Лысак В.В. Микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

HC C

CC C C

COOH

1 2

3 4

5 6 7 8

HC C

CC C C

COOH

1 2

3 4

5 6 7 8

Фикобилипротеины поглощают свет в широком диапазоне длин волн

(450–700 нм) и разделяются по спектрам поглощения на три класса. Два

голубых пигмента аллофикоцианин и фикоцианин, максимумы поглоще-

ния которых находятся в области относительно больших длин волн,

288

Рис. 83. Фикобилины фикобилипротеинов у цианобактерий:

А – фикоцианобилин; Б – фикоэритробилин

встречаются у всех цианобактерий. У некоторых представителей этих

групп имеется и красный пигмент, фикоэритрин, поглощающий в более

коротковолновой области спектра. Фикобилипротеины находятся в осо-

бых гранулах, называемых фикобилисомами, которые расположены на

внешней поверхности тилакоидов. Энергия поглощаемого этими пиг-

ментами света с очень высокой эффективностью переносится в содер-

жащие хлорофилл фотохимические реакционные

центры, расположен-

ные в тилакоидах. Эти три класса фикобилипротеинов, различающихся

по спектрам поглощения, составляют цепь переноса энергии в фикоби-

лисомах (рис. 84).

Фикоэ

ит

ин

Тилакоидная мембрана

Аллофикоцианин

Фикоцианин

К вспомогательным фотосинтетическим пигментам, которые содер-

жат все прокариоты, относятся каротиноиды. Большинство из них по-

строено на основе конденсации восьми изопреноидных остатков. У неко-

торых каротиноидов полиизопреноидная цепь открыта и не содержит

циклических группировок. Такие каротиноиды называются алифатиче-

скими. У большинства каротиноидов на одном или обоих концах цепи

расположено

по ароматическому (арильные) или β-ионовому (алицик-

лические) кольцу. Выделяют также каротиноиды, не содержащие в мо-

лекуле кислорода и кислородсодержащие, которые называются ксанто-

филлами.

Рис. 84. Схематическое изображение части

тилакоида с прикрепленной фикобилисомой

Состав каротиноидов фотосинтезирующих прокариот весьма разно-

образен. Наряду с пигментами, одинаковыми у разных групп, для каждой

из них обнаружены уникальные каротиноиды или их наборы. Наиболее

разнообразен состав

каротиноидных пигментов у пурпурных бактерий,

из клеток которых выделено свыше 50 типов каротиноидов. В клетках

большинства пурпурных бактерий содержатся только алифатические ка-

ротиноиды, многие из которых принадлежат к группе ксантофиллов. Зе-

289

леные бактерии по составу каротиноидов отличаются от пурпурных. Ос-

новные каротиноиды зеленых бактерий – арильные, содержащие одно

или два ароматических кольца.

Каротиноидные пигменты поглощают свет в синем и зеленом участ-

ках спектра, т. е. в области длин волн 400–550 нм. Как и хлорофиллы, эти

пигменты локализованы в мембранах и связаны с мембранными белками

без образования ковалентных связей. Функции каротиноидов фотосинте-

зирующих прокариот многообразны. В качестве вспомогательных фото-

синтетических пигментов каротиноиды поглощают кванты света в ко-

ротковолновой области спектра, которые затем передаются на хлоро-

филл. Для некоторых галофильных бактерий показана ретиналя в ком-

плексе с бактериородопсином осуществлять особый бесхлорофилльный

тип фотосинтеза. Известно участие каротиноидов

в осуществлении реак-

ций фототаксиса, а также в защите клетки от токсических эффектов

синглетного (атомарного) кислорода.

Рассмотрим структурную организацию фотосинтетического аппарата

прокариот.

У каждой из основных групп прокариот фотосинтетический аппарат

организован по-разному. Это определяется тем, какие пигменты входят в

его состав, какие вещества являются переносчиками электронов и где

локализованы фотохимические

реакционные центры.

Фотосинтетический аппарат состоит из трех основных компонентов:

• светособирающих пигментов, поглощающих энергию света и пере-

дающих ее в реакционные центры;

• фотохимических реакционных центров, где происходит трансфор-

мация электромагнитной формы энергии в химическую;

• фотосинтетических электронтранспортных систем, обеспечиваю-

щих перенос электронов, сопряженный с запасанием энергии в молеку-

лах АТФ.

Два первых компонента фотосинтетического аппарата состоят из

пигментов (табл. 9). Фотосинтетические электронтраспортные системы у

разных групп бактерий содержат свои специфические переносчики и бу-

дут рассмотрены ниже.

