Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Ингибирование фотосинтеза у цианобактерий пероксидом водорода

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Безряднов, Дмитрий Васильевич

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Пероксид водорода и другие активные формы кислорода.

1.1. Генерация Н2О2 клетками кислородвыделяющих фотосинтетиков.

1.2. Генерация и действие других АФК.

1.3. Клеточный метаболизм и Н2О2.

2. Защита от активных форм кислорода в клетках цианобактерий.

2.1. Каталазы.

2.2. Пероксидазы.

2.3. Супероксиддисмутазы.

3. электронтранспортные цепи цианобактерий.

3.1. Дыхательная цепь.

3.2. Фотосинтетическая цепь.

3.2.1. Фотосистема II и ее антенна.

3.2.1.1. Фотосистема II.

3.2.1.2. Антенные комплексы.

3.2.2. Электронный транспорт в ФСН.

3.2.3. ЬбЛцитохромный комплекс.

3.2.4. Фотосистема 1.

4. КВК ФСП: структура, функционирование и взаимодействие с Н

4.1. Структура КВК.

4.2. Функционирование КВК.

4.3. Взаимодействие КВК с пероксидом водорода.

5. Фотоингибирование.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1. Объекты исследования.

1.1. Культивирование цианобактерий.

1.2. Подготовка суспензии клеток к работе.

2. Методы исследования.

2.1. Измерение концентрации хлорофилла.

2.2. Измерение концентрации пероксида водорода.

2.3. Оксиметрия.

2.4. Фотометрические методы работы.

2.5. ЭПР.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

1. Культивирование цианобактерий в присутствии Н202 и его внутриклеточных генераторов.

1.1. Диализное культивирование с Н2О2.

1.2. Периодическое культивирование с Н2О2.

1.3. Периодическое культивирование с внутриклеточными генераторами Н202.

2. Действие Н202 на продукцию фотосинтетического 02.

3. Состояние электронного транспорта в ФЭТЦ цианобактерий преинкубированных с Н202 и его внутриклеточными генераторами.

3.1. Влияние преинкубации клеток с Н202 на транспорт электронов через ФСП.

3.2. Влияние преинкубации клеток с Н202 на транспорт электронов через

ФСИ в присутствии добавленных доноров.

3.3 Влияние внутриклеточных генераторов Н2О2 на транспорт электронов в фотосинтетической цепи.

4. ЭПР-сигналы Mn2+ и Р700+ в присутствии Н202.

4.1. Изменение сигнала Мп в водном окружении.

4.2. Изменение кинетики сигнала Р700+.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Ингибирование фотосинтеза у цианобактерий пероксидом водорода"

Кислород послужил одним из основных направляющих факторов эволюции на Земле. Взаимодействие живых организмов с кислородом привело к формированию аэробного типа метаболизма, что явилось огромным скачком в энергетике живых систем, так как в этом процессе выход АТР на одну молекулу глюкозы в 18 раз больше, чем при анаэробном метаболизме (при гликолизе). Роль кислорода в формировании биологического разнообразия, однако, не ограничилась появлением кислородного дыхания. Многие другие сигнальные, защитные и регуляторные функции современных клеток Так или иначе связаны с молекулярным кислородом. Кроме того при эволюции биосферы Земли озоновый слой кислородной атмосферы, став защитой от жесткого ультрафиолета, позволил живым организмам заселить поверхность планеты. При повышенных концентрациях в клетках кислород представляет опасность, в первую очередь это относится к кислородвыделяющим фото-синтезирующим организмам.

Оксигенный фотосинтез, открытый более двухсот лет назад, характерен для фотолитоавтотрофов — первичных продуцентов экологических пищевых цепей, которые ответственны за формирование основной доли биомассы нашей планеты. Этим типом фотосинтеза обладают эукариотические организмы — высшие растения и водоросли, а также прокариотические организмы — цианобактерии и Рго-chlorales. Если придерживаться принятой большинством точки зрения на происхождение кислородной атмосферы, которая считается продуктом жизнедеятельности оксигенных фотосинтезирующих организмов, то, очевидно, что первыми поставщиками кислорода для атмосферы стали предки современных цианобактерий. Основываясь на ископаемых останках, можно утверждать, что цианобактерии появились на Земле около 3,5 млрд. лет назад (Schopf, 1993). И хотя появление значимых концентраций кислорода в атмосфере прослеживают с периода около 2,5 млрд. лет назад, геохимики предлагают возможные объяснения такого несоответствия. Одни считают, что уровень кислорода оставался очень низким в течение этого миллиарда лет, но в связи с геологической активностью и уменьшением количества редуцирующих веществ на поверхности Земли 2,5 млрд. лет назад он стал возрастать (Nis-bet and Sleep, 2001; Sleep, 2001). Другие считают, что уровень кислорода вырос до современного в течение 30 млн. лет 3,5 млрд. лет назад, а отсутствие окисленных соединений в отложениях этого возраста является следствием геологических процессов (Copley, 2001).

