БИОФИЗИКА, 2009, том 54, вып.3, c.434-441
== БИОФИЗИКА КЛЕТКИ= =
УДК 577.3
ЯВЛЯЮТСЯ ЛИ «ГИГАНТСКИЕ» ХЛОPОСОМЫ ЧАСТЬЮ СВЕТОСОБИРАЮЩИX «АНТЕНН» ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА ЗЕЛЕНЫХ БАКТЕРИЙ?
© 2009 г. А.Ю. Борисов
Институт физико-xимической биологии им. А. Н. Белозерского Московского государственного университета
им. М.В. Ломоносова, 119992, Москва, Воробьевы горы E-mail: borissov@belozersky.msu.ru Поступила в p едакцию 07.05.08 г. После доработки 02.09.08 г.
Ряд современных структурных данных по хлоросомам зеленых бактерий находится в противоречии с их энергетическими и кинетическими характеристиками. Это главным образом короткие собственные времена жизни электронных возбуждений в доминирующем пигменте хлоросом, пр и котор ых перено с электронной энер гии от него на молекулы бактериохлор офилла базовой пластины и о сновной мембраны, по-видимому, не эффективен. В настоящей р аботе этот результат получен путем моделирования мигр ации энер гии от «гигантских» тр ехмер ных хлоросом (число молекул порядка 1000 на один реакционный центр) на мембр анный пигмент зеленых бактерий в существенно оптимизированных условиях. Обоснованы и обсуждаются причины и механизмы, ответственные за столь сильное нефотохимическое тушение электронной энергии в пигментах хлоросом.
Ключевые слова: зеленые бактерии, хлоросомы, фотосинтетический аппарат, миграция электронного возбуждения.
У семейства зеленых фотосинтезирующих бактер ий имеются весьма крупные внемемб ран-ные органеллы, хлоросомы. В них находятся бактериохлорофиллы (БХл) c, d и е. Их пики абсорбции in vivo располагаются в области 710— 750 нм [1—3]; здесь и далее эти пигменты хлоросом условно обозначены как C740. К роме C740, в хлоросомах пр исуствуют в небольших количествах каротиноиды, белки, следовые количества Б Хл а и, по-видимому, липидные оболочки [1,2]. Pазмеры хлоросом весьма вариа-бильны, особенно в зависимости от световой пр еды стории клеток. Хлоросому можно грубо аппроксимировать эллипсоидом с осями около 120 на 50 нм и высотой над цитоплазматической стороной мембраны 20 нм [3]. Внутри хлор осом молекулы БХл, возможно, образуют длинные цилиндры, однако в литературе на этот счет приводятся и иные гипотезы. Между хлоросо-мой и мембраной находится прокладка, называемая базовой пластиной. В нее встроено небольшое количество молекул БХл а с пиком абсорбции около 795 нм (В795) [1,2]. Малая величина длинноволнового спектрального сдви-
Сокращения: ЭВ - электронное возбуждение, БХл - бак-териохлорофилл, РЦ - реакционный центр.
га у этой фракции Б Хл по ср авнению с его спектром в нейтральных растворителях, очевидно, свидетельствует о мономер ной природе молекул, сходной с мономерами В800 у пурпурных бактер ий (далее цифры пр и «С», «В» и «Р» соответствуют примерному положению пиков абсорбции у соответствующих фракций молекул). Основной фотоконвертирующий аппарат у зеленых, как и у пурпурных бактерий, находится в белково-липидных мембранах и состоит из фракций Б Хл а, В860 и сопр яженных с ними на уровне миграции энергии реакционных центров (РЦ) Р840-860 [1-3]. В ср еднем на один РЦ приходится около 60 антенных молекул В860 в мембране и до 1000-2000 молекул С740 в хлоросомах [2,3].
