Светозависимый биосинтез хлорофилла
Покупка
Издательство:
Лаборатория знаний
Автор:
Беляева Ольга Борисовна
Под ред.:
Литвин Феликс Федорович
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 235
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-00101-800-1
Артикул: 629995.02.99
В книге последовательно рассматриваются этапы заключительного этапа биосинтеза хлорофилла от формирования активного протохлорофиллид-ферментного комплекса до путей образования пигментов реакционных центров фотосинтетических систем. Обсуждаются фундаментальные исследования прошлых лет и результаты новейших исследований, осуществленных с помощью современных методов молекулярной биологии. Большое внимание уделено приоритетным исследованиям российских ученых.
Для ученых-биофизиков, а также для преподавателей, аспирантов и студентов биологических вузов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 06.04.01: Биология
- 06.04.02: Почвоведение
- ВО - Специалитет
- 06.05.01: Биоинженерия и биоинформатика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
СВЕТОЗАВИСИМЫЙ БИОСИНТЕЗ ХЛОРОФИЛЛА О. Б. Беляева Москва Лаборатория знаний 2020 4е издание, электронное
УДК 577 ББК 28.57 Б44 Беляева О. Б. Б44 Светозависимый биосинтез хлорофилла / О. Б. Беляева ; под ред. проф. Ф. Ф. Литвина. — 4-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2020. — 235 с. — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный. ISBN 978-5-00101-800-1 В книге последовательно рассматриваются этапы заключительного этапа биосинтеза хлорофилла от формирования активного протохлорофиллид-ферментного комплекса до путей образования пигментов реакционных центров фотосинтетических систем. Обсуждаются фундаментальные исследования прошлых лет и результаты новейших исследований, осуществленных с помощью современных методов молекулярной биологии. Большое внимание уделено приоритетным исследованиям российских ученых. Для ученых-биофизиков, а также для преподавателей, аспирантов и студентов биологических вузов. УДК 577 ББК 28.57 Деривативное издание на основе печатного аналога: Светозависимый биосинтез хлорофилла / О. Б. Беляева ; под ред. проф. Ф. Ф. Литвина. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. — 232 с. : ил. — ISBN 978-5-94774-926-7. В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации ISBN 978-5-00101-800-1 c○ Лаборатория знаний, 2015 2
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Глава I. Протохлорофилл(ид) — предшественник хлорофилла в листьях растений . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 I.1. Множественность форм предшественника хлорофилла in vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 I.1.1. Химическая гетерогенность предшественника хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Протохлорофилл и протохлорофиллид. . . . . . . . . . . . 21 Моновинил- и дивинил-протохлорофилл(ид). . . . . . . . 26 К вопросу о синтезе протохлорофиллида в . . . . . . . . . 29 I.1.2. Спектрально различные формы протохлорофилла(ида) in vivo и их фотохимическая активность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Основные формы предшественника хлорофилла . . . . . 42 О двух пулах активной формы протохлорофиллида Пхлд655/650 . . . . . . . . . . . . . 47 Полосы поглощения и возбуждения флуоресценции основных форм предшественника хлорофилла в области 400–600 нм . . . . . . . . . . . . . 49 Спектры фосфоресценции основных форм предшественника хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Длинноволновые формы протохлорофилла(ида) . . . . . 53 I.2. Активные пигмент-ферментные комплексы предшественника хлорофилла: строение, функции и локализация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 I.2.1. Фотофермент НАДФН-протохлорофиллидоксидоредуктаза (ПОР) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Молекулярная структура. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Вторичная структура ПОР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Îãëàâëåíèå
Активный сайт ПОР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Специфичность ПОР к субстрату . . . . . . . . . . . . . . . . 64 I.2.2. Гетерогенность протохлорофиллидоксидоредуктазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 I.2.3. Локализация активного комплекса в пластидах, связь фотофермента с мембранами . . . . . . . . . . . . . . . 71 Связь ПОР с мембранами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 1.2.4. Роль агрегации протохлорофиллида и ПОР в образовании фотохимически активного комплекса . . 74 I.2.5. Дополнительные компоненты, ассоциированные с активным пигмент-ферментным комплексом этиолированных листьев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Флавины как компонент активного комплекса биосинтеза хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 О гипотетическом светособирающем пигмент-белковом комплексе этиопластов . . . . . . . . 81 Роль липидов в образовании активного комплекса протохлорофиллида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Минорные полипептиды как компоненты нативных комплексов предшественника хлорофилла. . . . . . . . 