МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2004, том 38, № 3, с. 524-531
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ^^^^^^^^ БИОПОЛИМЕРОВ И ИХ КОМПЛЕКСОВ
УДК 577.23
СТРАТЕГИЯ ВЫЖИВАНИЯ ФОТОСИИТЕЗИРУЮЩИХ ОРГАНИЗМОВ. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ВАРИАБЕЛЬНОСТИ РАЗМЕРА ЕДИНИЧНОГО СТРОИТЕЛЬНОГО БЛОКА ОЛИГОМЕРНОЙ АНТЕННЫ
© 2004 г. А. Г. Яковлев, A. С. Таисова, 3. Г. Фетисова*
Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. АН. Белозерского Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, 119992 Поступила в редакцию 05.07.2003 г.
Представленный цикл работ является составной частью общей программы исследований стратегии эффективного функционирования природных светособирающих молекулярных антенн фотосинте-зирующих организмов. Настоящая работа посвящена проблеме оптимизации структуры светособирающих антенн переменного размера, контролируемого in vivo интенсивностью света в процессе роста организмов, что делает проблему оптимизации структуры антенны более острой, так как требования к оптимизации становятся более жесткими при увеличении размера антенны. Проведенные ранее модельные расчеты показали, что агрегация пигментов светособирающей антенны - будучи сама по себе одним из универсальных структурных факторов, оптимизирующих функционирование антенны с любой (!) пространственной решеткой, образуемой светособирающими молекулами -позволяет, кроме того, управлять эффективностью антенны, если степень агрегации пигментов является переменным параметром: эффективность антенны растет с увеличением размера единичного антенного агрегата. Это означает, что изменение степени агрегации пигментов, контролируемое размером светособирающей антенны, биологически целесообразно. На примере хлоросомной оли-гомерной суперантенны зеленых бактерий показано, что этот принцип оптимизации структуры вариабельной антенны, размер которой контролируется интенсивностью света в процессе роста культуры, действительно реализуется in vivo, обеспечивая тем самым высокую эффективность функционирования антенны независимо от ее размера, что, как следствие, позволяет выживать этим организмам в широком диапазоне интенсивностей света.
Ключевые слова: фотосинтез, светособирающая антенна, структура и функция.
Теоретический анализ ключевых стадий конверсии энергии света в первичных актах фотосинтеза показал, что структура фотосинтетической единицы (ФСЕ) должна быть жестко оптимизирована, чтобы функционировать с высоким квантовым выходом (ф > 90%), наблюдаемым экспериментально [1]. Это означает, что ФСЕ не может быть ни однородной, ни изотропной. В то же время в природных ФСЕ должен существовать дальний молекулярный порядок, так как только упорядоченные системы могут быть оптимизированы.
Представленный цикл работ - в соответствии с выдвинутой нами концепцией жесткой оптимизации структуры фотосинтезирующего аппарата по функциональному критерию [1] - продолжает целенаправленный поиск в природных ФСЕ тех фундаментальных принципов их организации, ко-
Принятые сокращения: БХл - бактериохлорофилл; ФСЕ -фотосинтетическая единица, АЛ - дифференциальное поглощение.
*Эл. почта: Zfetisova@genebee.msu.su
торые были предсказаны нами теоретически для оптимальных модельных светособирающих систем. Этот подход позволил определить целый ряд основных принципов организации ФСЕ произвольного, но фиксированного размера [2-12].
Настоящий цикл работ посвящен проблеме оптимизации структуры светособирающих антенн переменного размера, контролируемого in vivo интенсивностью света в процессе роста организмов, что делает проблему оптимизации структуры антенны более острой, так как требования к оптимизации становятся более жесткими при увеличении размера ФСЕ [1].
Ранее, в наших работах было показано, что одним из универсальных структурных факторов, оптимизирующих функционирование антенны с любой (!) пространственной решеткой, образуемой светособирающими молекулами, является олигомеризация (агрегация) антенных пигментов [6, 7, 9-12], обеспечиваемая специфическими до-норно-акцепторными свойствами хлорофиллов. Эти ключевые свойства хлорофиллов делают
возможной самоагрегацию пигментов, что, в свою очередь, позволяет реализовать самоорганизацию порядка, жизненно необходимого для всех природных систем.
В предыдущей статье настоящего цикла, используя математическое моделирование функционирования природных ФСЕ, мы показали, что агрегация пигментов модельной светособираю-щей антенны - будучи сама по себе одним из универсальных оптимизирующих факторов - позволяет, кроме того, управлять эффективностью функционирования олигомерной антенны (как фиксированного, так и переменного размера) путем изменения степени агрегации светособираю-щих пигментов. Если степень агрегации пигментов является переменным параметром, эффективность антенны растет с увеличением размера единичного антенного агрегата, обеспечивая тем самым высокую эффективность функционирования ФСЕ независимо от ее размера. Таким образом, изменение степени агрегации пигментов, контролируемое размером светособирающей антенны, биологически целесообразно.
В настоящей работе показано, что этот принцип оптимизации структуры вариабельной антенны, размер которой контролируется интенсивностью света в процессе роста культуры, действительно реализуется in vivo, в частности, в хлоросомной олигомерной суперантенне фото-синтезирующих зеленых бактерий, являющейся уникальным примером упорядоченной антенной структуры, оптимизированной по функциональному критерию [3-5, 8-10, 12].
