Родопин, встроенный в комплекс LH2 из Allochromatium vinosum, способен к генерации синглетного кислорода

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Из клеток Allochromatium vinosum с ингибированным с помощью дифениламина (ДФА) синтезом каротиноидов были получены ДФА мембраны, в которые был встроен родопин. Выделен комплекс LH2 с содержанием родопина 85%. С помощью теста на термостабильность комплексов LH2 (ДФА и со встроенным родопином) установлено, что каротиноиды ранних стадий биосинтеза (≤1 молекулы на комплекс) не мешают встраиванию родопина. Установлено, что при облучении комплекса LH2 со встроенным родопином светом с длиной волны 502 нм происходит выцветание БХл850 со скоростью, близкой к скорости в контрольном комплексе LH2. Это указывает на то, что родопин после встраивания в ДФА комплекс LH2 способен к генерации синглетного кислорода под действием света. Подтверждены полученные ранее данные о гетерогенности каротиноидного состава в ДФА комплексах LH2 (варьирование количества отдельных каротиноидов на один комплекс в общей популяции) и выдвинутая нами ранее гипотеза о структурной роли каротиноидов, а именно, их способности стабилизировать комплексы LH2. На основании анализа полученных результатов, а также литературных данных обсуждается взаимодействие синглетного кислорода и каротиноидов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

З. К. Махнева

Институт фундаментальных проблем биологии Российской академии наук – обособленное подразделение ФИЦ ПНЦБИ РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: andrey-moskalenko@rambler.ru
Россия, Пущино

М. А. Большаков

Институт фундаментальных проблем биологии Российской академии наук – обособленное подразделение ФИЦ ПНЦБИ РАН

Email: andrey-moskalenko@rambler.ru
Россия, Пущино

А. А. Ашихмин

Институт фундаментальных проблем биологии Российской академии наук – обособленное подразделение ФИЦ ПНЦБИ РАН

Email: andrey-moskalenko@rambler.ru
Россия, Пущино

А. А. Москаленко

Институт фундаментальных проблем биологии Российской академии наук – обособленное подразделение ФИЦ ПНЦБИ РАН