На протяжении длительного времени в научной литературе была принята и активно обсуждалась следующая схема миграции электр онных возбуждений (ЭВ) у зеленых бактерий [3]:
С740* ^ Б795* ^ В860* ^ Р860 хлоросома базовая мембрана РЦ пластина
В работе [4] было впервые измерено время жизни ЭВ в о сновном пигменте хлор осом из клеток СЫотоЬшш 11ш1св1а, которое составило:
т* = 30 ± 15 пс. Было предположено, что столь короткое время жизни т* по ср авнению с временами жизни ряда хлорофиллов в нейтральных ра створ ителях (3000-5000 пс [5,6]) является следствием эффективной миграции ЭВ от БХл с, С740 на антенный Б Хл этих клеток и далее на РЦ. Позднее многие исследователи пытались найти прямые экспериментальные подтверждения этой наиболее естественной идеологии, в частности обнаружить у клеток зеленых бактерий сенсибилизированную флуоресценцию основного мембранного Б Хл а, В860 при возбуждении пигмента хлоросом С740, или зареги-стр ир овать рост вр емени жизни ЭВ в С740 при различных вариантах разобщения хлоросом и мембранного аппарата. Результаты были в основном неоднозначные и часто отр ицательные (см. обзоры [2,3]). Большинство полученных данных не вписывалось в указанную выше модель миграции ЭВ от хлоросомы на о сновную антенну В860. В обзоре [2], посвященном исследованию зеленых бактерий, опубликованном в 1995 году, выражалась надежда, что будущие исследования помогут разобраться в этих противоречиях. Однако в следующем обзоре, вышедшем под тем же названием в 2003 году, ситуация не прояснилась, и авторы практически уклонились от обсуждения накопленных данных [3]. Таким образом, на сегодняшний день отсутствуют надежные доказательства того, что заметная часть световой энер гии, поглощаемой пигментами хлоросом, может мигр ир овать на основную мембранную фотосистему зеленых бактерий.
Авторы многих исследований искали подходы к проблеме миграции ЭВ от пигмента С740 хлор осом на В860 на базе различных теорий, описывающих переносы ЭВ между хромофорами отдельных молекул и их комплексов. В этой связи в данной работе была поставлена следующая задача: возможно ли в принципе предложить гипотетическую структуру антенной системы зеленых бактер ий, которая обеспечила бы разумную эффективность доставки энергии ЭВ от С740 хлоросомы на В860 основной мембраны? Поскольку у зеленых бактер ий миграция ЭВ между пигментами хлоро-сом и мембранным БХл происходит при межхромофорных расстояниях порядка десятков ангстрем, для описания этого явления нами была использована теория индуктивного резонанса Ферстера [7] (см. также [8]), результаты которой на столь больших межхромофорных расстояниях мало отличаются от таковых, полученных при использовании более детализи-
рованной современной теории Редфилда и ее модификаций [9].
С учетом хор ошо известных данных по молекулярному и спектральному составу пигментного аппарата зеленых бактерий в работе была построена и проанализирована оптимизированная модель по условиям миграции ЭВ от С740 на В860. Это в основном сводилось к оптимизации пространственного расположения хромофоров базовой пластины В795 между пигментами С740 хлоросомы и В860 мембраны (базовая модель показана на рис. 1) и к использованию завышенных констант миграции ЭВ между отдельными слоями молекул (см. ниже). На основе серии ее модификаций была оценена максимально возможная эффективность миграции электронных возбуждений от пигмента С740 хлоросомы на внутримембранный пигмент В860 зеленых бактерий.
МЕТОДЫ
На рис. 1 представлена оптимизированная гипотетическая модель 1 пигментного аппарата зеленых бактерий. Для оптимизации миграции ЭВ от хлоро сомы молекулы Б795 были р азде-лены на четыре группы и расположены поперек базовой пластины. При этом они образовали «миграционную дорожку» между граничными молекулами С740 хлор осомы и молекулами В860, так что промежутки (Ьс А) между соседними группами хромофоров Б795, а также между ними и соседними хромофорами В795 и С740, В795 и В860, равнялись лишь 20 А. Такая стр уктура имеет явные преимущества, поскольку в теории Ферстера константы скор ости миграции зависят от расстояния между хр омофорами молекул донора и акцептора ЭВ как (Ь0,А)-6 [7,8].
