Введение к работе
Актуальность проблемы. Фотосистема II высших растений и ци-анобактерий функционирует как НгО-пластохинон оксидоредуктаза. В этом процессе участвует ряд компонентов: H2O-»(Mn)4-*Yz->P680-*Pheo-*QA->QB->Qp-»Qz (bf-комплекс)
Фотосинтетическое окисление воды происходит путем последовательного накопления окислительных эквивалентов в Mn-кластере и включает четыре одноэлектронные стадии (Debus 1992). Состояния Mn-кластера обозначаются S^ где і - число окислительных эквивалентов. Состояния So и Si стабильны в темноте. Состояние Эд в мил-лисекундном временном интервале преобразуется в состояние So с сопутствующим выделением молекулярного кислорода. Состояния S2 и S3 не стабильны и релаксируют в темноте за десятки секунд до состояния St.
Несмотря на достигнутый прогресс, механизм окисления воды еще не выяснен. Один из подходов при решении этой проблемы включает использование соединений, способных ускорять дезактивацию S2- и Бз-состояний. Эта группа веществ представлена производными фенилгидразона, анилинотиофена и рядом других. Такие соединения предложено называть ADRY-агентами (Renger et al. 1973). Высказывались предположения об окислительно-восстановительном механизме действия этих соединений в ФС II. Известно, что ФС II способна окислять вещества различной химической природы, обладающие высоким окислительно-восстановительным потенциалом.
Сокращения: КВК, комплекс выделения кислорода в фотосистеме II; РЦ, реакционный центр; ФС, фотосистема; ANT2p, 2-(3-хлор-4-трифторметил)анилино-3,5-диннтротиофен; DBMIB, 2,5-дибром-3-метил-6-изопропил-п-бензохинон; DNP-INT, 2-йод-6-изопрошіл-3-метил-2',4,4'-тринитродифениловьій эфир; DPIP, 2,6-дихлорфенолиндофенол; FeCy, феррицианид калия; HQNO, 2-н-гептил-4-гидроксихинолин-Ы-оксид; (Mn)i, тетраядерный Mn-кластер КВК; Р680, реакционный центр ФС II; Pheo, промежуточный акцептор электрона в ФС II, феофитин а; Од и Ов, первичный и вторичный пластохиионы ФС II; Qc и Qz, центры связывания пластохинона в bf-цитохромном комплексе; Qp, пластохинон мембранного фонда; SiMo, кремнемолибдат натрия; Yd и Yz, остатки тирозчна-161 в полнпеи-тндах D2 и D, ФС И.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось изучение механизмов взаимодействия ФС II с кислотами ароматического ряда, представителями различных химических классов - фе-нилгидразона, бензимидазола и фенола. В качестве исследуемых веществ были отобраны следующие соединения: протонофорные разобщители - л-хлоркарбонилцианидфенилгидразон (ХКФ), одновременно являющийся сильным ADRY-агентом; 4,5,6,7-тетрахлор-2-трифторметилбензимидазол (ТТФБ) и пентахлорфенол (ПХФ), а также новое для исследований в области фотосинтеза вещество, антиоксидант 2,б-дитретбутил-4-метилфенол, ионол (рис. 1).
а он л-н
J" 1 N==0^ T О Ті Т
С)/^у \СЭ1 c^AVf сґЧА
Н CI'HFF сі
ХКФ ТТФБ ПХФ ионол
Рис. 1. Структурные формулы исследуемых соединений
Все эти вещества являются липофильными ароматическими кислотами, но обладают различной способностью к диссоциации протона. В задачи исследования входило:
1. Изучить действие протонофорных разобщителей и ионола на перенос электронов в хлоропластах и мембранах цианобактерий.
. 2. Изучить действие разобщителей на фотооксидазную активность хроматофоров Rhodospirillum rubrum.
-
Выяснить природу взаимодействия этих веществ с ФС II независимыми физико-химическими методами.
-
Исследовать электрохимические свойства исследуемых веществ методом циклической вольтамперометрии.
Научная новизна работы. Протонофорные разобщители ХКФ, ТТФБ и ПХФ являются эффективными ингибиторами фотосинтетического выделения Ог и сопряженного восстановления FeCy, но не
SiMo, в тилакоидных мембранах хлоропластов и цианобактерий. В присутствии разобщителей в ФС II формируется искусственная циклическая электронтранспортная система, включающая компоненты системы окисления воды в S2- и Бз-состояниях, компоненты РЦ ФС II, пластохинон мембранного фонда и молекулу разобщителя, функционирующего как редокс-переносчик. Эта система конкурирует за восстановительные эквиваленты с акцептором электронов, в результате одновременно подавляется выделение С>2 и восстановление FeCy. Антиоксидант ионол подавляет активность ФС II в тилакоидных мембранах цианобактерий и хлоропластов. В основе ингпбиру-гощего эффекта лежит способность ионола конкурировать с системой окислення воды за окислительные эквиваленты, возникающие в ходе фотохимической реакции, и проявлять свойства донора электронов для ФС II. В отличие от протонофорных разобщителей ионол не способен к образованию редокс-цикла в ФС II, его ингибирующий эффект является необратимым.
Практическое значение работы. Полученные в работе результаты демонстрируют возможность функционирования ФС II в присутствии протонофорных разобщителей в циклическом режиме. Действие разобщителей при оксигенном фотосинтезе следует учитывать при интерпретации результатов исследований в области физиологии растений и биоэнергетики. Антиоксидант ионол может быть использован в качестве эффективного донора электронов для ФС П.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоюзных конференциях "Преобразование световой энергии в фотосинтетических системах и их моделях" (Пущино, 1989), "Структурно-функциональная организация фотосинтетических мембран" (Пущино, 1993), на заседании кафедры клеточной физиологии и иммунологии Биологического факультета МГУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, изложения результатов и их обсуждения, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на ІІ& страницах, иллюстрирована рисунками и Л_ таблицами.