Введение к работе
Актуальность проблемы. Появление оксигенных фотосинтезирующих организмов более 2,5 млрд лет назад привело к резкому увеличению маштабов фотосинтеза, накоплению O2 в атмосфере Земли, кардинальной перестройке биосферы и возникновению аэробной жизни [Holland and Rye, 1998; Des Marais, 2000; Dismukes and Blankenship, 2005].
Кислород-выделяющая фотосистема 2 (ФС-2) растений и цианобактерий состоит из двух основных функциональных блоков: (1) фотохимического реакционного центра (РЦ), в котором происходит превращение энергии возбуждения хлорофилла, поглотившего квант света, в энергию разделенных зарядов, в результате чего образуется самый сильный биологический окислитель - катион-радикал первичного донора электрона - хлорофилла Р680 (Р680+), и (2) водоокисляющего комплекса (ВОК), который многократно окисляется с помощью Р680+ через вторичный донор электрона, YZ, и, в свою очередь, окисляет H2O до O2 [подробнее см. Renger, 2001]. Накопление окислительных эквивалентов, необходимых для четырехэлектронного окисления воды, происходит в Mn-кластере ВОК, содержащем четыре катиона Mn и один катион Ca [Umena et al., 2011].
Наиболее вероятными эволюционными предшественниками ФС-2 являются РЦ пурпурных бактерий, которые, так же как и РЦ ФС-2, относятся к типу II [Blankenship, 1992; Allen and Williams, 1998], хотя путь эволюционного перехода от аноксигенного фотосинтеза к оксигенному остается неясным. В бактериохлорофилл-содержащих РЦ аноксигенных бактерий значение среднеточечного окислительно-восстановительного потенциала (Em) пары Р870+/Р870 составляет лишь около 0,50 В [Lin et al., 1994], которого достаточно для окисления ионов железа, некоторых органических и сульфидных соединений, используемых аноксигенными фототрофами в качестве доноров электрона, но недостаточно для окисления марганца.
В последнее время развиваются представления о возможной роли Mn2+- бикарбонатных комплексов в эволюционном происхождении Mn-кластера ВОК [Dismukes et al., 2001; Kozlov et al., 2004; Dasgupta et al., 2006]. Электрохимические и ЭПР-измерения [Козлов с соавт., 1997; Kozlov et al., 2004; Dasgupta et al., 2006] показали, что в присутствии ионов бикарбоната
окисление ионов Mn2+ значительно облегчается: потенциал одноэлектронного
2+
окисления Mn2+, равный 1,18 В для водного комплекса, понижается до 0,61 и 0,52 В при формировании, соответственно, комплексов [Mn(HCO3)]+ и [Mn(HCO3)2]. Образование таких «легкоокисляемых» Mn -бикарбонатных комплексов облегчает фотоокисление Mn2+ в процессе фотоиндуцированного формирования неорганического ядра ВОК из фотосистемы 2, не содержащей
Л і Л_|_
Mn-кластер (апо-ВОК-ФС-2) и неорганических кофакторов Mn и Ca [Klimov et al., 1995a, b; 1997a; Allakhverdiev et al., 1997; Baranov et al., 2000; Baranov et al., 2004; Kozlov et al., 2004]. Кроме того, потенциал окисления Mn - бикарбонатных комплексов настолько низок (0,52 В), что можно ожидать их фотоокисление даже РЦ аноксигенных фотосинтезирующих бактерий.
Вследствие этого было предположено, что такие комплексы могли использоваться аноксигенными бактериями в качестве доноров электронов и «строительных блоков» в процессе формирования первых О2-выделяющих РЦ [Dismukes et al., 2001; Kozlov et al., 2004; Dasgupta et al., 2006].