Для анализа миграции ЭВ в этой модели она была представлена в виде системы из 15-ти балансных дифференциальных уравнений, описывающих динамику в показанных на рис. 1 группах молекул, которые решались методом численного интегрирования с помощью ЭВМ-пр ограммы ИКвБ, описанной в [10]. Ниже даны примеры написания этих уравнений для группы {3*} молекул С740 хлор осомы, группы {5*} молекул В795 базовой пластины, группы {12+}, соответствующей первичному захвату ЭВ в специальной паре РЦ, и группы {15} - потер и в основной антенне В860+Р860:
Группа {3*): й?{3*}/йЙ = - ( к32 + а к34 + к3,13) {3*} + а к2,3 {2*} + к4,3 {4*},
* Наличие электронного возбуждения в соответствующей фракции молекул.
{1*} {2*} {3*} {4*} 810 270 90 30
С740
С740 С740 С740 С740 С740 С740^С740^С740^С740^
>1< >1 >1 {13§} потери
Хлоросома
{5*} {6*} {7*} {8*} 10 10 10 10
■В795^В795^В795^В795^В860^В860^В860
^ >1 >1 >1 потери
Базовая пластина
{9*} {10*} {11*} 10 40 10
>1 >1 >1 {^}потери
Мембрана
{12±} 2
-¡-»Р860
4
Р860+
РЦ
Р ис. 1. Идеализир ованная схема мигр ации электр онных возбуждений (ЭВ) между о сновным пигментом хлор о со -мы, С740 (он разбит на четыр е гр уппы {1*} - {4*} ) и о сновным мембр анным Б X л, В860. В последовательно пер едающих ЭВ группах молекул (номер а их со стояний даны в верхнем ряду) находилось следующее число молекул. Хлор о сома: слой 1 - число молекул 810; 2 - 270; 3 - 90; 4-30 (всего в хлор о соме 1200 молекул ВХл с); базовая пластина: во всех слоях с 5 по 8 по 10 молекул; антенный БXл а в мембране: 9-10 В860 10 - 40 В860; 11 - 10 В860; 12 - специальная пар а Р Ц, Р860.
Группа {5*}: ^{5*}/А = - (в54 к54 + к56 + *5дз) {5*} + а к4,5 {4*} + к65 {6*}, '
Группа {12+}: ¿{12}/Л = к 1112 {11*} - не-обр атимый за хват ЭВ в Р Ц,
Группа {ВД: ¿{15}/Л = к915{9*} + к 10,15{10*} + к п,15{11*} - потер и ЭВ в мембр ане,
где {1*}, {2*}, - - - концентр ации ЭВ в
соответствующих группах молекул; к, - - константы пер вого пор ядка, соответствующие скоростям переноса ЭВ из группы молекул I в гр уппу Таким обр азом, со стояние {12+} со -ответствовало накоплению ЭВ в полезном канале; в со стоянии {13g} накапливались внутр имолекуляр ные потер и ЭВ из гр упп {1*}-{4*} хлор о сомы; в со стоянии {14g} - потер и ЭВ в группах {5*}-{8*} базовой пластины; в со стоянии {15g} - потер и в группах {9*}-{11*} мембранной антенны. Обоснование конкретных значений использованных констант приведено ниже.
Значения констант скоростей в балансных уравнениях, описывающих динамику переноса и зах вата ЭВ в пигментном аппарате зеленых бактерий. Константы в хлоросоме. Значения констант скор остей к 12 = к23 = к34 были взяты очень высокими, р авными 3-1012 с-1, уменьше
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.