кекер. Конспект лекций по спецкурсу Важнейшие группы прокариотических микроорганизмов
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
ХАРАКТЕРИСТИКА НЕКОТОРЫХ ГРУПП БАКТЕРИЙ Материал, изложенный в этой главе, сгруппирован и рассмотрен таким образом, что в одних случаях характеризует отдельные таксономические группы бактерий, а в других – определенные физиологические их группы. Это обусловлено тем, что среди бактерий нельзя выделить наиболее важные или наиболее полезные виды. Все известные, а тем более еще не изолированные штаммы представляют существенный научный и практический интерес, выполняют свои функции и занимают свою экологическую нишу. Фототрофные бактерии Физиологическая группа фотосинтезирующих прокариотических организмов представлена пурпурными и зелеными бактериями, большой группой цианобактерий и недавно обнаруженными организмами – гелиобактериями и прохлорофитами. На основании использования энергии света в эту группу могут быть включены и галобактерии. Преобразование световой энергии в энергию химических связей может осуществляться при фотосинтезе трех типов: • с помощью бактериохлорофиллов без выделения молекулярного кислорода (бескислородный, или аноксигенный, фотосинтез). Этот тип фотосинтеза осуществляют пурпурные и зеленые бактерии, гелиобактерии; • зависимого от наличия хлорофилла, сопровождающегося выделением молекулярного кислорода (кислородный, или оксигенный, фотосинтез). Кислородный фотосинтез, связанный со способностью использовать в качестве донора электронов молекулы воды, присущ большой группе цианобактерий и прохлорофитам; • с помощью белка бактериородопсина, ковалентно связанного с каротиноидом ретиналем (бесхлорофилльный фотосинтез). Этот процесс не сопровождается выделением молекулярного кислорода. Он характерен для галобактерий, которые относятся к архебактериям. Способность организмов существовать за счет энергии света в первую очередь связана с наличием у них специфических пигментов. Набор пигментов специфичен и постоянен для определенных групп фотосинтезирующих прокариот. Соотношения же между отдельными типами пигментов колеблются в зависимости от вида и условий культивирования. В целом фотосинтетические пигменты прокариот обеспечивают поглощение света с длиной волны 300–1100 нм. Все фотосинтетические пигменты относятся к двум химическим классам соединений: 1) пигменты, в основе 18 которых лежит тетрапиррольная структура (хлорофиллы, фикобилипротеины); 2) пигменты, основу которых составляют полиизопреноидные цепи (каротиноиды). У фотосинтезирующих прокариот известно более десяти видов хлорофиллов. Хлорофиллы прокариот, осуществляющих бескислородный фотосинтез (пурпурные и зеленые бактерии, гелиобактерии), получили общее название бактериохлорофиллов. В настоящее время идентифицировано шесть основных видов бактериохлорофиллов: а, b, с, d, е и g. Клетки пурпурных бактерий в зависимости от вида содержат только одну форму бактериохлорофилла – либо а, либо b. Клетки зеленых бактерий всегда содержат два типа бактериохлорофилла – основной и минорный. В зависимости от вида бактерий основным может быть бактериохлорофилл c, d или e. Роль основного бактериофилла заключается в поглощении света. Минорным пигментом у всех зеленых бактерий является бактериохлорофилл а; он и входит в состав фотохимических реакционных центров. Необычный бактериохлорофилл g с максимумом поглощения 790 нм обнаружен у облигатных анаэробных фотосинтезирующих бактерий Heliobacterium chlorum и Heliobacillus mobilis, выделенных в группу гелиобактерий. Прокариоты, фотосинтез которых сопровождается выделением молекулярного кислорода (цианобактерии и прохлорофиты), содержат хлорофиллы, характерные для фотосинтезирующих эукариотических организмов. У цианобактерий – это хлорофилл а; в клетках прохлорофит – хлорофиллы а и b. К фотосинтетическим пигментам относятся и фикобилипротеи- ны – красные и синие пигменты, содержащиеся только у одной группы прокариот – цианобактерий. Хромофорная группа пигмента называется фикобилином. Различают два типа хромофорных групп: фикоцианобилин и фикоэритробилин (рис. 83) 19 O N H C H N H C C C C H C N C C H N H C C C O HC C C C C C C C CH 3 CH 3 HC CH 3 CH 2 H 2 C COOH CH 2 H 2 C COOH CH 3 CH 3 H 2 C CH 3 1 2 3 4 5 6 