ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 5, с. 651-657
УДК 581.1
КИСЛОРОДВЫДЕЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА НЕАКТИВНЫХ КОМПЛЕКСОВ ФС II У ХЛОРЕЛЛЫ
© 2004 г. Ю. К. Чемерис, Н. С. Корольков, Н. X. Сейфуллина, Ä. Б. Рубин
Кафедра биофизики биологического факультета Московского государственного университета
им. М. В. Ломоносова, Москва Поступила в редакцию 30.05.2003 г.
Инкубация клеток водоросли Chlorella pyrenoidosa Chick в темноте при 37-38°C в течение 10-30 ч вызывала инактивацию кислородвыделяющего комплекса (КВК): максимальное выделение кислорода смещалось с третьей на пятую вспышку света; значительно ускорялся переход S2- и Б3-состоя-ний КВК в стабильное S1-состояние. Одновременно происходило накопление неактивных комплексов ФС II, обладающих низкой эффективностью перехода в закрытое состояние с восстановленным первичным хинонным акцептором даже в присутствии 5 мкМ диурона. У клеток водоросли, растущих на свету, гидроксиламин вызывал точно такие же нарушения работы КВК, как и темновая инкубация, но при этом не происходило накопление неактивных комплексов ФС II. Сделан вывод о том, что инактивация КВК не является первопричиной появления неактивных комплексов ФС II. Предполагается, что снижение эффективности электрон-транспортных реакций как на донорной, так и на акцепторной части ФС II связано с модификацией основных белков реакционного центра.
Chlorella pyrenoidosa - переменная флуоресценция хлорофилла - кислородвыделяющая система -ФС II - регуляция
При исследовании изменений относительного выхода переменной флуоресценции хлорофилла у хлореллы, инкубируемой в различных условиях, было обнаружено значительное изменение соотношения амплитуд быстрой (б^, время нарастания <1 с) и медленной (мЕу, время нарастания 1015 мин) фаз в кинетике нарастания переменной флуоресценции у обработанных диуроном клеток [1, 2]. Увеличение выхода флуоресценции хлорофилла от начального (Е0) до максимального (Ет) уровня, т.е. появление переменной флуоресценции (Е^ где ^ = Fm-F0) отражает процесс накопления реакционных центров (РЦ) ФС II в "закрытом" состоянии с восстановленным первичным хинонным акцептором (0А) [3, 4]. Исходя из этого можно заключить, что амплитуды мFv и отражают, соответственно, содержание комплексов ФС II, обладающих низкой (неактивные комплексы) и высокой (активные комплексы)
Сокращения: Ео - начальный и Ет - максимальный выходы флуоресценции хлорофилла; - переменная флуоресценция хлорофилла: мЕ^^ - медленная и бЕ^, - быстрая фазы в кинетике нарастания РЦ - реакционные центры; QA -первичный хинонный акцептор электронов; КВК - кисло-родвыделяющий комплекс; ПХ - пластохинон. Адрес для корреспонденции: Чемерис Юрий Константинович. 119899 Москва, Московский государственный университет, биологический факультет, кафедра биофизики. Факс: 07 (095) 939-11-15; электронная почта: chemeris@biophys.msu.ru
эффективностью перехода в "закрытое" состояние с восстановленным QA. Судя по амплитуде мЕ^ увеличение относительного содержания неактивных комплексов, как во время роста клеток на свету, так и во время темновой инкубации водоросли, происходило при воздействиях, приводящих к увеличению степени восстановленности пула пластохинона (ПХ) [2]. Эти данные послужили основанием для предположения о том, что в клетках хлореллы изменение содержания неактивных комплексов ФС II регулируется путем обратимого редокс-зависимого фосфорилирования Б1- и(или) Б2-белков ФС II и не зависит напрямую от длительного отсутствия освещения. Вместе с тем, эффективность разделения и стабилизации первично разделенных зарядов (при переносе электрона от феофетина на QA) в РЦ ФС II в значительной степени определяется состоянием Мп-содержащего кислородвыделяющего комплекса (КВК) [5-7], выполняющего роль донора электронов для фотосинтетической электрон-транспортной цепи. Известно, что длительная темновая инкубация хлореллы приводит к инактивации КВК, которую связывают с выходом ионов марганца из центров их связывания в кислородвыде-ляющей системе на донорной стороне ФС II [8]. Выход ионов марганца и кальция, сопровождающийся инактивацией КВК, происходит также при увеличении ДрН на тилакоидных мембранах [7]. По-видимому, у растущей на свету хлореллы та-
1.0h
о
к 04-
о
ч
о
ü 0.2-
PQ
0_I_I_I_I_I_i_
0 2 4 6 8 10 12 Номер вспышки
Рис. 1. Нормированные кривые фотоиндуцированно-го выделения кислорода при импульсном освещении клеток хлореллы.
1 - культура водоросли, выращенная на свету в стандартных условиях; 2 - культура водоросли, инкубированная в темноте 12 ч ; 3 - культура водоросли, инкубированная в темноте 30 ч.
кое увеличение ДрН, сопровождающееся инактивацией КВК, может происходить при резком увеличении освещенности культуры водоросли или при переходе культуры на рост, лимитированный С02. Иными словами, при тех воздействиях на культуру хлореллы (длительная темновая инкубация, увеличение освещенности или лимитирование по С02 растущей на свету водоросли), которые приводили к увеличению содержания неактивных комплексов ФС II [2] следует ожидать также инактивации КВК, которая хотя бы отчасти могла быть причиной появления неактивных комплексов ФС II. В связи с этим в настоящей работе стояла задача исследовать возможную взаимосвязь между инактивацией кислород-выделяю-щей системы и накоплением комплексов ФС II, для которых характерна низкая эффективность перехода в "закрытое" состояние с восстановленным Qa.
МЕТОДИКА
В качестве объекта исследования использовали аксеничную культуру одноклеточной зеленой водоросли Chlorella pyrenoidosa Chick, термофильный штамм DMMSU S-39 из коллекции кафедры микробиологии Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Культуру водоросли выращивали на 20%-ной среде Tamiya [9] в цилиндрических стеклянных термостатируемых культиваторах (250 мл) при освещении люминесцентными лампами с интенсивностью 30 Вт/м2 на поверхности культиватора при 37°C и постоянной аэрации очищенным воздухом, необогащенным С02. Во время темновой ин-
кубации при 37°С суспензию клеток водоросли также аэрировали воздухом. Концентрация клеток в экспериментах не превышала 5 млн. клеток/мл.
Кинетику изменения содержания кислорода в суспензии клеток при импульсном возбуждении образца измеряли при комнатной температуре, как описано ранее [10], но без постоянного протока буфера над клетками хлореллы, закрепленными диализной пленкой на платиновом электроде. Образец освещали один раз в секунду насыщающими вспышками света длительностью 50 мкс. Перед освещением клетки выдерживали в темноте не менее 5 мин.
Кинетику перехода Б2- и Б3-состояний КВК в стабильное Б 1-состояние определяли согласно методике, описанной в работе [11]. Метод основан на измерении количества кислорода, выделяемого на третью вспышку света в зависимости от продолжительности темнового интервала между второй и третьей вспышками света.
Начальный (темновой) и максимальный Ет уровни флуоресценции хлорофилла хлореллы измеряли, как описано ранее [1].
На рисунках приводятся результаты характерных опытов, повторенных не менее пяти раз.
РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 1 представлены нормированные по максимальному сигналу амперометрические кривые выделения кислорода клетками хлореллы при освещении серией коротких насыщающих вспышек света. У клеток хлореллы, выращенных на свету в стандартных условиях, наблюдали хорошо известные [12, 13], постепенно затухающие, четырехтактные осцилляции количества выделяемого кислорода с максимумом на третью вспышку света. Длительная темновая инкубация культуры водоросли приводила к уменьшению количества выделяемого кислорода на каждую вспышку света. Кроме того, у клеток водоросли, инкубированной 12 ч в темноте при 37°С, максимальное выделение кислорода наблюдали не на третью, а на четвертую вспышку света, а после 30 ч темновой инкубации максимум выделения кислорода смещался на пятую вспышку. Факт нарушения нормального функционирования КВК хорошо согласуется с результатами более ранних исследований влияния длительного отсутствия освещения на кислородвыделяющую систему хлореллы [8]. Обращает на себя внимание тот факт, что по мере увеличения продолжительности темновой инкубации повреждение КВК усиливается, что происходит, как показывают предыдущие исследования [2], на фоне накопления неактивных комплексов ФС II, обладающих низкой эффективностью перехода в "закрытое" состояние с восстановленным даже в присутствии диурона.
О 50 100 150 200 250
Время, с
Рис. 2. Зависимость количества кислорода, выделяемого клетками хлореллы на третью вспышку света от интервала времени между вспышками < 2 и < 3. Каждая кривая нормирована к количеству кислорода, выделяемого клетками при интервале времени между вспышками < 2 и < 3, равному 1 с. Обозначения, как на рис. 1.
_I_I_I_I_I_I_I
0 2 4 6 8 10 12 14
Номер вспышки
Рис. 3. Нормированные кривые фотоиндуцированно-го выделения кислорода при импульсном освещении хлореллы, выращенной на свету в стандартных условиях.
1 - контроль, без добавок; 2 - в присутствии 0.05 мМ гидроксиламина; 3 - в присутствии 0.2 мМ гидрокси-ламина.
После переноса культуры водоросли из темноты на свет в стандартные условия роста наблюдали восстановление исходного типа осцилляций количества выделяемого кислорода с максимумом на третью вспышку света. Возврат к характерному для культуры водоросли, растущей на свету, типу осцилляций наблюдали также через 2 ч после снижения температуры темновой инкубации от 37° до 20°С или через 30-45 мин после добавления к культуре водоросли, инкубируемой в темноте, 60 мкМ 2-дезокси-Б-глюкозы - неметаболизиру-емого аналога глюкозы (фактический материал не приведен). Следует отметить, что восстановление нормального четырехтактного функционирования КВК с максимумом выделения кислорода на третью вспышку света происходило при тех же самых воздействиях, которые приводили к уменьшению относительного содержания неактивных комплексов ФС II у хлореллы, инкубируемой в темноте [2].
При переносе со света в темноту кислородвы-деляющих фотосинтезирующих организмов с нормально функционирующей электрон-транспортной цепью нестабильные Б2- и Б3-состояния релак
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.