85 I.3. Регуляция биогенеза активного комплекса предшественника хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 I.3.1. Световая регуляция биосинтеза молекулы протохлорофиллида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 I.3.2. Световая регуляция биосинтеза протохлорофиллид-оксидоредуктазы (и, как следствие, активной формы протохлорофиллида) при участии фитохрома. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Cветовая регуляция транскрипции ПОР. . . . . . . . . . . 89 Регуляция накопления активной формы предшественника хлорофилла с участием фитохрома А . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Зависимость экспрессии генов ПОР от интенсивности света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 I.3.3. Регуляторная роль фитогормонов в формировании активного комплекса протохлорофиллида . . . . . . . . . . 93 Глава II. Фотохимическая стадия биосинтеза хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 II.1. Последовательность реакций при зеленении этиолированных листьев. Общая схема . . . . . . . . . . . . . . . 95 4 Оглавление
II.1.1. О двух последовательных фотохимических реакциях в процессе биосинтеза хлорофилла . . . . . . . 100 II.1.2. Разветвление цепи реакций биосинтеза хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 II.1.3 Темновая реакция Хлд690/680 Хлд695/685 . . 107 II.1.4. Коротковолновый темновой спектральный сдвиг Хлд695/685 Хл683/670. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 II.1.5. Завершающий длиннoвoлнoвый сдвиг и формирование нативных форм хлорофилла. . . . . . . 112 II.2. Развитие схемы фотохимических и темновых реакций заключительной стадии биосинтеза хлорофилла и пути биосинтеза пигментных компонентов реакционных центров двух фотосистем фотосинтеза . . . . . . . . . . . . . . . 115 II.2.1. Биосинтез феофитина а — компонента РЦ фотосистемы II, в процессе зеленения этиолированных листьев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 II.2.2. Биосинтез длинноволнового хлорофилла, возможного компонента РЦ ФС II, при зеленении этиолированных листьев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Образование нативных форм хлорофилла в этиолированных листьях в условиях теплового шока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Образование хлорофилла реакционных центров фотосистемы II в листьях растений на ранней стадии этиоляции. Роль длинноволновой формы протохлорофиллида как предшественника Р680 . . . 123 II.2.3. Фотобиосинтез хлорофилла в зародышевых листьях растений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 II.2.4. Циклическая схема превращений компонентов активного протохлорофиллид-ферментного комплекса в процессе биосинтеза хлорофилла [Schoefs and Franck 2008] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 II.2.5. Длинноволновая форма предшественника хлорофилла Пхл682/672 и ее роль в биосинтезе пигментов реакционных центров фотосистемы I . . . . 132 II.3. Заключительные стадии биосинтеза хлорофилла в зеленых листьях растений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Глава III. Элементарные реакции фотовосстановления протохлорофилла(ида) in vivo и in vitro . . . . . . . . . . . . 143 Оглавление 5
III.I. Первичные реакции фотовосстановления протохлорофиллида в листьях растений и выделенных пигмент-белковых комплексах. Лабильные интермедиаты, стабилизирующиеся при низких температурах. . . . . . . . . 144 III.1.1. Нефлуоресцирующий интермедиат Х690. . . . . . 144 III.1.2. Образование первого нефлуоресцирующего интермедиата R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Тушение флуоресценции активной формы протохлорофиллида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Фотообратимость первичной реакции. . . . . . . . . . . . 150 III.1.3. Две формы интермедиата Х690: R697 и R688 . . 154 III.2. Исследования быстрых стадий фотовосстановления протохлорофиллида in vivo при физиологических температурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 III.3. Первичные флуоресцирующие формы хлорофиллида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 III.4. Элементарные реакции фотовосстановления протохлорофилла(ида) в модельных системах. . . . . . . . . . 165 III.4.1. Фотовосстановления протохлорофилла(ида) в растворах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Фотовосстановление мономерного протохлорофилла(ида). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Фотовосстановление протохлорофилла в системах с агрегированным пигментом . . . . . . . . . . . . . . . . 168 III.4.2. Элементарные реакции фотовосстановления протохлорофиллида в реставрированных тройных комплексах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 III.5. О возможных механизмах фотовосстановления молекулы протохлорофиллида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 6 Оглавление
Посвящается памяти моих друзей и коллег Владимира Никифоровича Архипова и Николая Витальевича Игнатова.