7 8 O N H C H N H C C C C H C N C N H C C C O HC C C C C C C C CH 3 CH 3 HC CH 3 CH 2 H 2 C COOH CH 2 H 2 C COOH CH 3 CH 3 HC CH 2 1 2 3 4 5 6 7 8 C H H Фикобилипротеины поглощают свет в широком диапазоне длин волн (450–700 нм) и разделяются по спектрам поглощения на три класса. Два голубых пигмента аллофикоцианин и фикоцианин, максимумы поглощения которых находятся в области относительно больших длин волн, встречаются у Рис. 83. Фикобилины фикобилипротеинов у цианобактерий: А – фикоцианобилин; Б – фикоэритробилин А Б 20 всех цианобактерий. У некоторых представителей этих групп имеется и красный пигмент, фикоэритрин, поглощающий в более коротковолновой области спектра. Фикобилипротеины находятся в особых гранулах, называемых фикобилисомами, которые расположены на внешней поверхности тилакоидов. Энергия поглощаемого этими пигментами света с очень высокой эффективностью переносится в содержащие хлорофилл фотохимические реакционные центры, расположенные в тилакоидах. Эти три класса фикобилипротеинов, различающихся по спектрам поглощения, составляют цепь переноса энергии в фикобилисомах (рис. 84). К вспомогательным фотосинтетическим пигментам, которые содержат все прокариоты, относятся каротиноиды. Большинство из них построено на основе конденсации восьми изопреноидных остатков. У некоторых каротиноидов полиизопреноидная цепь открыта и не содержит циклических группировок. Такие каротиноиды называются алифатическими. У большинства каротиноидов на одном или обоих концах цепи расположено по ароматическому (арильные) или β-ионовому (алициклические) кольцу. Выделяют также каротиноиды, не содержащие в молекуле кислорода и кислородсодержащие, которые называются ксантофиллами. Состав каротиноидов фотосинтезирующих прокариот весьма разнообразен. Наряду с пигментами, одинаковыми у разных групп, для каждой из них обнаружены уникальные каротиноиды или их наборы. Наиболее разнообразен состав каротиноидных пигментов у пурпурных бактерий, из клеток которых выделено свыше 50 типов каротиноидов. В клетках большинства пурпурных бактерий содержатся только алифатические каротиноиды, многие из которых принадлежат к группе ксантофиллов. Зеленые бактерии по составу каротиноидов отличаются от пурпурных. Рис. 84. Схематическое изображение части тилакоида с прикрепленной фикобилисомой Фикоэритрин Тилакоидная мембрана Аллофикоцианин Фикоцианин 21 Основные каротиноиды зеленых бактерий – арильные, содержащие одно или два ароматических кольца. Каротиноидные пигменты поглощают свет в синем и зеленом участках спектра, т. е. в области длин волн 400–550 нм. Как и хлорофиллы, эти пигменты локализованы в мембранах и связаны с мембранными белками без образования ковалентных связей. Функции каротиноидов фотосинтезирующих прокариот многообразны. В качестве вспомогательных фотосинтетических пигментов каротиноиды поглощают кванты света в коротковолновой области спектра, которые затем передаются на хлорофилл. Для некоторых галофильных бактерий показана ретиналя в комплексе с бактериородопсином осуществлять особый бесхлорофилльный тип фотосинтеза. Известно участие каротиноидов в осуществлении реакций фототаксиса, а также в защите клетки от токсических эффектов синглетного (атомарного) кислорода. Рассмотрим структурную организацию фотосинтетического аппарата прокариот. У каждой из основных групп прокариот фотосинтетический аппарат организован по-разному. Это определяется тем, какие пигменты входят в его состав, какие вещества являются переносчиками электронов и где локализованы фотохимические реакционные центры. Фотосинтетический аппарат состоит из трех основных компонентов: • светособирающих пигментов, поглощающих энергию света и передающих ее в реакционные центры; • фотохимических реакционных центров, где происходит трансформация электромагнитной формы энергии в химическую; • фотосинтетических электронтранспортных систем, обеспечиваю-щих перенос электронов, сопряженный с запасанием энергии в молекулах АТФ. Два первых компонента фотосинтетического аппарата состоят из пигментов (табл. 9). Фотосинтетические электронтраспортные системы у разных групп бактерий содержат свои специфические переносчики и будут рассмотрены ниже. Фотосинтезирующие бактерии отличаются друг от друга и по расположению