапирролами от их циклических аналогов, имеющих нумеруемые изомеры, но у фикобили-нов предпочтение отдается тривиальным названиям. Молекулярная масса этих соединений близка к 600. В состав молекул фикобилинов, в отличие от гемов и хлорофиллов, не входят атомы металлов
[3]. Для цианобактерий известны четыре различных фикобилина: фикоцианобилин, фикоэ-ритробилин, фикоуробилин и фиковиолобилин
[4]. В ФБП эти хромофоры соединены тиоэфир-ными связями с остатками цистеина (рис. 1). Ко-валентная связь с цистеином реализуется в кольце А. Фикоэритробилин и фикоуробилин кроме одинарной могут иметь вторую ковалентную связь с белком в кольце Э [4, 5].
Биосинтез фикобилинов
Путь биосинтеза фикобилинов до стадии образования протопорфирина IX совпадает с синтезом хлорофиллов и до стадии образования протогема — с синтезом гемов [6]. Единым предшественником всех порфириновых производных является 5-аминолевулиновая кислота, пятиугле-родный скелет которой которой происходит либо от глицина и сукцинил-КоА (путь Шемина), либо от глутамата (С5-путь). Радиоизотопные исследования показали, что цианобактерии используют С5-путь биосинтеза [6]. Дальнейший путь включает в себя последовательное образование порфо-билиногена, уропорфириногена III, копропор-фириногена III и протопорфирина IX, молекула которого обладая плоской геометрической формой, способна в центральной части своего кольцевого остова соединяться с ионами различных металлов. Включение в молекулу атома магния приводит к образованию М§-протопорфирина, в цепи дальнейших превращений которого образуются все хлорофилллы и бактериохлорофиллы (за исключением Zn-бактериохлорофилла) (рис. 2).
Соединение протопорфирина IX с двухвалентным железом приводит к формированию прото-гема (рис. 2) и затем всех остальных гемов. Били-ны образуются из протогема разрывом одного из углеродных мостиков молекулы с удалением из нее атома железа. Реакция, управляемая гемок-сигеназой, замечательна двухэтапным использованием в ней трех молекул О2 [6], что позволяет судить об эволюционной последовательности возникновения хлорофилльной и фикобилино-вой ветвей синтеза пигментов. Поскольку в последней ветви требуется кислород, который, стал накапливаться в атмосфере лишь с появлением оксифототрофов, обладающих хлорофиллом, то
фикобилины, вероятнее всего, появились позже, чем хлорофилл [7].
На заключительных этапах биосинтеза восстановление пиррольных колец А или D в биливер-дине 1Ха под действием ферредоксинзависимых билиновых редуктаз приводит к образованию того или иного из четырех различных фикобилинов [8]. Последующая сшивка тиоэфирной связью фико-билиновых хромофоров и цистеиновых остатков апопротеинов происходит с помощью трех групп лиаз. Одни из лиаз специфичны по отношению к тому или иному из четырех фикобилинов, другие проявляют специфичность к местонахождению цистеиновых остатков в первичной структуре апопротеинов, третьи — высокоспецифичны и осуществляют связь только конкретного фикоби-лина с конкретными цистеинами в молекулах отдельных фикобилипротеинов [5].
Биосинтез фикобилинов — важнейший метаболический путь в клетках цианобактерий, поскольку содержание хлорофилла у фотосинтетиков в сотни и тысячи раз превосходит суммарное содержание гемов, а количество фикобилинов в несколько раз превышает уровень хлорофилла. Наряду с синтезом хлорофиллов, гемов и билинов еще одной ветвью биосинтеза замкнутых и линейных тетрапирролов, известной для прокариот, является метаболический путь, ведущий свое начало от уропорфириногена III (рис. 2) к сирогид-рохлорину и его производным [3].
ФИКОБИЛИПРОТЕИНЫ
ФБП стали первыми белками цианобактерий, полученными в чистом виде. Яркий цвет, высокое содержание в клетке, водорастворимость, относительная простота выделения сделали их излюбленными объектами белковой химии. Достаточно отметить [9], что ФБП использовались Сведбер-гом в первых работах 1920-х годов как наиболее удобные модельные соединения для определения молекулярной массы белков методом ультрацентрифугирования.
Разнообразие фикобилипротеинов
У цианобактерий и багрянок найдено более десяти разных ФБП. Сначала эти белки-пигменты идентифицировали по окраске: синий фико-билипротеин цианобактерий получил название фикоцианина, а имеющий красный цвет фикоби-липротеин красных водорослей был назван фико-эритрином. Позже выяснилось, что у багрянок также присутствует синий фикобилипротеин, а у ряда видов цианобактерий есть фикоэритрин, и оба пигмента не идентичны двум ранее обнаруженным. Поэтому в названиях одинаково окрашенных фикобилипротеинов цианобактерий и багрянок были использованы префиксы "С" и
133
5-Аминолевулинат
Уропорфириноген III
Копропорфириноген III
Протопорфирин IX +Fe
Протогем IX
Фикобилины
Рис. 2. Краткая схема биогенеза трех основных ветвей природых тетрапирролов: хлорофиллов, гемов и фи-кобилинов.
(С-фикоцианин, С-фикоэритрин, R-фико-цианин и R-фикоэритрин) от латинских обозначений СуапорИуа — сине-зеленые водоросли, и КИоёорИу;а — красные водоросли. Традиция буквенных латинских обозначений для ФБП по возможности сохраняется (табл. 1). По совокупности
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.