Хлоросомная экстрамембранная антенна (хло-росома) фотосинтезирующих зеленых бактерий содержит несколько тысяч молекул основного светособирающего пигмента - бактериохлоро-филла (БХл) c/d/e (в зависимости от вида бактерий), связанного - как считают, опираясь на данные электронной микроскопии [13], - с шестью субъединицами, образующими гексагональные структуры в форме полых цилиндров (называемых род-элементами), каждый 5-10 нм в диаметре и 100-250 нм в длину. Хлоросома содержит 1030 таких род-элементов, ориентированных параллельно длинной оси хлоросомы и определяющих ее длину. Помимо БХл c/d/e, хлоросома содержит каротиноиды и небольшое количество БХл а, который локализован в базовой пластинке, соединяющей хлоросому с цитоплазматической мембраной, в которой находятся основная БХл а-ан-тенна и реакционные центры [14].
Строгая ориентационная упорядоченность диполей <2у-переходов БХл c вдоль длинной оси хлоросомы, продемонстрированная как in situ [5], так и в изолированных антенных комплексах [3, 4, 8, 14], означает, что элементарный структурный
элемент БХл с-агрегата имеет форму (квазилинейной цепи.
Развитая нами теория спектроскопии олиго-мерных пигментов позволила разработать модель оптимальной молекулярной организации хлоросомной антенны зеленых бактерий семейства СЫого/1ехасеае, удовлетворяющую всем полученным к настоящему времени спектральным данным [15-19]. В предложенной нами модели хлоросомы каждый род-элемент длиною около 100 нм состоит из элементарных род-элементов длиною 6 нм, каждый из которых содержит элементарный строительный блок олигомерной БХл с-антенны в виде цилиндрического агрегата из шести параллельных друг другу линейных цепочек Бхл с-олигомеров. Соседние цилиндрические агрегаты, принадлежащие одному род-элементу, слабо взаимодействуют друг с другом, так как разделены расстоянием 20-30 нм. Межмолекулярные расстояния в агрегате таковы, что обеспечивают сильное экситонное взаимодействие внутри каждой линейной цепочки (300-700 см-1) и слабое взаимодействие между соседними цепочками (около 50 см-1) [15-19].
В настоящей работе исследованы структурные изменения в хлоросомной антенне зеленых бактерий семейства СМого/1ехасеае, происходящие при их адаптации к разным интенсивностям света, сопровождающейся значительным изменением размера ФСЕ за счет периферической хлоросомной БХл с-антенны.
УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Все эксперименты проводили на хлоросомах, выделенных из интактных клеток непрерывных культур нитчатых несерных термофильных зеленых бактерий СЫогоАехш аыгапНасш (штамм Ок-70-А), культивируемых в строго анаэробных условиях при 55°С. Хлоросомы выделены из четырех различных культур клеток, выращенных при четырех разных интенсивностях света (5, 25, 100 и 1000 Вт/м-2) и обладающих, как следствие, разным содержанием БХл с, определяющим размер ФСЕ С/х. аыгапНасш [20] (см. рис. 1). Хлоросомы выделяли стандартным методом [19] с небольшой модификацией.
Спектры поглощения и возбуждения флуоресценции хлоросом измеряли на спектрометрах соответственно НИасЫ-557 и НИасЫ-850 (Япония).
Для измерения дифференциальных абсорбционных спектров с фемтосекундным разрешением использована созданная в НИИ ФХБ им. А.Н. Белозерского МГУ лазерная система (описанная ранее [19]), состоящая из лазера на титан-сапфире с синхронизацией мод, многопроходного усилителя на титан-сапфире, устройства растяжения-сжатия импульсов, устройства выделения одиночно-
300 400 500 600 700 800 900
Длина волны, нм
Рис. 1. Спектры поглощения интактных клеток четы-
рех непрерывных культур нитчатых несерных термофильных зеленых бактерий Chloroflexus aurantiacus (штамм 0k-70-fl), выращенных в строго анаэробных условиях при 55°C при разных интенсивностях света,
5 (сплошная толстая линия), 25 (пунктирная линия), 100 (штриховая линия) и 1000 (сплошная тонкая ли-
ния) Втм-2. Спектральные качества света сохранялись неизменными. Максимум поглощения 740 нм
принадлежит хлоросомному БХл с; максимумы по-
глощения 808 и 866 нм принадлежат мембранной БХл а-антенне Б808-866. Параметр п, равный соотношению амплитуд длинноволновых максимумов поглощения хлоросомного БХл с (740 нм) и мембранного БХл а (866 нм), характеризует содержание БХл с в хлоросомах четырех разных культур: п = A740/A866 = 10, 16, 24 и 30. Все спектры нормированы так, чтобы амплитуды БХл а, ^866, всех спектров были равными.
го импульса, генератора континуума, измерительной схемы накачка-зондирование и многоканального оптического анализатора спектров (Oriel, France). Возбуждающие импульсы длительностью 110 фс проходили через интерфе
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.