Главная > Разное > Фотобиология
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Глава V. БАКТЕРИОРОДОПСИНОВЫЙ ФОТОСИНТЕЗ МАКРОЭРГОВ

До недавнего времени фотосинтез считался единственным процессом на Земле, с помощью которого живые существа утилизировали для своих нужд энергию

соднечного света. Однако в последнее десятилетие эта догма была пересмотрена: обнаружен бактериородопсиновый фотосинтез макроэргов, принципиально отличающийся своим механизмом от обычного фотосинтеза. Вместе с тем следует сразу отметить, что открытие этого фотоэнергетического процесса ни в коей мере не может ревизовать представление о доминирующей роли фотосинтеза в обеспечении энергией биосферы. Дело в том, что бактериородопсиновый фотосинтез макроэргов представлен только у одной группы микроорганизмов — галофильных бактерий, которые к тому же могут покрывать свои энергетические нужды и как гетеротрофы (за счет окисления органических субстратов). В чем же суть бактериородопсинового фотосинтеза макроэргов?

Установлено, что свет, поглощаемый бактериородопсином галофильных бактерий (Halobacterium halobium), через создание электрохимического градиента протонов у плазматических мембран без участия цепи переносчиков электронов приводит к синтезу АТФ, благодаря чему достигается трансформация световой энергии в химическую:

Н. halobium погибает в средах, содержащих менее 3,0 в растворах с низким содержанием солей происходит фрагментация плазматических мембран микроорганизмов. Поэтому мембраны Н. halobium контрастно отличаются от других, известных науке мембран.

Пурпурные мембраны Н. halobium обязаны своим цветом бактериородопсину, составляющему 50% (по другим данным еще больше) от общего содержания белков. Молекулы бактериородопсина, погруженные в гидрофобный мембранный матрикс, не рассеяны по мембране равномерно, а образуют гексагональную упаковку, повторяющиеся единицы которой состоят из трех молекул белка и около 40 молекул липида. 75% полипептидной цепи бактериородопсина закручено в -спираль, образующую в пределах одной молекулы семь тяжей, около 45 А длиной и ориентированных перпендикулярно к плоскости мембраны. 21 -спиральный участок трех молекул родопсина в повторяющейся единице собран в виде двух концентрических колец: в большое кольцо входит 12 тяжей, в малое — 9. Наиболее вероятно, что центральную свободную

полость белковой триады заполняют липиды. Ретиналь бактериородопсина ориентирован перпендикулярно к белковым тяжам, т. е. параллельно плоскости мембраны.

По своему строению бактериородопсин одна субъединица) во многом похож на родопсин палочек сетчатки глаза (см. гл. VI). В молекуле этого хромопротеида белковый носитель соединен ковалентной Шиффовой связью с ретиналем — альдегидом витамина А, соединяющей альдегидную группу ретиналя с аминогруппой аминокислоты лизина.

В бактериородопсине ретиналь находится в 13-цис-, в то время как в родопсине— в 11-цис-конформации. Длинноволновый максимум поглощения свободного ретиналя располагается при а бактериородопсина — при Такой сильный красный сдвиг поглощения возникает вследствие установления межмолекулярных взаимодействий между хромофорной группировкой и белком (подробнее об этом см. гл. VI).

После денатурационных нарушений конформации малополярными растворителями или детергентом спектр поглощения хромопротеида сдвигается от 570 к

По-видимому, бактериородопсин является единственным акцептором биологически активного света, поскольку спектр действия синтеза АТФ в бактериях качественно близок спектру поглощения этого пигмента.