Целью данной работы было экспериментальное исследование возможности донирования электрона от Mn2+ в присутствии бикарбоната на реакционный центр типа II аноксигенных фотосинтезирующих бактерий дикого типа. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
с помощью дифференциальной абсорбционной спектрофотометрии и ЭПР-спектрометрии исследовать возможность окислительно- восстановительного взаимодействия Mn2+ в присутствии бикарбоната с РЦ типа II аноксигенных фотосинтезирующих бактерий;
-
изучить специфичность окислительно-восстановительного взаимодействия пары «MnCl2 плюс NaHCO3» с РЦ исследуемых бактерий;
-
провести сравнительные исследования взаимодействия Mn2+ в присутствии бикарбоната с РЦ бактерий, различающихся по величине Em пары Р+/Р.
Научная новизна работы. Впервые с помощью методов оптической спектрофотометрии показана способность катиона
Mn2+
в присутствии
бикарбоната к редокс-взаимодействию с Р+ в РЦ типа II аноксигенных фотосинтезирующих бактерий дикого типа: Rhodovulum (Rh.) iodosum, Rh. robiginosum, Thiorhodospira (Th.) sibirica, Rhodobacter (Rb.) sphaeroides R- 26. С помощью ЭПР-спектроскопии выявлено, что NaHCO3 стимулирует фотоокисление Mn до Mn реакционными центрами Rh. iodosum. Установлено, что наблюдаемый в присутствии пары «MnCl2 плюс NaHCO3» эффект ускорения темнового ре-восстановления Р+ является специфичным для
Mn -бикарбонатных комплексов: добавление MnCl2 и NaHCO3 отдельно друг
2+
от друга, так же как и замена Mn2+ в присутствии NaHCO3 на другие
2+ 2+
двухвалентные катионы
(Mg2+, Ca2+)
или замена бикарбоната (в присутствии Mn ) на схожие по структуре анионы (формиат, ацетат, оксалат) приводит к потере эффекта. Результаты исследований зависимости эффекта от концентрации бикарбоната позволяют предположить участие электронейтрального комплекса [Mn(HCO3)2] (с потенциалом окисления Mn , равным 0,52 В) в донировании электрона на Р+ бактериальных РЦ (хотя не исключено и участие комплекса [Mn(HCO3)]+ в этой реакции). Обнаружено, что способность Mn2+ (в присутствии бикарбоната) к донированию электрона на Р+ зависит от величины окислительно-восстановительного потенциала пары Р+/Р, что подтверждает окислительно-восстановительную природу взаимодействия между Mn2+ и Р+.
Практическая значимость работы. Полученные данные вносят вклад в решение фундаментальной проблемы - изучение механизмов формирования и эволюции Mn-содержащего водоокисляющего комплекса фотосистемы 2, а также могут послужить основой для разработки принципов создания искусственных систем на основе пигмент-белковых комплексов, преобразующих и запасающих солнечную энергию.
Апробация работы. Результаты и основные положения работы были представлены на международной конференции «Биология: теория, практика, эксперимент» (Саранск, январь 2008 г.), 15-й международной Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 18-22 апреля 2011 г.), международной конференции «Экология и геохимическая деятельность микроорганизмов экстремальных местообитаний» (Улан-Удэ - Улаанбаатар, 5-16 сентября 2011 г.), VI-м съезде Российского фотобиологического общества (пос. Шепси, Краснодарский край, 15-22 сентября 2011 г.), школе-конференции молодых ученых на базе Института фундаментальных проблем биологии РАН «Биосистема: от теории к практике» (Пущино, 4-5 октября 2012 г.), международной конференции молодых ученых «Экспериментальная и теоретическая биофизика'12» (Пущино, 22-24 октября 2012 г.).
Личный вклад соискателя. Исследования по теме диссертации выполнены самостоятельно. Автор участвовал в постановке и решении всех экспериментальных задач, обработке результатов и формулировке выводов. Соавторы, принимавшие участие в совместных исследованиях, указаны в соответствующих разделах диссертации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе _4_ статьи: _1 статья в реферируемом научном российском журнале (из списка ВАК), _1 в реферируемом зарубежном журнале, _2_ в периодических научных изданиях и _6_ в материалах коференций.
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 112 страницах, иллюстрирована 47 рисунками. Список литературы содержит 181 источник (из них 172 на английском языке).
