Диссертация (1105090), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Этот процесс разделяют на две стадии: O-J-I-P - быстрая индукцияфлуоресценции (БИФ), характерное время которой составляет 1 с, и P-S-M-T −медленная индукция флуоресценции (МИФ), обычно растянутая на несколькоминут.21По современным литературным данным, начальная стадия БИФ O-J связана свосстановлением первичного акцептора электрона QA (состояния QAQB иQAQB), переход J-I интерпретируется как увеличение концентрации вторичноговосстановленногопереносчикаQB,пикPможетозначатьдостижениемаксимальной концентрации QAQB2 и PQH2 [14]. Последующий спад (стадия P–S) связан c началом образования ∆pН на мембране тилакоидов и активациейферментов на акцепторной стороне ФC I.
Наиболее быстро на свету активируетсятерминальный фермент электронно-транспортной цепи – Фд-НАДФ+-редуктаза:уже через несколько секунд освещения ускорение оттока электронов от ФC Iспособствует уcкоpению электронного транспорта между ФC2 и ФC1 и,соответственно, реокислению Q– , при этом флуоресценция Xл a уменьшается. Настадии S–M происходит замедление электронного транспорта между ФC II и ФC Iза счет генерации ∆pН.Тушение флуоресценции на стадии M–Т обычно подразделяют нафотохимическое, связанное c изменением окислительно-восстановительногосостоянияпервичныхнепосредственносакцепторовэтимэлектронасостояниемнеФС2,исвязанное.нефотохимическое,Однаизпричиннефотохимического тушения – образование ∆pН и перераспределение энергиивозбуждения в пользу ФC1 пpи фоcфоpилиpовании белков CCК. Эффективностьфотохимического тушения обычно определяют по величине коэффициента ΦPSII(эффективный квантовый выход ФС2) или коэффициента qP (фотохимическоетушение), определяемых методами импульсной флуориметрии (подробнее окоэффициентах см.
п. 1.4). Величину нефотохимического тушения оценивают припомощи коэффициента нефотохимического тушения qN или NPQ (коэффициентШтерна Фольмера) [26]. Зависимость нефотохимического тушения от времениявляется многокомпонентной, и в этом процессе задействовано несколькомеханизмов, рассмотренных ниже.22Рис. 5.
Схема индукционных изменений флуоресценции фотосинтезирующихобъектов.Энергизация тилакоидной мембраны.Высокаяинтенсивностьвозбуждающегосветаможетпривестикобразованию молекул хлорофилла в триплетном состоянии и синглетногокислорода, поэтому фотосинтезирующим организмам необходимы эффективныерегуляторные механизмы, позволяющие защитить фотосинтетический аппарат отповреждений, вызванных световым стрессом [27].Освещение образца, адаптированного к темноте, светом насыщающейинтенсивности приводит к быстрому закислению люмена и возникновениюградиента pH (ΔpH) на мембране тилакоидов. Снижение pH внутритилакоидногопространства приводит к активации белка Psbs путем протонирования остатковглутаминовой кислоты (при этом возникает энергозависимая компонента23нефотохимического тушения флуоресценции (qE)), а также превращениювиолаксантина в зеаксантин (виолаксантиновый цикл) [28].Белок PsbS.Регуляторный белок PsbS играет ключевую роль в быстрой активации иполном развитии NPQ в условиях высокой освещенности.
Белок состоит изчетырех трансмембранных субъединиц (рис. 6). Спирали 1 и 3, а также 2 и 4имеют высокое сходство, вследствие чего возникает симметричная структурабелка.Двепетли,располагающиесявлюмене,такжесхожиепопоследовательностям аминокислот, имеют по одному остатку глутаминовойкислоты, восстановление которого приводит к активации PsbS. Мутантные погену npq4 растения Arabidopsis thaliana с выраженной нехваткой PsbS проявляютснижение нефотохимического тушения [29], в то время как у мутантов L17 сизбыточной экспрессией данного белка зафиксирован повышенный уровень NPQ[30].
Методом электронной микроскопии было установлено, что у растений снехваткой PsbS фотосистемы 2 образуют в мембранах полукристаллическиемассивы, а в случае переизбытка белка подобные массивы отсутствуют [31].Рис. 6. Структура белка PsbS (по [34]).24Вработе[32]былопроведеноисследованиевлияниядефектовсветособирающей антенны и экспрессии белка PsbS на структуру комплексовфотосинтетического аппарата в тилакоидных мембранах. Было установлено, чтопри избытке PsbS расстояния между комплексами ССК2 в среднем сокращаютсяпо сравнению с контрольными растениями, а расстояния между ФС2увеличиваются, при недостатке PsbS отмечена обратная тенденция.