Фотохимическая стадия фотосинтеза макроэргов, берущая начало от электронно-возбужденных состояний ретиналя, заключается в обратимом превращении бактериородопсина с максимумом поглощения при в хромопротеид с максимумом поглощения при этом происходит фотоизомеризация ретиналя с превращением в транс-форму, сопряженная, по-видимому, с конформационными изменениями белкового носителя — бактериоопсина. Согласно данным лазерной техники, первичная фотохимическая реакция завершается при комнатной температуре за время, меньшее причем квантовый выход этого превращения составляет при —190° С величину, близкую к 0,3. Обратная реакция протекает с большей эффективностью. Данные, полученные с помощью флеш-фотолиза и техники низких температур, показали, что фотоиндуцированные превращения бактериородопсина

сопровождаются образованием ряда промежуточных продуктов, стабильных в определенных температурных интервалах. Таким путем создается замкнутый цикл превращений как со световой так и с темновой регенерацией исходного бактериородопсина. Следует отметить, что при физиологических условиях цикл завершается за несколько миллисекунд и на его заключительных стадиях регистрируются продукты не обнаруживаемые при низких температурах.

В ходе тщательного систематического исследования с фиксацией промежуточных продуктов при низкой температуре (-180° С) Ф. Ф. Литвин и С. П. Балашов обнаружили ряд дополнительных фотопродуктов: и изучили их световые и темновые превращения (см. схему). Было установлено, что 1) три продукта расположены на пути терминальной стадии темновой регенерации все интермедиаты способны к превращениям после поглощения второго кванта света; 3) первичные реакции бактериородопсина происходящие при температуре — 180° С, генерируют продукты, спектр поглощения которых сдвинут в длинноволновую сторону; 4) фотопревращения продуктов темновых реакций обязательно включают темновую стадию; 5) фотопревращение любого интермедиата совершается в направлении состояния, из которого он возник, т. е. каждый последующий квант обращает изменения, вызванные предыдущим; 6) темновые и световые реакции промежуточных продуктов не совпадают; 7) все световые реакции фотообратимы. По-видимому, обратимость превращений имеет определенное значение для обеспечения возможности многократного использования одних и тех же молекул бактериородопсина при генерации химической энергии.

Как сам бактериородопсин, так и промежуточные продукты его фотопревращеиия обладают способностью к флуоресценции при низкой температуре (У пурпурных мембран зарегистрированы максимумы флуоресценции при 595, 650, 700, 730 и 780 нм.) Спектры поглощения бактериородопсина и его фотопродуктов имеют сложную структуру, включающую несколько полос. Структурированность спектра наиболее выражена у коротковолновых продуктов (полосы

при в спектре и наименее выражена у при 540,

В 1973 г. Остерхельтом и Стокениусом показано, что освещение галобактерий приводит к выбросу ионов водорода из клетки в среду и созданию протонного трансмембранного потенциала. В присутствии ингибиторов фосфорилирования, препятствующих расходу протонов на синтез АТФ, величина светоиндудированного электрохимического потенциала может достигать

Позднее Остерхельт и Хесс обнаружили, что выброс протонов сопряжен со светоиндуцированным переходом а их связывание мембраной — с обратным темновым переходом За один цикл (см. схему)

происходит выделение одного протона в наружную среду и поглощение одного протона из внутриклеточного объема.

На инициацию этого процесса от электронно-возбужденных состояний бактериородопсина однозначно указывает и совпадение спектра фотоиндуцированного выброса протонов со спектром поглощения бактериородопсина. Прямое участие бактериородопсина в антитермодинамическом транспорте продемонстрировано также в лабораториях Рэкера и В. П. Скулачева на примере модельных систем: на искусственных фосфолипидных мембранах, замкнутых в микропузырьках, — липосомах, в состав которых вводился предварительно выделенный бактериородопсин. Поглощение света бактериородопсином липосом сопровождается поглощением протонов с

образованием концентрационного градиента водородных ионов и трансмембранного электрохимического потенциала. Тот же результат был получен и на плоской фосфолипидной мембране с инкорпорированным в нее бактериородопсином. После включения света возникала разность потенциалов, которая прямо регистрировалась вольтметром от электродов, погруженных в раствор по обе стороны искусственной фосфолипидной мембраны.