Email: andrey-moskalenko@rambler.ru
Россия, Пущино

Список литературы

  1. Ашихмин А. А. Каротиноиды светособирающих комплексов пурпурной серной бактерии Ect. haloalkaliphila. Автореферат дис. … канд. биол. наук, 17.07.2014. Пущино: Институт фундаментальных проблем биологии РАН, 2014. 22 с.
  2. Ашихмин А. А., Бендиткис А. С., Москаленко А. А., Красновский А. А. мл. Фитофлуин ‒ эффективный фотосенсибилизатор образования синглетного кислорода под действием УФ-А излучения // Биохимия. 2020. Т. 85. С. 907–915. https://doi.org/10.31857/S0320972520070052
  3. Ashikhmin A., Benditkis A., Moskalenko A., Krasnovsky Jr A. A. Phytofluene as a highly efficient UV-A photosensitizer of singlet oxygen generation // Biochemistry (Moscow). 2020. V. 85. P. 773–780. https://doi.org/10.1134/S0006297920070056
  4. Ашихмин А., Махнева З., Большаков М., Москаленко А. Влияние количества сопряженных двойных связей в молекулах каротиноидов на эффективность переноса энергии на бактериохлорофилл в светособирающих комплексах LН2 из Allochromatium vinosum, штамм МГУ // ДАН. 2018. Т. 483. C. 332–336.
  5. Ashikhmin A. A., Makhneva Z. K., Bolshakov M. A., Moskalenko A. A. The influence of the number of conjugated double bonds in carotenoid molecules on the energy transfer efficiency to bacteriochlorophyll in light-harvesting complexes LH2 from Allochromatium vinosum strain MSU // Dokl. Biochem. Biophys. 2018. V. 483. P. 321–325.
  6. Ашихмин А. А., Бендиткис А. С., Москаленко А. А., Красновский (мл.) А.А. ζ-Каротин: генерация и тушение синглетного кислорода, сравнение с фитофлуином // Биохимия. 2022. V. 87. P. 1471–1482. https://doi.org/10.31857/S0320972522100128
  7. Ashikhmin A. A., Benditkis A. S., Moskalenko A. A., Krasnovsky Jr A. A. ζ-Carotene: generation and quenching of singlet oxygen, comparison with phytofluene // Biochemistry (Moscow). 2022. V. 87. P. 1169–1178. https://doi.org/10.1134/S0006297922100108
  8. Большаков М. А. Роль каротиноидов в процессе фотоокисления бактериохлорофилла in vivo. Автореферат дис. … канд. биол. наук, 20.12.2012. Пущино: Институт фундаментальных проблем биологии РАН, 2012. 22 с.
  9. Bolshakov M. A. The role of carotenoids in the photooxidation of bacteriochlorophyll in vivo. PhD thesis. 20.12.2012. Pushchino: Institute of Fundamental Problems of Biology Russian Academy of Sciences. P. 22.
  10. Большаков М. А., Ашихмин А. А., Махнева З. К., Москаленко А. А. Влияние интенсивности освещения и ингибирования биосинтеза каротиноидов на сборку периферийных светособирающих комплексов пурпурной серной бактерии Allochromatium vinosum ATCC17899 // Микробиология. 2016. Т. 85. С. 403–414.
  11. Bolshakov M. A., Ashikhmin A. A., Makhneva Z. K., Moskalenko A. A. Effect of illumination intensity and inhibition of carotenoid biosynthesis on assembly of peripheral light-harvesting complexes in purple sulfur bacteria Allochromatium vinosum ATCC17899 // Microbiology (Moscow). 2016. V. 85. P. 420–429.
  12. Егоров С. Ю., Красновский А. А., Вычегжанина И. В., Дроздова Н. Н. Фотосенсибилизированное образование и тушение синглетного молекулярного кислорода мономерными и агрегированными молекулами пигментов фотосинтезирующих бактерий // Доклады Академии наук. 1990. Т. 310. С. 471‒474.
  13. Egorov S. Y., Krasnovskii, Jr. A.A., Vychegzhanina I. V., Drozdova N. N., Krasnovskii A. A. Generation and quenching of molecular single oxygen by pigment molecules in photosynthetic bacteria // Doklady Biophysics. 1990. V. 310. № 2. P. 6‒10.
  14. Кленина И. Б., Махнева З. К., Москаленко А. А., Проскуряков И. И. Селективное возбуждение каротиноидов светособирающих комплексов LH2 Allochromatium vinosum приводит к окислению бактериохлорофилла // Биохимия. 2022. Т. 87. С. 1425–1433. https://doi.org/10.31857/S0320972522100086
  15. Klenina I. B., Makhneva Z. K., Moskalenko A. A., Proskuryakov I. I. Selective excitation of carotenoids of the Allochromatium vinosum Light-Harvesting LH2 complexes leads to oxidation of bacteriochlorophyll // Biochemistry (Moscow). 2022. V. 87. P. 1130–1137. https://doi.org/10.1134/S0006297922100066
  16. Кондратьева Е. Н. Фотосинтезирующие бактерии и бактериальный фотосинтез. М.: Изд-во МГУ, 1972. 75 с.
  17. Красновский А. А., Бендиткис А. С., Козлов А. С. Кинетические измерения фосфоресценции синглетного кислорода методом разрешенного во времени счета фотонов в растворителях, не содержащих водородных атомов // Биохимия. 2019. Т. 84. С. 240‒251.
  18. Krasnovsky A. A., Jr., Benditkis A. S., Kozlov A. S. Kinetic measurements of singlet oxygen phosphorescence in the solvents lacking hydrogen atoms using the method of time resolved photon counting // Biochemistry (Moscow). 2019. V. 84. P. 153–163.
  19. Махнева З. К., Ашихмин А. А., Большаков М. А., Москаленко А. А. Образование 3-ацетил-хлорофилла в светособирающих комплексах пурпурных бактерий при химическом окислении // Биохимия. 2016. Т. 81. C. 282‒294.