Фотосинтезирующие бактерии отличаются друг от друга и по распо-

ложению в

клетке компонентов фотосинтетического аппарата. Два ком-

понента этого аппарата – фотохимические реакционные центры и фото-

синтетические электронтранспортные системы – у всех фототрофных

бактерий локализованы в цитоплазматической мембране и ее производ-

ных (тилакоидах). Локализация же светособирающих пигментов в раз-

ных группах фотосинтезирующих прокариот различна. У пурпурных

290

бактерий, гелиобактерий и прохлорофит светособирающие пигменты в

виде комплексов с белками интегрированы в мембранах. В клетках зеле-

ных бактерий основная масса светособирающих пигментов находится в

хлоросомах, у цианобактерий – в фикобилисомах.

Таблица 9

Функции различных пигментов в фотосинтезе

(по М. В. Гусеву и Л. А. Минеевой, 2003)

Пигменты Пурпурные

бактерии

Зеленые

бактерии

Гелиобак-

терии

Циано-

бактерии

Прохло-

рофиты

Хлорфиллы

Бактерио-

хлорофилл

а или b

Бактерио-

хлорофиллы

а + с, a + d,

a + e

бактерио-

хлорофилл g

Хлорофилл а Хлоро-

филлы

a + b

Фикобили-

протеины

Нет Нет Нет Фикоцианин,

аллофико-

цианин, фико-

эритрин

Нет

Светособирающие пигменты

Основные

каротиноиды

лифатичес-

кие и ариль-

ные

Арильные и

алицикли-

ческие

Единствен-

ный алифа-

тический:

нейроспорин

Алицикличе-

ские

лицик-

лические

Хлорофиллы,

входящие в со-

став реакционно-

о центра

Бактерио-

хлорофилл

a или b

Бактериох-

лорофилл а

Бактериох-

лорофилл g

Хлорофилл а Хлоро-

филл а

9.1.1. Фотосинтез у прокариот

Под фотосинтезом понимают происходящее в клетках фототроф-

ных организмов преобразование световой энергии в биохимически дос-

тупную энергию (АТФ) и восстановительную силу (НАДФ·Н

), а также

связанный с этими процессами синтез клеточных компонентов.

Фотосинтез начинается с поглощения квантов света молекулами хло-

рофилла, бактериохлорофилла и другими пигментами. Молекула пиг-

мента, воспринявшая квант света, переходит в возбужденное состояние,

которое длится очень недолго (≤ 10

–9

с) и заканчивается возвращением ее

к исходному, стабильному уровню. Этот переход сопровождается либо

передачей возбужденного состояния другой молекуле пигмента, либо

потерей сообщенной энергии в виде тепла, флуоресценции или фосфо-

ресценции. Если энергия электронных возбужденных состояний переда-

ется по комплексу пигментов, то некоторое ее количество может дости-

291

гать фотохимических реакционных центров, где происходит превраще-

ние световой энергии в химическую (табл. 10).

Таблица 10

Фотохимические реакционные центры фототрофных бактерий

(по М. В. Гусеву и Л. А. Минеевой, 2003)

Состав фотохимических реакционных

центров

Группы фотосинтезирующих

эубактерий

Первичный

донор

электронов

Первичный

акцептор

электронов

Вторичный

акцептор

электронов

Пурпурные серные и несерные

бактерии

Б/хл а (П

870

)

Б/хл b (П

960

)

Б/феоф а

Б/феоф b

Убихинон,

менахинон

нитчатые Б/хл a (П

865

) Б/феоф a Менахинон

Зеленые бактерии

серные Б/хл a (П

840

) Б/хл с (П

663

) FeS

Гелиобактерии Б/хл g (П

798

) Б/хл g (П

670

)

Хинон в ком-

плексе с FeS

ФС I Хл а (П

700

) Хл а FeS

Цианобактерии

ФС II Хл a (П

680

) Феоф a Пластохинон

ФС I Хл а (П

700

)

Информация

отсутствует

Информация

отсутствует

Прохлорофиты

ФС II Хл a (П

680

)

Информация

отсутствует

Информация

отсутствует

П р и м е ч а н и е: ФС – фотосистема; б/хл – бактериохлорофилл; хл – хлорофилл;

б/феоф – бактериофеофитин; феоф – феофитин; П – фотохимически активные формы

хлорофилла с указанием длины волны, при которой происходит индуцированное све-

том изменение поглощения пигмента; FeS – железосеросодержащие белки.

Молекулы хлорофилла или бактериохлорофилла (первичные доноры

электронов) фотохимического реакционного центра тесно сопряжены с

молекулами первичного акцептора электронов и поэтому возбужденная

молекула хлорофилла или бактериохлорофилла может отдавать им элек-

трон. Отдав электрон, молекула хлорофилла или бактериохлорофилла

приобретает способность акцептировать электрон. Чтобы предотвратить

возвращение электрона на молекулу донора, вторичный акцептор при-

нимает электрон

от первичного акцептора и стабилизирует таким спосо-

бом разделение зарядов. Реакции обратимого окисления-восстановления

хлорофилла под воздействием света происходят в фотосинтетическом

реакционном центре и являются «первичными» химическими реакциями

фотосинтеза.

Электрон со вторичного акцептора поступает в фотосинтетическую

электронтранспортную цепь и по ее переносчикам может возвращаться

на хлорофилл или бактериохлорофилл фотохимического реакционного

центра. Последними переносчиками фотосинтетической электронтранс-

292

портной цепи, т. е. непосредственными донорами, с которых электроны

поступают на хлорофилл или бактериохлорофилл реакционного центра,

у фотосинтезирующих организмов в большинстве случаев служат цито-

хромы типа с. Возвращение электрона на хлорофилл фотохимического

реакционного центра – темновой процесс. Электрон перемещается по

цепи переносчиков в соответствии с электрохимическим градиентом. Та-

кой транспорт электронов получил

название циклического.

Кроме циклического транспорта электронов, у фотосинтезирующих

прокариот существует нециклический путь переноса электронов. При

этом электрон, «оторванный» от молекулы хлорофилла реакционного

центра (первичного донора), по электронтранспортной цепи, состоящей

из переносчиков электронов, не возвращается к молекуле хлорофилла

реакционного центра, а передается на такие центральные метаболиты

клетки, как НАДФ

или окисленный ферредоксин. Таким образом, элек-

трон покинувший молекулу хлорофилла, выводится из «системы». Воз-

никает однонаправленный незамкнутый электронный поток, получив-

ший название нециклического пути переноса электронов.

Показано, что у пурпурных и зеленых нитчатых бактерий функцио-

нирует только циклический светозависимый поток электронов. У ос-

тальных групп фотосинтезирующих прокариот фотоиндуцируется как

циклический,

так и нециклический перенос электронов.

Поток электронов по цепи переносчиков при фотосинтезе на опреде-

ленных этапах сопряжен с направленным перемещением протонов через

мембрану, что приводит к созданию протонного градиента, который при

участии фермента АТФ-синтазы используется для синтеза молекул АТФ.

Фосфорилирование, сопряженное с циклическим потоком электро-

нов, получило название циклического фотофосфорилирования

. Соот-

ветственно нециклическим фотофосфорилированием называют синтез

АТФ, сопряженный с нециклическим электронным транспортом.

Рассмотрим, как происходит оксигенный и аноксигенный фотосин-

тез.

Оксигенный фотосинтез характерен для цианобактерий и прохло-

рофит. При оксигенном фотосинтезе работают две пигментные системы,

включающиеся последовательно. Пигментную систему цианобактерий,

возбуждаемую более длинноволновым светом (λ < 730 нм), называют

фотосистемой I. Она содержит

хлорофилл (хл а

) (П

700

) – первичный до-

нор электронов в первой фотореакции. Световая энергия, поглощаемая

светособирающими пигментами фотосистемы I, передается в реакцион-

ный центр и переводит в возбужденное состояние хл а

. Далее хл а

от-

дает один электрон, при этом он окисляется и превращается в хл а

293

Вторичным акцептором отданного электрона служит железосерный бе-

лок. Он обладает еще более отрицательным окислительно-восстанави-

тельным потенциалом и в свою очередь способен отдавать электрон фер-

редоксину, а с восстановленного ферредоксина восстановительная сила

может передаваться на НАДФ

или другие акцепторы. Наряду с этим

возможен и циклический перенос электронов, при котором электрон от

железосодержащего белка передается на пластохинон, цитохромы и пла-

стоцианин обратно к хлорофиллу а

реакционного центра.

Реакционный центр фотосистемы II содержит хлорофилл а

(хл а

)

(П

680

*), который служит первичным донором электронов во второй фо-

тосистеме. Получив энергию, поглощенную светособирающими пигмен-

тами фотосистемы II, хлорофилл а

переходит в возбужденное состоя-

ние. Электрон принимает молекула первичного акцептора феофитина а,

а затем он передается на молекулу пластохинона, который при этом вос-

станавливается до семихинона. Донором электронов для фотосистемы II

служит вода. «Дырка», образовавшаяся в хл а

в результате потери элек-

трона, заполняется одним из электронов, освобождающихся в результате

образования О

при разложении Н

О:

Разложение воды происходит при участии ионов марганца.

2Н

О О

+ 4Н

+ 4е

–

Две описанные выше пигментные системы связаны между собой

электронтранспортной цепью, важным звеном которой является пласто-

хинон, который находится в большом избытке и выполняет функцию на-

копителя (депо) электронов. Этот накопитель может связывать не менее

10 электронов. Окисление пластохинона осуществляет фотосистема I,

т. е. электроны «накопителя»

расходуются на заполнение «дырок» в

хл а

. От пластохинона электроны передаются последовательно железо-

серному белку, комплексу b

/f, затем пластоцианину и, наконец, хлоро-

филлу а

. Таким образом, пластохинон выполняет важную функцию на-

копления и дальнейшей передачи электронов, поступающих из несколь-

ких электронтранспортных цепей. Схематически пространственную ори-

ентацию электронтранспортной системы внутри тилакоидной мембраны

можно изобразить следующим образом (рис. 85).

Таким образом, две фотосистемы вместе со связывающей их элек-

тронтранспортной цепью обеспечивают направленный поток электронов

от воды (с

внутренней стороны тилакоидной мембраны) к НАДФ

(с

внешней стороны). В результате происходит восстановление НАДФ

образование заряда на мембране. Иными словами, световые реакции вы-

ступают в роли протонного насоса, который работает за счет энергии

294

света и создает положительный заряд внутри тилакоида, мембрана акку-

мулирует энергию в форме протонного потенциала, и эта энергия ис-

пользуется для синтеза АТФ.

, мB

Фотосистема I

700

Фотосистема II

680

700

Феоф

ПХ

FeS

Свет

FeS

Фд

–

Фп

НАДФ

Фвд

Фд

комплекс b

ПЦ

553

–1000

НАДФ · Н

–

Свет

Протонный

адиент

1/2О

–

680

+1000

Рис. 85. Организация фотосинтетического аппарата у цианобактерий:

феоф – феофитин; FeS – железосеросодержащий белок; Фд – ферредоксин; Фвд – флаво-

доксин; Фп – флавопротеин; ПХ – пластохинон; ПЦ – пластоцианин; с

553

, b

f – цитохромы;

700

* – хл а

реакционного центра; П

680

* – хл а

реакционного центра; А

– первичный акцеп-

тор электрона

Аноксигенный фотосинтез характерен для пурпурных и зеленых

бактерий, гелиобактерий, в клетках которых содержатся пигменты для

функционирования только одной фотосистемы, а в процессе фотосинтеза

кислород не выделяется, хотя фотореакции у них различаются.

Рассмотрим фотореакции у пурпурных и зеленых нитчатых бактерий.

Энергия, поглощенная светособирающими пигментами (бактериохлоро-

филлом и каротиноидами) передается бактериохлорофиллу фотохимиче-

ского

реакционного центра. Первичным акцептором электронов служит

бактериофеофитин а или b. Далее электроны возвращаются с участием

295

ряда переносчиков электронтранспортной цепи на молекулы бактерио-

хлорофилла фотореакционного центра. В результате такого циклическо-

го транспорта электронов синтезируется энергия, аккумулируемая в мо-

лекулах АТФ. Восстановительная сила (НАД · Н

или НАДФ · Н

) обра-

зуется в результате обратного транспорта электронов (переноса против

электрохимического градиента) по электронтранспортной цепи за счет

энергии, генерируемой в процессе циклического транспорта электронов.

Это темновой процесс, донорами электронов которого являются экзоген-

ные вещества (Н

S, тиосульфат, молекулярный водород, органические

соединения) (рис. 86).

, мB

–1000

б/хл а* или b*

б/феоф а или b

НАД

МХ или УХ

Фп

–

МХ

свет

555

–

552

/Фп

552

+1000

б/хл а или b

870

или П

960

Рис. 86. Организация фотосинтетического аппарата у пурпурных бактерий:

б/хл – бактериохлорофилл; б/феоф – бактериофеофитин; Фп – флавопротеин;

MX – менахинон; УХ – убихинон; b, с, с

552

, с

555

– цитохромы

Таким образом, у пурпурных и зеленых нитчатых бактерий имеется

циклический транспорт электронов, в процессе которого образуется

296

АТФ, и обратный транспорт электронов, при котором синтезируется вос-

становитель НАД · Н

или НАДФ · Н

У зеленых серобактерий и гелиобактерий в результате фотохимиче-

ской реакции одного типа индуцируется как циклический транспорт

электронов, приводящий к образованию АТФ, так и нециклический, при

котором образуется восстановитель (рис. 87).

, мB

б/хл а*

663

–1000

–

Фд

Фп

МХ

НАД

свет

–

553

+1000

б/хл а

840

Рис. 87. Организация фотосинтетического аппарата у зеленых серобактерий:

б/хл – бактериохлорофилл; б/феоф – бактериофеофитин; FeS – железосеросодержащий бе-

лок; Фд – ферредоксин; Фп – флавопротеин; MX – менахинон; b, с, с

553

– цитохромы

Таким образом, в процессе фотохимических реакций у различных

представителей фототрофных бактерий образуются молекулы АТФ и

восстановителей НАД · Н

или НАДФ · Н

. Эти первые стабильные про-

дукты фотосинтеза используются в конструктивном метаболизме бакте-

297