О времени возникновения электрохимического потенциала можно судить по времени жизни самого долгоживущего интермедиата в цикле фотохимических превращений бактериородопсина. Оно составляет величину порядка

Возникает вопрос, откуда берутся протоны и как они транспортируются против электрохимического потенциала (снизу вверх в шкале энергий) сквозь плазматическую мембрану?

Наиболее вероятно, что источником протонов служит вода. Косвенным образом в пользу этого уже свидетельствуют приведенные выше опыты с искусственными фосфолипидными мембранами. Более конкретные доказательства получены в лаборатории Стокениуса, по данным которого бактериородопсин мембранных фрагментов галофильных бактерий с большой скоростью обменивает свой водород у Шиффова основания ретиналя на дейтерий тяжелой воды. Это указывает на важную роль Шиффовой связи ретиналя для транслокации протонов. Аргументом для такого заключения являются опыты, выполненные рядом авторов, согласно которым Шиффово основание ретиналя, протонированное в темноте, теряет свой протон под действием света.

В настоящее время трудно сказать, у какого промежуточного продукта бактериородопсина происходит резкое уменьшение сродства к протону. Ф. Ф. Литвин и С. П. Балашов указали на резкое увеличение способности Шиффова основания присоединять протон в результате реакции Поэтому можно думать, что интермедиат характеризуется низким сродством к

Итак, протон внутриклеточной воды эффективно связывается Шиффовым основанием бактериородопсина. Каким же способом и по каким субстратам достигает

этот протон внешней поверхности мембраны? В. П. Скулачев предполагает, что протон передается поэтапно, эстафетно, через периодически расположенные кислотные группы — карбоксилы белка, фосфатные и сульфо-группы липидов бактериородопсинового комплекса, либо основные группы — аминогруппы белка или липида. Нужное расположение всех групп поддерживают жесткие -спиральные белковые тяжи, причем тяжи большого кольца несут один тип протон-проводящего пути (например, кислотные группы), а малого — другой (основные группы). Переход протона от протонированной группы донора к соседнему депротонированному акцептору осуществляется при их столкновении в результате конфигурационно-конформационных движений при структурных перестройках бактериородопсинового комплекса, например, при цис-транс-изомеризации ретиналя. По такому механизму протон может успешно преодолеть всю длину проводящего пути от внутренней к внешней поверхности мембраны (около 50 А). Предполагается, что движущей силой переноса протона против электрохимического градиента является напряженная конформация бактериородопсинового комплекса, создающаяся в ходе фотохимической реакции цис-транс-изоие-ризации и конформационной модификации бактериородопсина.

Вполне возможно, что некоторые из дискретных этапов переноса протона (например, от воды к Шиффову основанию ретиналя) требуют самостоятельных энергетических «подкормок» со стороны фотохимических актов. Иными словами, одна фотохимическая реакция, вероятно, не в состоянии перебросить протон через мембрану. В этой связи представляют интерес опыты Стокениуса, в результате которых установлено, что для обмена водорода бактериородопсинового комплекса на ион дейтерия тяжелой воды требуется не менее чем четыре коротких импульса света.

Итак, фотохимические процессы, протекающие в бактериородопсине, сопряжены с запасанием энергии квантов света в трансмембранном электрохимическом градиенте ионов водорода, как промежуточном энергетическом «резервуаре» на пути синтеза микробной клеткой АТФ,

Зная величину квантового выхода первичной фотореакции, нетрудно определить эффективность запасания энергии света галобактериями. Если принять, что энергия квантов света, поглощаемых бактериородопсином, равна примерно а перенос одного протона связан с запасанием то энергетический выход процесса оказывается равным 0,04, что значительно ниже величины 0,43 — к. п. д. превращения свет — промежуточные продукты при фотосинтезе у зеленых растений (гл. IV).

Светоиндуцируемый синтез АТФ у голодающих (без питания) галофильных бактерий в анаэробных условиях был впервые обнаружен Стокениусом и Даноном.