  20. Makhneva Z. K., Ashikhmin A. A., Bolshakov M. A., Moskalenko A. A. 3-Acetyl-chlorophyll formation in light-harvesting complexes of purple bacteria by chemical oxidation // Biochemistry (Moscow). 2016. V. 81. P. 176–86.
  21. Махнева З. К., Ашихмин А. А., Большаков М. А., Москаленко А. А. Взаимодействие бактериохлорофилла с синглетным кислородом в мембранах пурпурных фотосинтезирующих бактерий: существует ли защитная функция каротиноидов? // ДАН. 2019а. Т. 486. С. 504–508. https://doi.org/10.31857/S0869-56524864504-508
  22. Makhneva Z. K., Ashikhmin A. A., Bolshakov M. A., Moskalenko A. A. Bacteriochlorophyll interaction with singlet oxygen in membranes of purple photosynthetic bacteria: does the protective function of carotenoids exist?// Dokl. Biochem. Biophys. 2019а. V. 486. P. 216–219. https://doi.org/10.1134/S1607672919030141
  23. Махнева З. К., Ашихмин А. А., Большаков М. А., Москаленко А. А. Выделение синглетного кислорода мембранами пурпурных фотосинтезирующих бактерий при облучении светом происходит при возможном участии каротиноидов // Микробиология. 2020. Т. 89. С. 169–179. https://doi.org/10.31857/S0026365620010097
  24. Makhneva Z. K., Ashikhmin A. A., Bolshakov M. A., Moskalenko A. A. Carotenoids are probably involved in singlet oxygen generation in the membranes of purple photosynthetic bacteria under light irradiation // Microbiology (Moscow). 2020. V. 89. P. 164–173.
  25. Махнева З. К., Ашихмин А. А., Большаков М. А., Москаленко А. А. Защита БХЛ850 от действия синглетного кислорода в мембранах серной фотосинтезирующей бактерии Allochromatium vinosum с помощью тушителей // Микробиология. 2019б. Т. 88. C. 91–99. https://doi.org/10.1134/S0026365619010129
  26. Makhneva Z. K., Ashikhmin A. A., Bolshakov M. A., Moskalenko A. A. Quenchers protect BChl850 from action of singlet oxygen in the membranes of a sulfur photosynthetic bacterium Allochromatium vinosum strain MSU // Microbiology. 2019b. V. 88. P. 79–86.
  27. Махнева З. К., Ерохин Ю. Е., Москаленко А. А. Фотосенсибилизированное каротиноидами окисление димеров бактериохлорофилла светособирающих комплексов В800–850 в клетках Allochromatium minutissimum // ДАН. 2007. Т. 416. С. 408–411.
  28. Makhneva Z. K., Erokhin Yu.E., Moskalenko A. A. Carotenoid-photosensitized oxidation of bacteriochlorophyll dimers in light-harvesting complexes B800–850 in Allochromatium minutissimum cells // Dokl. Biochem. Biophys. 2007. V. 416. № 1‒6. P. 256‒259. https://doi.org/10.1134/S1607672907050080
  29. Махнева З. К., Москаленко А. А. Каротиноиды в комплексах LH2 из Allochromatium vinosum способны при освещении генерировать синглетный кислород, который окисляет БХл850 // Микробиология. 2022. Т. 91. С. 466–474. https://doi.org/10.31857/S0026365622300218
  30. Makhneva Z. K., Moskalenko A. A. Carotenoids in LH2 complexes from Allochromatium vinosum under illumination are able to generate singlet oxygen which oxidizes BChl850 // Microbiology (Moscow). 2022. V. 91. P. 409–416. https://doi.org/10.1134/S002626172230021X
  31. Махнева З. К., Смолова Т. Н., Большаков М. А., Москаленко А. А. Комплекс LH2 из серной бактерии Allochromatium vinosum – природный сенсор синглетного кислорода // Биохимия. 2022. Т. 87. С. 1459–1470. https://doi.org/10.31857/S0320972522100116
  32. Makhneva Z. K., Smolova T. N., Bolshakov M. A., Moskalenko A. A. LH2 complex from sulfur bacteria Allochromatium vinosum – natural singlet oxygen sensor // Biochemistry (Moscow). 2022. V. 87. P. 1159–1168. https://doi.org/10.1134/S0006297922100091
  33. Москаленко A. A., Ерохин Ю. Е. Выделение пигмент-липопротеиновых комплексов из пурпурных бактерий методом препаративного электофореза в полиакриламидном геле // Микробиология. 1974. V. 43. С. 654–657.
  34. Москаленко А. А. Изучение пигмент-липопротеиновых комплексов из Chromatium minutissimum. Дисс. … канд. биол. наук. Пущино, 1974. 189 c.
  35. Москаленко A. A., Кузнецова Н. Ю., Ерохин Ю. Е. Выделение, спектральные и фотохимические характеристики трех типов пигмент-белковых комплексов из Chromatium с подавленным синтезом каротиноидов // ДАН СССР. 1983. Т. 269. С. 1248–1251.
  36. Торопыгина О. А., Махнева З. К., Москаленко А. А. Встраивание каротиноидов в светособирающий комплекс В800‒850 из Chromatium minutissimum // Биохимия. 2003a. Т. 68. С. 1101–1112.
  37. Toropygina O. A., Makhneva Z. K., Moskalenko A. A. Reconstitution of carotenoids into the light-harvesting complex B800–850 of Chromatium minutissimum // Biochemistry (Moscow). 2003a. V. 68. P. 901–911. https://doi.org/10.1023/A:1025755116593
  38. Ashikhmin A., Makhneva Z., Bolshakov M., Moskalenko A. Incorporation of spheroidene and spheroidenone into light-harvesting complexes from purple sulfur bacteria // J. Photochem. Photobiol. B. Biol. 2017. V. 170. P. 99–107. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2017.03.020