Эта книга посвящена интересной и важной проблеме. Биосинтез хлорофилла в живой клетке создает возможность фотосинтеза — процесса, который, как известно, лежит в основе жизни на Земле, обеспечивая биосферу энергией за счет внешнего самого мощного и практически неиссякаемого источника. Автор сосредоточилась на наиболее интересной, как нам представляется, светозависимой стадии биосинтеза, протекающего преимущественно в клетках высших растений. Вначале казалось, что этот процесс должен быть очень простым — фотовосстановление одной из двойных связей предшественника хлорофилла. В книге развернут исторический путь познания, который привел к созданию детально рассмотренной сложной картины разветвленной цепи процессов различной природы — фотофизических, физико-химических, биохимических, а также молекулярно-биологические и молекулярно-генетические аспекты проблемы. Трудность изучения процесса во многом обусловлена тем, что многие его участники — пигмент-белковые комплексы — настолько лабильны, что разрушаются при попытке их изолирования из клеток и остаются недоступными для их индивидуального исследования. Поэтому значительная часть фактов была получена с помощью спектроскопических методов, позволяющих изучить процесс непосредственно при его протекании в живой клетке. Этот подход послужил основой многолетних исследований коллектива нашей кафедры, в которые значительный вклад внесли и труды автора книги, а также Николая Витальевича Игнатова и других коллег. Нельзя не отдать должного инициатору и вдохновителю этих работ — нашему учителю академику Александру Абрамовичу Красновскому, который был родоначальником современных исследований фотобиосинтеза хлорофилла в нашей стране и руководителем первой кандидатской диссертации в этой области на биологическом факультете. В последнее время наблюдается повышенный интерес к проблеме фотобиосинтеза хлорофилла, в частности, к ее физическим аспектам, к использованию новых методических возможностей, Ïðåäèñëîâèå
которые позволяют изучать процессы непосредственно при их протекании в физиологических условиях, без глубокого охлаждения объекта. Несомненно, будет развиваться до сих пор малоизученная, но очень важная проблема фотобиосинтеза хлорофилла и феофитина в зеленых листьях. Остается открытым и вопрос о взаимоотношениях пигмент-белковых комплексов, участвующих в биосинтезе хлорофилла и в самом фотосинтезе. Можно надеяться, что книга будет способствовать привлечению интереса к этой проблеме новых молодых исследователей. Заведующий кафедрой физико-химической биологии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, профессор Ф.Ф. Литвин 10 Предисловие
Биосинтез хлорофилла в листьях растений является одним из важнейших биологических процессов, поскольку он обеспечивает обновление и постоянный уровень основного фотосинтетического пигмента в клетках, а следовательно, эффективность фотосинтеза и продуктивность растений. Ежегодно в биосфере синтезируется более одного миллиарда тонн хлорофилла [Hendry et al. 1987]. Образование хлорофилла из его предшественника — протохлорофилла(ида) может осуществляться двумя путями. Независимое от света (темновое) превращение протохлорофилла(ида) в хлорофилл(ид) обнаруживается у цианобактерий, зеленых водорослей, мхов, папоротников и голосеменных. Реакция осуществляется с использованием энергии распада АТФ, с участием тиоловых восстановителей и катализируется ферментом, по своим свойствам подобным нитрогеназам и включающим три полипептида, кодируемые хлоропластными генами [Choquet et al. 1992; Burke et al. 1993; Li et al 1993; Fujita et al. 1993; Suzuki et al. 1997; Fujita and Bauer 2000]. Другой, более сложно регулируемый, путь завершения биосинтеза хлорофилла осуществляется в ходе светозависимой реакции превращения синтезированного в темноте протохлорофиллида в хлорофилл у всех высших растений, а также у некоторых низших растений и голосеменных. Главная особенность этого пути — необходимость энергии света для запуска процесса. Включение светозависимой стадии биосинтеза хлорофилла совместно с функционированием фоторегуляторной фитохромной системы можно рассматривать как важное эволюционное достижение всех высших растений. Оно обеспечивает возможность регуляции не только процесса биосинтеза хлорофилла, но и развития растения в целом. Прорастание растений, их «появление на свет» сопровождается быстрым (несколько часов) формированием всего фотосинтетического аппарата, обеспечивающим его самостоятельное автотрофное существование. Так же, как и хлорофилл, его предшественник протохлорофилл(ид) является магний-порфирином [Noack and Kissling 1930]. Ââåäåíèå
