УДК 577.355.132
НЕФОТОХИМИЧЕСКОЕ ТУШЕНИЕ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ У ЦИАНОБАКТЕРИЙ*
Обзор © 2007 г. Н.В. Карапетян
Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, 119071 Москва, Ленинский пр., 33; факс: (495)954-2732, электронная почта: nkarap@inbi.ras.ru
Поступила в редакцию 07.05.07
Рассмотрены пути диссипации избыточно поглощенной энергии у цианобактерий в сравнении с диссипацией энергии у растений. Описаны два механизма нефотохимического тушения у цианобактерий. В одном случае оно происходит как фотоиндуцированное уменьшение выхода флуоресценции длинноволновых хло-рофиллов тримеров фотосистемы 1 катион-радикалом П700 и П700 в триплетном состоянии, когда реакционные центры неактивны. В другом случае в нефотохимическом тушении у цианобактерий принимает участие водорастворимый белок ОСР, содержащий З'-гидроксиэхиненон, который индуцирует тушение флуоресценции аллофикоцианина фикобилисом. На основании сравнения белков ОСР цианобактерий и PsbS высших растений обсуждены возможные пути эволюции каротиноидсвязывающих белков в нефотохимическом тушении.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: аллофикоцианин, З'-гидроксиэхиненон, каротинсодержащий белок ОСР, нефотохимическое тушение, светособирающий комплекс LHCII, фикобилисомы, цианобактерии.
СТРАТЕГИЯ ЗАЩИТЫ ОКСИГЕННОГО ФОТОСИНТЕЗА ОТ ИНТЕНСИВНОГО СВЕТА
Фотосинтез происходит с оптимальной эффективностью при низкой интенсивности света, когда энергия поглощенных хлорофиллами квантов света практически полностью используется при фотосинтезе. Энергия от синглетно-возбужденных молекул антенных хлорофиллов мигрирует к хлорофиллам реакционных центров фотосистем 1 и 2 (ФС1, ФС2), приводя к разделению зарядов (фотохимическое тушение, дР). Избыточно поглощенная антенной энергия
Принятые сокращения: APC — аллофикоцианин, ELIP — индуцируемый светом белок, синтезируемый в условиях стресса у растений (early light inducible protein), HLIP — индуцируемый интенсивным светом белок, синтезируемый в условиях стресса у цианобактерий (high light inducible protein), IsiA — белок, синтезируемый у цианобактерий при выращивании в отсутствие железа (iron stress-induced protein A), LHCII — светособирающий комплекс фотосистемы II (light harvesting complex of photosystem II), OCP (orange carotenoid-binding protein) — оранжевый каро-тиноидсвязывающий белок, П700 — первичный донор электрона реакционного центра ФС1, П700+ — катион-радикал П700, 3П700 — П700 в триплетном состоянии, ФС1 (ФС2) — фотосистема 1 (2).
* Английский вариант статьи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow).
может испускаться синглетно-возбужденными молекулами хлорофилла в виде флуоресценции (дБ). В случае, когда реакционные центры находятся в закрытом состоянии или неактивны, энергия может превращаться в тепло (дЕ, или нефотохимическое тушение) или расходоваться на переход хлорофиллов антенны в триплетное состояние [1, 2]. Взаимодействие же триплетных хлорофиллов с кислородом приводит к образованию синглетного кислорода, который вызывает деструкцию фотосинтетического аппарата [3].
Центральная (или кор) антенна всех фотосин-тезирующих организмов организована по единому принципу и состоит из хлорофиллов и каро-тиноидов. Мембраносвязанные каротиноиды в виде хлорофилл—каротиноид-белковых комплексов участвуют как в светосборе, так и в защите комплекса от действия активных форм кислорода и хлорофиллов в триплетном состоянии [4, 5]; мембраносвязанные каротиноиды выполняют также структурную роль [6, 7].
Так как при высокой интенсивности освещения не весь поглощенный свет может быть использован для фотосинтетической фиксации СО2, избыточная энергия приводит к деструкции фотосинтетического аппарата под действием активных форм кислорода [3, 8]. В ходе эволюции фотосинтезирующие организмы выработали способность к тушению избыточно погло-
щенной энергии света с использованием различных механизмов, стабилизируя тем самым фотосинтетический аппарат. В условиях дисбаланса между процессами поглощения энергии возбуждения и переносом электрона при интенсивном освещении в фотосинтетическом аппарате происходят структурные перестройки, оптимизирующие фотосинтез. Если же этих перестроек недостаточно для более эффективного использования энергии квантов света, включаются процессы диссипации избыточно поглощенной энергии. Таким образом, лишь при балансе активности и стабильности фотосинтез происходит с оптимальной эффективностью, что исключительно важно для конечной фотосинтетической продуктивности.
Можно перечислить следующие основные пути защиты фотосинтетического аппарата от интенсивного света:
оптимизация фотосинтетической цепи переноса электрона вследствие быстрой перестройки фотосинтетического аппарата (так называемой «state transitions»), ведущей к перераспределению энергии между фотосистемами [9—11], или вследствие изменения соотношения ФС1 и ФС2 при длительной адаптации фотосинтезиру-ющих организмов к изменению качества света [12, 13];
нефотохимическое тушение энергии возбуждения с участием LHCII [14—17];
диссипация энергии, поглощенной антенной ФС1, при образовании триплетов хлоро-филлов антенны [18];
диссипация энергии катион-радикалами реакционных центров ФС1 и ФС2 цианобактерий [19, 20] и растений [21, 22];
биосинтез индуцируемых светом белков ELIP у растений [23, 24] или HLIP у цианобактерий [25, 26], которые образуются в условиях стресса и могут служить для связывания дополнительно синтезированных при интенсивном освещении молекул хлорофилла;
биосинтез de novo комплексов, подвергшихся деструкции, таких как D1-белок реакционного центра ФС2 [27]; биосинтез распавшихся белков PsaA/PsaB в ФС1 происходит гораздо медленнее [28].
Таким образом, диссипация избыточно поглощенной энергии происходит с участием пигментов светособирающих комплексов и кор-антенны, которые взаимодействуют с первичным донором электрона реакционных центров фотосистем в закрытом (неактивном) состоянии. В настоящем обзоре будет рассмотрен главным образом механизм недавно обнаруженного нефотохимического тушения у цианобактерий, при котором сине-зеленый свет, поглощенный
каротиноидами, индуцирует тушение флуоресценции фикобилисом [29—31], в сравнении с хорошо изученным нефотохимическим тушением у высших растений с участием ЬИСП [1, 2, 14-17].
ДИССИПАЦИЯ ЭНЕРГИИ ВОЗБУЖДЕНИЯ У ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ
Светособирающий комплекс LHCII, наиболее широко распространенный на Земле мембранный белок [32], служит не только для поглощения и передачи энергии возбуждения комплексу ФС2, но и для диссипации неиспользованной при фотосинтезе энергии у высших растений, которая происходит преимущественно с участием того же комплекса. Комплексы LHCII организованы in vivo в виде тримеров [33—35], способных к образованию агрегата; в тилакои-дах высших растений тримеры LHCII упакованы в гептамер [36]. Агрегация LHCII in vitro сопровождается изменениями его структуры, а также сильным падением выхода флуоресценции и сдвигом в красную область полос поглощения и флуоресценции [37]. Гораздо меньшее время жизни флуоресценции агрегата тримеров по сравнению с изолированным тримером указывает на более эффективный процесс тушения у агрегатов. Показано, что время жизни флуоресценции тримера LHCII составляет 4,3 нс, тогда как у агрегата тримеров оно гораздо меньше — только 110 пс [38]. Диссипация энергии в агрегатах тримеров комплекса LHCII может происходить с участием периферически локализованных хлорофиллов и каротиноидов. Виолаксан-тин может вызывать дезагрегацию, а зеаксантин — агрегацию комплексов LHCII [37].
Выявлена локализация молекул каротинои-дов и хлорофиллов а и b в комплексе LHCII растений. Согласно первой атомной модели, мономерный комплекс содержит 12 молекул хлорофилла и две — лютеина [34]. Более точные модели комплекса LHCII, предложенные на основании анализа его структуры с разрешением в 2,72 А [35] и 2,5 А [39], позволили установить, что каждый мономер LHCII содержит восемь молекул хлорофилла а, шесть молекул хлорофилла b, четыре молекулы каротиноида (две — лютеина, одну — 9'-цис-неоксантин, а также виолаксантин, который локализован на поверхности раздела мономеров в тримере и потому слабо связан с комплексом), и две молекулы липида.
Функции комплекса LHCII многообразны. Эти комплексы поглощают кванты света и переносят энергию возбуждения к реакционному центру ФС2, участвуют в перераспределении
энергии между ФС2 и ФС1 при переходных явлениях, а также включаются в «стыковку» тила-коидных мембран в гранах хлоропластов. Наконец, БИС11 участвует в процессах диссипации избыточной энергии, предохраняя тем самым фотосинтетический аппарат от фотодеструкции. Для выполнения последней функции — нефотохимического тушения — комплекс ЬИСН должен обладать структурной и функциональной подвижностью, позволяющей регулировать энергетическое состояние фотосинтетического аппарата в ответ на внешний сигнал (интенсивное освещение). Нефотохимическое тушение сопровождается уменьшением выхода флуоресценции ФС2 и обратимо в темноте. Освещение высших растений интенсивным светом приводит к уменьшению значения рН тилакоидного люмена, что запускает процесс деэпоксидации виолаксантина с превращением его в зеаксан-тин. Зеаксантин характеризуется большим числом конъюгированных п-связей и более низким первым синглетным состоянием (Б1) и потому может быть более эффективным акцептором энергии [40, 41]. Следует отметить, что низкое значение рИ тилакоидного люмена приводит к протонированию одного или более белков ФС2, которые включаются в дБ [42, 43].
Нефотохимическое тушение — сложный процесс, происходящий с участием различных белковых факторов. Одним из важнейших полипептидов, участвующих в термической диссипации, является белок РзЪБ, связанный с БИС11 [2, 16, 43—45]. Оказалось, что для нефотохими-чечского тушения, помимо низкого значения рИ люмена и зеаксантина, необходим белок Р8ЪБ [44], который чувствителен к низким значениям рН (рис. 1). Белок Р8ЪБ, не содержащий хлорофиллов и ксантофиллов, в протонирован-ном состоянии способен связывать экзогенный зеаксантин [43, 46]. Именно белок Р8ЪБ, связывающий зеаксантин, является местом, где происходит не
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.