  39. Borland C. F., McGarvey D.J., Truscott T. G., Codgell R. J., Land E. J. Photophysical studies of bacteriochlorophyll a and bacteriopheophytin a ‒ singlet oxygen generation // J. Photochem. Photobiol. B: Biology. 1987. V. 1. P. 93‒101. https://doi.org/10.1016/1011-1344(87)80009-X
  40. Britton G. Functions of intact carotenoids // Carotenoids. Natural Functions / Eds. Britton G., Liaaen-Jensen S., Pfanger H. Birkhauser Verlag, Switzerland, 2008. P. 265–308.
  41. Calvin M. Function of carotenoids in photosynthesis // Nature. 1955. V. 176. P. 1215.
  42. Cogdell R. J., Frank H. A. How carotenoids function in photosynthetic bacteria // Biochim. Biophys. Acta. 1987. V. 895. P. 63–79.
  43. Frank H. A., Cogdell R. J. Photochemistry and function of carotenoids in bacteria // The photochemistry of carotenoids / Eds. Frank H. A., Young A. J., Britton G., Cogdell R. J. Dordrecht, The Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 1993. P. 36–69.
  44. Frank H. A., Cogdell R. J. Carotenoids in photosynthesis // Photochem. Photobiol. 1996. V. 63. P. 257–264. https://doi.org/10.1111/j.1751–1097.1996.tb03022.x
  45. Freer A., Prince S., Sauer K., Papiz M., Hawthornthwaite-Lawless A., McDermott G., Cogdell R., Isaacs N. W. Pigment–pigment interactions and energy transfer in the antenna complex of the photosynthetic bacterium Rhodopseudomonas acidophila // Structure. 1996. V. 4. P. 449–462.
  46. Gabrielsen M., Gardiner A. T., Cogdell R. J. Peripheral complexes of purple bacteria // The purple phototrophic bacteria. 2009. V. 28. P. 135–153.
  47. Griffiths M., Sistrom W., Cohen-Bazire G., Stanier R. Functions of carotenoids in photosynthesis // Nature. 1955. V. 176. P. 1211–1215.
  48. Krasnovskii A. A. Photoluminescence of singlet oxygen in solutions of the chlorophylls and pheophytins // Biophysics. 1977. V. 22. P. 960‒962.
  49. Krasnovsky Jr. A. A. Photoluminescence of singlet oxygen in pigment solutions // Photochemi. Photobiol. 1979. V. 29. P. 960‒962. https://doi.org/10.1111/j.1751–1097.1979.tb09255.x
  50. Leiger K., Linnanto J. M., Rätsep M., Timpmann K., Ashikhmin A. A., Moskalenko A. A., Fufina T. Y., Gabdulkhakov A. G., Freiberg A. Controlling photosynthetic excitons by selective pigment photooxidation // J. Phys. Chem. B. 2019. V. 123 P. 29–38.
  51. Löhner A., Carey A. M., Hacking K., Picken N., Kelly S., Cogdell R., Köhler J. The origin of the split B800 absorption peak in the LH2 complexes from Allochromatium vinosum // Photosynth. Res. 2015. V. 123. P. 23–31.
  52. Makhneva Z., Bolshakov M., Moskalenko A. Heterogeneity of carotenoid content and composition in LH2 of the purple sulphur bacterium Allochromatium minutissimum grown under carotenoid-biosynthesis inhibition // Photosynth. Res. 2008. V. 98. P. 633–641.
  53. Makhneva Z. K., Bolshakov M. A., Moskalenko A. A. Carotenoids do not protect bacteriochlorophylls in isolated light-harvesting LH2 complexes of photosynthetic bacteria from destructive interactions with singlet oxygen // Molecules. 2021. V. 26. Art. 5120. https://doi.org/10.3390/molecules26175120
  54. Moskalenko A. A. Karapetyan N. V. Structural role of carotenoids in photosynthetic membranes // Z. Naturforsch. 1996. V. 51. P. 763–771.
  55. Papiz M. Z., Prince S. M., Howard T., Cogdell R. J., Isaacs N. W. The structure and thermal motion of the B800‒850 LH2 complex from Rps. acidophila at 2.0 Е resolution and 100K: New structural features and functionaly relevant motions // Mol. Biol. 2003. V. 326. P. 1523–1538.
  56. Moskalenko A. A., Makhneva Z. K., Fiedor L., Scheer H. Effects of carotenoid inhibition on the photosynthetic RC–LH1 complex in purple sulphur bacterium Thiorhodospira sibirica // Photosynth. Res. 2005. V. 86. P. 71–80. https://doi.org/10.1007/s11120-005-4473-9
  57. Polívka T., Frank H. A. Molecular factors controlling photosynthetic light harvesting by carotenoids // Acc. Chem. Res. 2010. V. 43. P. 1125–1134. https://doi.org/10.1021/ar100030m
  58. Prince S. M., Howard T. D., Myles D. A., Wilkinson C., Papiz M. Z., Freer A. A., Cogdell R. J., Isaacs N. W. Detergent structure in crystals of the integral membrane light-harvesting complex LH2 from Rhodopseudomonas acidophila strain 10050 // J. Mol. Biol. 2003. V. 326. P. 307–315.
  59. Prince S. M., Papiz M. Z., Freer A. A., McDermott G., Hawthornthwaite-Lawless A.M., Cogdell R. J., Isaacs N. W. Apoprotein structure in the LH2 complex from Rhodopseudomonas acidophila strain 10050: modular assembly and protein pigment interactions // J. Mol. Biol. 1997. V. 268. P. 412–423.
  60. Uragami C., Sato H., Yukihira N., Fujiwara M., Kosumi D Photoprotective mechanisms in the core LH1 antenna pigment-protein complex from the purple photosynthetic bacterium, Rhodospirillum rubrum // J. Photoch. Photobiol. A: Chemistry. 2020. V. 400. Art. 112628. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2020.112628

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. а ‒ Cпектр поглощения родопина, используемого для встраивания (1) и спектр излучения светодиода; б ‒ cпектры поглощения ДФА-мембран из клеток Alc. vinosum с ингибированным синтезом Кар до (1) и после добавления к ним 3 порций родопина и последующего диализа (2)

Скачать (98KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Спектры поглощения ДФА-комплекса LH2 (1), комплекса LH2 со встроенным родопином (2) и контрольного комплекса LH2 из Alc. vinosum (3)

Скачать (77KB)
Метаданные
4. Рис. 3. ВЭЖХ пигментов комплекса LH2 со встроенным родопином (а) и ДФА-комплекса LH2 (б) из Alc. vinosum. Идентификация пиков: 1‒5 ‒ БХл и его производные; 6 – дидегидрородопин; 7 – родопин; 8 – спирилоксантин; 9 ‒ бактериофеофитин; 10 – неидентифицированный продукт некаротиноидной природы; 11 – ζ-каротин; 12 – фитофлуин; 13 – фитоин

Скачать (77KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменения в спектре поглощения комплекса LH2 со встроенным родопином (а) до (1) и после нагревания 5 мин при 80°C (2) и ДФА-комплекса LH2 (б) до (1) и после нагревания 2 мин (2) и 5 мин (3) при 80°C. Спектры (в, г) нормированы: по максимуму при 486 нм (в, 1) и при 590 нм (г, 1). Вставка: ПАГЭ ДФА-комплекса LH2 до (1) и после нагревания 5 мин (2) при 80°C (LH2 – комплекс LH2; FP – зона свободных пигментов)

Скачать (129KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Кривые выцветания БХл850 в ДФА-мембранах (1), ДФА-комплексе LH2 (2), контрольном комплексе LH2 (3) и комплексе LH2 со встроенным родопином (4) при освещении светодиодом с максимумом излучения 502 нм. Вставка: разностные спектры “контроль – 30 мин освещения светом 502 нм” ДФА-мембран (1) и ДФА-комплекса LH2 (2). Спектры нормированы по максимуму БХл850

Скачать (80KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Изменения в спектре поглощения комплекса LH2 со встроенным родопином (а) и контрольного комплекса LH2 (б) при освещении светодиодом с максимумом излучения 502 нм: 1 – 0; 2 – 5; 3 – 10; 4 – 15; 5 – 20; 6 – 30 мин

Скачать (122KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Влияние освещения светодиодом с максимумом излучения 502 нм на комплекс LH2 со встроенным родопином: а – увеличение поглощения АцХл (1 – 5; 2 – 10; 3 – 15; 4 – 20; 5 – 30 мин освещения); б – кривые изменения поглощения Qy БХл850 (1) и АцХл (2)

Скачать (102KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024