БИОХИМИЯ, 2014, том 79, вып. 3, с. 328 - 337
УДК 577.23
ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ РАЗМЕРА ЕДИНИЧНОГО СТРОИТЕЛЬНОГО БЛОКА ПЕРИФЕРИЧЕСКИХ СВЕТОСОБИРАЮЩИХ АНТЕНН КАК СТРАТЕГИЯ ЭФФЕКТИВНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АНТЕНН ПЕРЕМЕННОГО РАЗМЕРА, КОНТРОЛИРУЕМОГО in vivo ИНТЕНСИВНОСТЬЮ СВЕТА
© 2014 A.C Taисова, А.Г. Яковлев, З.Г. Фетисова*
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, 119992 Москва; факс: (495)939-3181, электронная почта: zfetisova@belozersky.msu.ru
Поступила в редакцию 14.11.2013 После доработки 02.12.13
Представленная работа продолжает цикл исследований, состоящих в поиске в природных антеннах фото-синтезирующих организмов тех принципов их организации, которые позволили реализовать in vivo большие и высокоэффективные светособирающие структуры. Самой большой антенной обладают зеленые фо-тосинтезирующие бактерии, способные расти в широком диапазоне интенсивностей света, адаптируясь к низким интенсивностям путем увеличения размера периферической БХл c/d/е-антенны. Однако увеличение размера антенны неизбежно требует изменений ее структуры для сохранения высокой эффективности ее функционирования. Проведенные модельные расчеты показали, что агрегация пигментов светособира-ющей антенны — будучи сама по себе одним из универсальных структурных факторов, оптимизирующих функционирование любой антенны — позволяет управлять эффективностью антенны, если степень агрегации пигментов является переменным параметром: эффективность антенны растет с увеличением размера единичного агрегата антенны. Это означает, что изменение степени агрегации пигментов, контролируемое размером светособирающей антенны, биологически целесообразно. В нашей предыдущей работе на примере олигомерной хлоросомной БХл с-суперантенны зеленых бактерий семейства Chloroflexaceae показано, что этот принцип оптимизации структуры вариабельной антенны, размер которой контролируется интенсивностью света в процессе роста культуры, действительно реализуется in vivo. В настоящей работе продолжены исследования этого феномена с расширением круга объектов исследований и экспериментов по изучению оптических линейных и нелинейных спектров хлоросом с различной структурой. Показано, что в олигомерных хлоросомных суперантеннах зеленых бактерий (из двух разных семейств, Chloroflexaceae и Oscillochloridaceae) единичный БХл с-агрегат имеет малый размер, а степень агрегации БХл с является переменным параметром, контролируемым размером всей БХл с-суперантенны, который, в свою очередь, контролируется интенсивностью света в процессе роста культуры клеток.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: фотосинтез, структура и функция, периферические антенны.
Структура фотосинтетической единицы (ФСЕ) должна быть жестко оптимизирована, чтобы функционировать с высоким квантовым выходом (ф > 90%), наблюдаемым экспериментально [1]. Это означает, что в природных ФСЕ должен существовать дальний молекулярный порядок, так как только упорядоченные системы могут быть оптимизированы.
Принятые сокращения: БХл — бактериохлорофилл, БФ — бактериофеофетин, ФСЕ — фотосинтетическая единица, АЛ — дифференциальное поглощение, Н — гиперхро-мизм.
* Адресат для корреспонденции.
Представленная работа — 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, которые были предсказаны нами теоретически для оптимальных модельных светособи-рающих систем. Этот подход позволил определить целый ряд основных принципов организации ФСЕ фиксированных размеров [2—9].
Настоящая работа является продолжением наших исследований, посвященных проблеме оптимизации структуры светособирающих ан-
тенн переменного размера, контролируемого in vivo интенсивностью света в процессе роста организмов. Вариабельность размера антенны делает проблему оптимизации ее структуры более острой, так как эффективность переноса энергии от антенны к реакционным центрам обратно пропорциональна размеру антенны [1]. Таким образом, требования к оптимизации становятся более жесткими при увеличении размера ФСЕ.
В наших предыдущих работах было показано, что одним из универсальных структурных факторов, оптимизирующих функционирование антенны с любой пространственной решеткой, является олигомеризация (агрегация) антенных пигментов [5—9], обеспечиваемая специфическими донорно-акцепторными свойствами хлорофиллов. Эти ключевые свойства хлорофиллов делают возможной самоагрегацию пигментов [10], что, в свою очередь, позволяет реализовать самоорганизацию порядка, жизненно необходимого для всех природных систем.
Ранее, используя математическое моделирование функционирования природных ФСЕ, мы показали, что агрегация пигментов модельной светособирающей антенны — будучи сама по себе одним из универсальных оптимизирующих факторов — позволяет, кроме того, управлять эффективностью функционирования олигомер-ной антенны (как фиксированного, так и переменного размера) путем изменения степени агрегации светособирающих пигментов [5, 8, 11]. Если степень агрегации пигментов является переменным параметром, эффективность антенны растет с увеличением размера единичного антенного агрегата [5, 11], обеспечивая, тем самым, высокую эффективность функционирования ФСЕ независимо от ее размера. Таким образом, изменение степени агрегации пигментов, контролируемое размером светособирающей антенны, биологически целесообразно.
В нашей предыдущей работе [12] на примере олигомерной хлоросомной БХл с-суперантенны зеленых бактерий семейства Chloroflexaceae показано, что этот принцип оптимизации структуры вариабельной антенны, размер которой контролируется интенсивностью света в процессе роста культуры, действительно реализуется in vivo.
В настоящей работе продолжены исследования этого феномена с расширением круга объектов исследований и экспериментов по изучению оптических линейных и нелинейных спектров хлоросом с различной структурой, изолированных из разных зеленых бактерий (принадлежащих семействам Chloroflexaceae и Oscillochlori-daceae [13—15], адаптированных к экстремальным интенсивностям света.
Хлоросомные экстрамембранные суперантенны (хлоросомы) фотосинтезирующих зеленых бактерий имеют эллипсоидальную форму длиной ~70—260 нм и шириной ~30—100 нм и содержат ~104 — 3 • 105 молекул основного свето-собирающего пигмента — бактериохлорофилла (БХл) c/d/e (в зависимости от вида бактерий) в агрегированном состоянии. Помимо БХл c/d/e хлоросомы содержат каротиноиды, хиноны и БХл а, который локализован в базовой пластинке (толщиной 3—4 нм), соединяющей хлоросомы с цитоплазматической мембраной, в которой находятся основная БХл а-антенна и реакционные центры [14, 16, 17].
В настоящее время в литературе сосуществует множество моделей трехмерных структур хло-росом различных зеленых бактерий. Все многообразие моделей можно охарактеризовать двумя типами: 1) тубулярные модели, в которых БХл c/d/e образуют полые род-элементы [18, 19], и 2) ламеллярные модели, в которых БХл c/d/e образуют параллельные плоскости (ламеллы) [20]. Строгая ориентационная упорядоченность диполей Qy-переходов БХл c, продемонстрированная как in situ [4], так и в изолированных антенных комплексах [3, 16, 17], означает, что элементарным структурным элементом этой суперантенны является (квази)линейная цепь БХл c/d/e-агрегата. Поэтому все многообразие моделей, описывающих один и тот же вид хлоросом, состоит в различии: 1) количества БХл c/d/e-це-пей в каждом род-элементе, 2) длины этих цепей (т.е. количестве БХл c/d/e-цепочек вдоль длины род-элемента), 3) структуры этих БХл c/d/e-цепочек, 4) способов упаковки БХл c/d/e-цепочек в род-элементе и/или 5) способов упаковки БХл c/d/e-цепочек в ламелле [21].
Развитая нами теория спектроскопии олиго-мерных пигментов, опираясь на данные электронной микроскопии [18, 19], позволила разработать тубулярную модель оптимальной молекулярной организации хлоросомной антенны зеленых бактерий семейства Chloroflexaceae, удовлетворяющую всем полученным к настоящему времени спектральным данным [22—26]. В предложенной модели хлоросомы каждый род-элемент длиной ~100 нм состоит из коротких элементарных род-элементов, каждый из которых содержит элементарный строительный блок олигомерной БХл c-антенны в виде цилиндрического агрегата из шести параллельных друг другу линейных цепочек БХл c-олигомеров. Соседние 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 взаимо-
действие внутри каждой линейной цепочки (300—700 см-1) и слабое взаимодействие между соседними цепочками (около 50 см-1) [22-26].
В настоящей работе проведены исследования структурных изменений в хлоросомных антеннах зеленых бактерий (принадлежащих двум семействам — Chloroflexaceae и Oscillochloridaceae), происходящие при их адаптации к экстремальным интенсивностям света.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Микроорганизмы и условия выращивания культур. Объектами исследований были фото-синтезирующие бактерии, принадлежащие к двум семействам зеленых аноксигенных фото-трофных нитчатых бактерий, Chloroflexaceae и Oscillochloridaceae: термофильные бактерии Chlo-roflexus (Cfx) aurantiacus, штамм 0k-70-fl (коллекция Лейденского университета, Нидерланды) и мезофильные бактерии Oscillochloris (Osc) trichoides, штамм DG-6, типовой штамм вида Osc. trichoides (Всероссийская коллекция промышленных микроорганизмов, ВКПМ B-10173).
Культуры зеленой нитчатой термофильной бактерии Cfx. aurantiacus 0k-70-fl выращивали в анаэробных условиях при 55° на стандартной среде [27] при постоянном перемешивании и интенсивности света 50 и 1000 Вт/м2.
Культуры Osc. trichoides, штамм DG-6 выращивали во флаконах емкостью 500 мл на модифицированной среде DGN при постоянном перемешивании в анаэробных условиях при 30° и интенсивности света 50 и 1000 Вт/м2 [14, 28].
Выделение хлоросом из клеток Cfx. aurantiacus и Osc. trichoi
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.