Молекула представляет собой замкнутую тетрапиррольную систему (пиррольные кольца А, В, С, Д) с сопряженными двойными связями (рис. 1). Четыре пиррольных кольца соединены между собой метиновыми мостиками, по перефирии большого кольца расположено восемь замещающих групп. Дополнительное гомоциклическое кольцо Е имеет карбонильный кислород и этерефицированную метиловым спиртом карбоксильную группу. Благодаря аналитическим и синтетическим исследованиям Фишера [Ficher, Mittenzwei and Oestreicher 1939; Ficher 1940; Ficher and Oestreicher 1940] было выяснено, что молекула протохлорофилла(ида) отличается от молекулы хлорофилла(ида) отсутствием двух атомов водорода в положении 17–18 четвертого пиррольного кольца (кольца D) макроцикла (рис.1). Таким образом, в основе заключительного этапа биосинтеза хлорофилла лежит реакция фотохимической гидрогенизации полуизолированной двойной связи С17-С18 в молекуле предшественника. Восстановление этой связи порфиринового макроцикла сопровождается существенным изменением симметрии молекулы и вследствие этого изменением спектра поглощения с резким усилением интенсивности длинноволновой полосы в красной области спектра. Сложность процесса фотобиосинтеза хлорофилла в живой клетке в значительной степени определяется строением, состоянием и гетерогенностью пигмент-белковых комплексов предшественника хлорофилла, сформированных перед световой стадией. Настоящая монография включает обзор, сравнительный анализ и обобщение результатов исследований активного пигмент-белкового комплекса предшественника хлорофилла и механизмов его превращения в нативные формы хлорофилла. Заключительная светозависимая стадия биосинтеза хлорофилла представляет собой сочетание реакций различной природы: фотофизических, фотохимических и биохимических. В результате этого многоступенчатого и разветвляющегося процесса происходит не только синтез молекулы хлорофилла, но и формируется несколько типов специфических пигмент-белковых структур, обеспечивающих функционирование двух фотосистем фотосинтеза и светособирающего комплекса. Исследование светового этапа биосинтеза хлорофилла затруднено в зеленых листьях растений из-за чрезвычайно низкого содержания протохлорофиллида и интермедиатов его превращения (на два-три порядка меньше по сравнению с хлорофиллом [Лосев и Гуринович 1969]). Поэтому для изучения фотобиосинтеза хлорофилла из протохлорофиллида преимущественно используются листья этиолированных (выращенных в полной темноте), или находящихся на ранних стадиях зеленения 12 Введение
Рис. 1. Структурные формулы молекул протохлорофилла(ида) (а) и хлорофилла(ида) (б). R1 соответствует СH2—CH3 для моновинильной формы пигмента и CH=CH2 — для дивинильной формы. R2 соответствует С20Н39 для протохлорофилла и хлорофилла и атому водорода — для протохлорофиллида и хлорофиллида
растений. Важнейшими методами исследования заключительного этапа биосинтеза хлорофилла являются спектральные методы. Фотосинтетические пигменты в растворе и в составе пигмент-белковых комплексов имеют характерные спектры в видимой области. Их исследование дает многостороннюю информацию не только об изменениях структуры молекул, но и о межмолекулярных пигмент-пигментных и пигмент-белковых взаимодействиях. Преимущества спектральных методов заключаются в их высокой чувствительности и быстроте измерений. Особенно существенным преимуществом является возможность исследования целостных лабильных макромолекулярных комплексов непосредственно в живой функционирующей клетке и в целых листьях растений. Последнее очень важно, поскольку активность протохлорофиллид-ферментного комплекса очень чувствительна даже к слабым воздействиям внешних факторов. Особенно перспективным оказалось предложенное А.А. Красновским и Ф.Ф. Литвиным применение низкотемпературной спектроскопии с использованием фиксации объекта жидким азотом или гелием для остановки процесса на избранной стадии без нарушения структуры объекта. В последние годы развитие молекулярно-биологических подходов, в том числе методов генной инженерии, позволило получить ряд ценнейших данных о строении белкового компонента активного пигмент-белкового комплекса предшественника хлорофилла. К истории изучения пигмент-белкового комплекса протохлорофилла Интенсивное исследование процесса биосинтеза хлорофилла началось в конце XIX— начале XX века, и уже тогда возникли основные представления об этом процессе как о световой реакции. В то время считалось, что предшественником хлорофилла служит бесцветное вещество — лейкофилл. Высказывалось также предположение, что начало хлорофиллу дает желтый пигмент этиолированных листьев «этиолин». В 1880 г. австрийские исследователи Микош и Штёр [Mikosch und Stohr 1880] впервые сообщили о присутствии в спиртовой вытяжке из этиолированных растений особого вещества, обладающего красной флуоресценцией и своеобразным спектром поглощения — с дополнительной (по сравнению с этиолином) полосой в оранжевой области спектра. Однако, они не придали большого значения этому факту. Существенный вклад в изучение биосинтеза хлорофилла и свойств его предшественника был сделан русскими учеными. В 1886 г. К.А. Тимирязев, исходя из наблюдений спектров поглоще 14 Введение