Согласно недавно полученным данным Райнера и Остерхельта, скорость фотофосфорилирования линейно зависит от содержания бактериородопсина в клетке и интенсивности света (в интервале При более высоких интенсивностях света наблюдается насыщение фотофосфорилирования. Для синтеза одной молекулы АТФ необходимо поглощение бактериородопсином около 22 квантов света.

Образование АТФ подавляется ингибиторами мембранной АТФ-азы и разобщителями окисления и фосфорилирования, которые, согласно современным представлениям, делают энергосопрягающую мембрану полностью проницаемой для В последнем случае бактерии утрачивают также способность подкислять на свету окружающую среду. В противоположность этому различные ингибиторы электронно-транспортной цепи (переносчиков электронов) не блокируют бактериородопсиновый фотосинтез АТФ.

Чрезвычайно важное значение для понимания природы превращения в АТФ имеют опыты Рекера и Стоке-ниуса, в которых показано, что фосфолипидные липосомы, содержащие АТФ-азу (АТФ-синтетазу) из митохондрий сердца быка и бактериородопсин, способны создавать не только но и синтезировать на свету АТФ из АДФ и минерального фосфата.

Иными словами, для фотосинтеза АТФ необходимо и достаточно три компонента: малопроницаемый для протонов липидный слой, бактериородопсиновый комплекс и АТФ-аза. Следовательно, бактериородопсиновый синтез

АТФ не нуждается «в услугах» дыхательной цепи, хотя она и локализована в той же плазматической мембране, но причинно связан с электрохимическим градиентом водородных ионов и низкой проницаемостью для них мембранных структур. Синтез АТФ осуществляется ферментативно, с помощью мембранной протонной АТФ-азы (АТФ-синтетаза), по-видимому, за счет энергии электрохимического потенциала. Это означает, в свою очередь, что генерация АТФ осуществляется в соответствии со схемой Митчела. Согласно некоторым данным, при основной вклад в фосфорилирование вносит градиент водородных ионов, а при -мембранный потенциал.

Не исключено, однако, что трансформация энергии электрохимического градиента в химическую энергию макроэргических связей АТФ происходит через стадию напряженной конформации АТФ-синтетазы или содержащих ее мембранных доменов.

Таким образом, представляется вероятной определенная последовательность смены форм энергии в ходе бактериородопсинового фотосинтеза макроэргов: -электронно-колебательная возбужденного состояния бактериородопсина — механическая (конформационная) бактериородопсинового комплекса—осмотически-электрическая (электрохимический потенциал) химическая (макроэргические связи АТФ).

Фотосинтетический аппарат галобактерий и его активность находятся в тонких регуляторно-адаптационных взаимоотношениях со средой и состоянием клетки.

Так, дефицит органических питательных веществ и свет включают аппарат биосинтеза бактериородопсина, приводящий к формированию пурпурных мембран и их фотосинтетического аппарата. С другой стороны, свет ингибирует процессы дыхания, связанные с окислением органических молекул, работой цепи переносчиков электронов и окислительным фосфорилированием. Спектр действия этого процесса совпадает со спектром поглощения бактериородопсина. Наряду с фотоингибированием дыхания в кислых средах и при больших интенсивностях света отмечается обратный эффект—фотостимуляция дыхания (Ф. Ф. Литвин с сотр.), инициируемый, судя по спектрам действия, также бзктериородопсином.

Бактериородопсиновьш фотосинтез макроэргов у галофильных бактерий принципиально отличается от фотосинтеза у других растительных и микробных организмов по месту локализации аппарата и его устройству (плазматические мембраны вместо мембран хлоропластов), природе светопоглощающих хромофоров (бактериородопсин вместо хлорофилла), первичной фотохимической реакции (изомеризация ретиналя вместо окислительновосстановительных превращений пигмента), темновой утилизации световой энергии (транспорт протона вместо транспорта электронов) и эффективности трансформации световой энергии в химическую.

Рекомендуемая литература

(см. скан)

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление