Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

авлен 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 бактериородопси-нового фотосинтеза макроэргов?

Установлено, что свет, поглощаемый бактериородоп-сином 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: свет-*-А[хн+-^АТФ.

Н. halobium погибает в средах, содержащих менее 3,0 М NaCl; 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 а-спираль, образующую в

пределах одной молекулы семь тяжей, около 45 А длиной и ориентированных перпендикулярно к плоскости мембраны. 21 а-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 (М=26 000, одна субъединица) во многом похож на родопсин палочек сетчатки глаза (см. гл. VI). В молекуле этого хромопро-теида белковый носитель соединен ковалентной Шиффо-вой связью с ретиналем — альдегидом витамина А, соединяющей альдегидную группу ретиналя (СНО) с аминогруппой (NH2) аминокислоты лизина.

В бактериородопсине ретиналь находится в 13-цис-у в то время как в родопсине— в 11-^ис-конформации. Длинноволновый максимум поглощения свободного ретиналя располагается при 380 нм, а бактериородопсина — при 570 нм. 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 370 нм.

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 570 нм (Рно) в хромопротеид с максимумом поглощения при 600 нм (Реоо)- ПрЪ этом происходит фотоизомеризация ретиналя с превращением 13-^«с-изомера 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 25 пс, причем квантовый выход этого превращения составляет при —190° С величину, близкую к 0,3. Обратная реакция Реоо~^Рб7о протекает с большей эффективностью. Данные, полученные с помощью флеш-фото-лиза 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 (Рбоо ~" Р570), так и с темновой регенерацией исходного бактериородопсина. Следует отметить, что при физиологических условиях цикл завершается за несколько миллисекунд и на его заключительных стадиях (после P4i9) регистрируются продукты Рб4о и Р520. 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: Pg85> Рб65>

Р421, Р590, Рб2о и изучили их световые и темновые превращения (см. схему). Было установлено, что 1) три продукта Р585, Р565 и P42i расположены на пути терминальной стадии темновой регенерации Р570 и Р419; 2) все интерме-диаты способны к превращениям после поглощения второго кванта света; 3) первичные реакции бактериородопсина Р57о, происходящие при температуре —180° С, генерируют продукты, спектр поглощения которых сдвинут в длинноволновую сторону; 4) фотопревращения продуктов темновых реакций (Р550, Рш> Р565 и Р585) 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 (—196°С). (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 Р419, P42i И Р433 (полосы

при 376, 400, 421, 448 нм в спектре Pi2i) и наименее выражена у Р57о (полосы при 540, 578 и 608 нм).

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 светоиндуцированного электрохимического потенциала может достигать 150 мВ.

Позднее Остерхельт и Хесс обнаружили, что выброс протонов сопряжен со светоиндуцированным переходом ^570-^419, а их связывание мембраной — с обратным тем-новым переходом Рш Рмо* 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 Н+ 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 фосфо-липидной мембране с инкорпорированным в нее бактери-ородопсином. 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 долгожи-вущего интермедиата в цикле фотохимических превращений бактериородопсина. Оно составляет величину порядка 20—70 мс.

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 фос-фолипидными 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 Шиф-фово 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 P4i9—>Рт- Поэтому можно думать, что интермедиат Р419 характеризуется низким сродством к Н+

Итак, протон внутриклеточной воды эффективно связывается Шиффовым основанием бактериородопсина. Каким же способом и по каким субстратам достигает этот протон внешней поверхности мембраны? В. П. Ску-лачев 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 а-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 (от RH+ к RO~) осуществляется при их столкновении в результате конфигурационно-конформационных движений при структу

страница 20
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Фотобиология" (3.60Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(19.10.2019)