Также былозафиксировано снижение доли мобильных пигмент-белковых комплексов на 25%у мутантов npq4 и повышение доли этих комплексов у L17 на 25%. При этомвеличина NPQ изменялась пропорционально доли мобильных протеинов, а долядеэпоксидированных ксантофиллов оставалась примерно одинаковой во всех трехвариантах. Таким образом, белок PsbS уменьшает вязкость мембраны, недопуская образования больших кластеров ФС2, что позволяет большему числулабильныхССК2диссоциироватьсФС2,увеличиваятемсамымнефотохимическое тушение.Исследование экспрессии белка PsbS у различных экотипов традесканциивыявило двукратное увеличение содержания белка, приходящегося на один центрP700,усветолюбивойтрадесканцииT. silamontanaпосравнениюстеневыносливой T.
fluminensis [33]. При этом адаптация растений к свету высокойинтенсивности увеличивает содержание PsbS примерно в 1,71,8 раз. Эти данныееще раз подтверждают ключевую роль белка PsbS в процессе нефотохимическоготушения и показывают, что уровень экспрессии белка зависит от генотипа иусловий внешней среды.При всей имеющейся информации точный механизм запуска энергетическоготушения белком остается неизвестным. Последние исследования подтверждаютидею о прямом взаимодействии между ССК и PsbS при возникновении qE, однаконе исключено опосредованное действие белка на этот процесс в роли pHчувствительного триггера или катализатора [34].25Виолаксантиновый цикл.Изменение интенсивности освещения зеленого листа стимулирует вхлоропластах обратимые превращения ксантофиловых пигментов, связанных восновном с белками ССК.
При этом на активацию так называемоговиолаксантинового цикла напрямую влияет градиент pH, и запуск циклавозможен даже в изолированных тилакоидах в условиях темноты посредствомизменения pH буферного раствора или гидролиза АТФ [35].В хлоропластах высших растений, а также зеленых и коричневых водорослейпри снижении pH проиходит превращение виолаксантина (ксантофилла с двумяэпоксидными группами) на первом этапе в антераксантин (с одной эпоксиднойгруппой), а затем, при вторичном восстановлении, в зеаксантин, не содержащийэпоксидных групп (рис.
7) [36]. Процесс восстановления эпоксидных группмолекул ксантофиллов осуществляется ферментом виолаксантиндеэпоксидазой изанимает несколько минут. При закислении внутритилакоидного пространствафермент связывается с мембраной и, используя аскорбиновую кислоту в качествевосстановителя, взаимодействует с субстратом (виолаксантином).
Конечная дляреакции деэпоксидирования форма пигмента – зеаксантин – обладает большимпо сравнению с виолаксантином количеством сопряженных двойных связей (11вместо 9), что делает уровень энергии возбужденного состояния S1 молекулыксантофилла ниже аналогичного для молекулы Хл а и увеличивает способностьмолекулы пигмента диссипировать полученную энергию в тепло.При уменьшении интенсивности падающего света происходит увеличениеpH люмена, и молекулы зеаксентина посредством фермента эпоксидазы вновьпревращаются в виолаксантин, энергия уровня S1 которого выше первогосинглетного уровня Хл а. Обратный процесс превращения может занимать отдесятков минут до часов (или даже дней в случае стрессовых условий) [37].Образующиеся молекулы виолаксантина способны передавать поглощеннуюэнергию возбуждения молекулам хлорофилла, играя роль вспомогательной26антенны. При этом другой участник виалоксантинового цикла – зеаксантин –берет на себя защитную функцию, предохраняя светособирающие антенны отфотоингибирования и снижая вероятность возникновения высокоактивных формкислорода [38].Рис.
7. Виолаксантиновый цикл.Переход фотосинтетического аппарата из состояния 1 в состояние 2.Следующийвспомогательныймеханизмнефотохимическоготушениязаключается в перераспределении энергии возбуждения между фотосистемами взависимости от интенсивности и спектрального состава действующего света [39].Это перераспределение осуществляется за счет пространственного перемещениячасти светособирающих комплексов вдоль мембраны, включающей комплексыФС1 и ФС2. Перераспределение энергии в пользу ФС1 происходит прифосфорилировании белков ССК специальным ферментом протеинкиназой,активность которой зависит от степени восстановленности пластохинона;перераспределение в пользу ФС2 происходит при дефосфорилировании белковпод действием фосфатазы [40,41].В адаптированных к темноте хлоропластах переносчики электронов междуфотосистемами находятся в окисленном состоянии и подвижные комплексы27«обслуживают» комплексы ФC2 (состояние 1).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
