научная статья по теме СТРАТЕГИЯ ВЫЖИВАНИЯ ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИХ ОРГАНИЗМОВ. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ВАРИАБЕЛЬНОСТИ РАЗМЕРА ЕДИНИЧНОГО СТРОИТЕЛЬНОГО БЛОКА ОЛИГОМЕРНОЙ АНТЕННЫ Биология

Текст научной статьи на тему «СТРАТЕГИЯ ВЫЖИВАНИЯ ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИХ ОРГАНИЗМОВ. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ВАРИАБЕЛЬНОСТИ РАЗМЕРА ЕДИНИЧНОГО СТРОИТЕЛЬНОГО БЛОКА ОЛИГОМЕРНОЙ АНТЕННЫ»

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.

Показать целиком