Цианобактериям, вероятно, первым пришлось создавать защиту от кислорода и использовать ее для нужд клетки. Таким образом, изучение клеточных систем цианобактерий, взаимодействующих с кислородом и его частично восстановленными, так называемыми активными формами (АФК), имеет большое значение, прежде всего в эволюционном аспекте. В первую очередь это относится к кисло-родвыделяющему комплексу (КВК) и фотосистеме (ФС) II, которые непосредственно участвуют в выделении О2, а также к фотосинтетической электронтранспортной цепи (ФЭТЦ) в целом, в связи с ее способностью генерировать АФК.

Из АФК пероксид водорода вызывает в последнее время повышенный интерес (Самуилов, 1997; Blankenship and Hartman, 1998). Неоднократно отмечалось его образование в фотосинтетических цепях. Основным источником образования принято считать реакцию Мелера, когда Н2О2 образуется при сбросе электронов на кислород через ФС1 (преимущественно с железосерных центров и, в меньшей степени, ферредоксина) и последующей реакции диспропорционирования супероксидных анион-радикалов супероксиддисмутазой (Mehler, 1951; Fujii et al., 1990; Foyer, 1995). В клетках цианобактерий в зависимости от условий до 40% общего потока электронов может акцептироваться молекулами О2 (Дубинин и др., 19926). Однако 8 многие данные свидетельствуют об образовании Н2О2 в акцепторной и донорной ветвях ФСП (Schroder and Akerlund, 1986; Wydrzynski et al., 1989; Ananyev et al., 1992; Klimov et al., 1993; Ananyev et al., 1994). Существует мнение, что H2O2 может являться связанным промежуточным продуктом в реакциях окисления воды кисло-родвыделяющим комплексом (Ananyev et al., 2001; Renger, 2001). В последние годы были высказаны гипотезы о возможной роли Н2О2 как эволюционного предшественника воды в качестве донора электронов для ФСП (Bader, 1994; Blankenship and Hartman, 1998) и даже как постоянного донора электронов при современном фотосинтезе (Комиссаров, 1995). Совокупность этих данных, гипотез и представлений делает актуальным изучение взаимодействия Н2О2 с клетками цианобактерий и цианобактериальным фотосинтетическим аппаратом, в частности с ФСП и связанным с ней КВК.

Обзор литературы

Заключение Диссертация по теме "Микробиология", Безряднов, Дмитрий Васильевич

Заключение

Воспроизведем общую картину действия Н2О2 на фотосинтетическую элек-тронтранспортную цепь цианобактерий. Подавление роста, фотосинтетического выделения О2 и электронного транспорта говорят о нарушениях в ФЭТЦ. Причем ингибирование выделения фотосинтетического кислорода и электронного транспорта в присутствии акцепторов электронов FeCy + БХ показывает, что оно происходит на уровне ФСП. Исследование функциональной стабильности ФСП и ФС1 после инкубации с генераторами Н2О2 показывает, что нарушается функция именно ФСП. Нарушение функции ФСП происходит в течение ~1 ч при инкубации клеток цианобактерий в низких миллимолярных концентрациях Н2О2. При добавке Н2О2 и его быстром удалении экзогенной каталазой нарушения функции ФЭТЦ практически не происходит.

В то же время непосредственно после добавки Н2О2 наблюдается замедление электронного транспорта, регистрируемое по темновому затуханию фотоиндуцированного сигнала Р700+. Кроме того показано восстановление части внутриклеточ

2+ ного марганца до Мп и, вероятно, его выход из связанного состояния.

Возникает вопрос, каким образом замедление электронного транспорта непосредственно после добавки Н2О2, регистрируемое по темновому восстановлению Р700+, связано с ингибированием электронного транспорта, после длительной инкубации с Н2О2?

В связи с отсутствием электронного транспорта после длительной инкубации с Н2О2, а также с невозможностью его реактивации искусственными донорами электронов, можно предположить, что в течение времени инкубации происходит деградация комплексов ФСП, сходная с таковой при фотоингибировании. Механизм деградации может зависеть от восстановленного марганца (Мп2+). Известно,

92 что Мп2+ может вступать в реакции, сходные с реакциями цикла Хабера-Вейса (Stadtman et al., 1990). Однако нельзя исключить и другие механизмы ведущие к деградации комплексов ФСП в присутствии Н2О2.

93