в клетке компонентов фотосинтетического аппарата. Два компонента этого аппарата – фотохимические реакционные центры и фотосинтетические электронтранспортные системы – у всех фототрофных бактерий локализованы в цитоплазматической мембране и ее производных (тилакоидах). Локализация же светособирающих пигментов в разных группах фотосинтезирующих прокариот различна. У пурпурных бактерий, гелиобактерий и прохлорофит светособирающие пигменты в виде комплексов с белками интегрированы в мембранах. В клетках зеленых бактерий основная 22 масса светособирающих пигментов находится в хлоросомах, у цианобактерий – в фикобилисомах. Таблица 9 Функции различных пигментов в фотосинтезе (по М. В. Гусеву и Л. А. Минеевой, 2003) Пигменты Пурпурные бактерии Зеленые бактерии Гелиобак- терии Циано- бактерии Прохлор офиты Светособирающие пигменты Хлорфиллы Бактерио- хлорофилл а или b Бактерио- хлорофиллы а + с, a + d, a + e бактерио- хлорофилл g Хлорофилл а Хлороф иллы a + b Фикобили- протеины Нет Нет Нет Фикоцианин, аллофико- цианин, фикоэритрин Нет Основные каротиноиды Алифатичес- кие и ариль- ные Арильные и алицикли- ческие Единствен- ный алифа- тический: нейроспорин Алицикличес кие Алицикл ические Хлорофиллы, входящие в состав реакционного центра Бактериохл орофилл a или b Бактериох- лорофилл а Бактериох- лорофилл g Хлорофилл а Хлороф илл а Фотосинтез у прокариот Под фотосинтезом понимают происходящее в клетках фототрофных организмов преобразование световой энергии в биохимически доступную энергию (АТФ) и восстановительную силу (НАДФ·Н 2 ), а также связанный с этими процессами синтез клеточных компонентов. Фотосинтез начинается с поглощения квантов света молекулами хлорофилла, бактериохлорофилла и другими пигментами. Молекула пигмента, воспринявшая квант света, переходит в возбужденное состояние, которое длится очень недолго (≤ 10 –9 с) и заканчивается возвращением ее к исходному, стабильному уровню. Этот переход сопровождается либо передачей возбужденного состояния другой молекуле пигмента, либо потерей сообщенной энергии в виде тепла, флуоресценции или фосфоресценции. Если энергия электронных возбужденных состояний передается по комплексу пигментов, то некоторое ее количество может достигать фотохимических реакционных центров, где происходит превращение световой энергии в химическую (табл. 10). 23 Таблица 10 Фотохимические реакционные центры фототрофных бактерий (по М. В. Гусеву и Л. А. Минеевой, 2003) Группы фотосинтезирующих эубактерий Состав фотохимических реакционных центров Первичный донор электронов Первичный акцептор электронов Вторичный акцептор электронов Пурпурные серные и несерные бактерии Б/хл а (П 870 ) Б/хл b (П 960 ) Б/феоф а Б/феоф b Убихинон, менахинон Зеленые бактерии нитчатые Б/хл a (П 865 ) Б/феоф a Менахинон серные Б/хл a (П 840 ) Б/хл с (П 663 ) FeS Гелиобактерии Б/хл g (П 798 ) Б/хл g (П 670 ) Хинон в комплексе с FeS Цианобактерии ФС I Хл а (П 700 ) Хл а FeS ФС II Хл a (П 680 ) Феоф a Пластохинон Прохлорофиты ФС I Хл а (П 700 ) Информация отсутствует Информация отсутствует ФС II Хл a (П 680 ) Информация отсутствует Информация отсутствует П р и м е ч а н и е: ФС – фотосистема; б/хл – бактериохлорофилл; хл – хлорофилл; б/феоф – бактериофеофитин; феоф – феофитин; П – фотохимически активные формы хлорофилла с указанием длины волны, при которой происходит индуцированное светом изменение поглощения пигмента; FeS – железосеросодержащие белки. Молекулы хлорофилла или бактериохлорофилла (первичные доноры электронов) фотохимического реакционного центра тесно сопряжены с молекулами первичного акцептора электронов и поэтому возбужденная молекула хлорофилла или бактериохлорофилла может отдавать им электрон. Отдав электрон, молекула хлорофилла или бактериохлорофилла приобретает способность акцептировать электрон. Чтобы предотвратить возвращение электрона на молекулу донора, вторичный акцептор принимает электрон от первичного акцептора и стабилизирует таким способом разделение зарядов. Реакции обратимого окисления-восстановления хлорофилла под воздействием света происходят в фотосинтетическом реакционном центре и являются «первичными» химическими реакциями фотосинтеза. Электрон со вторичного акцептора поступает в фотосинтетическую электронтранспортную цепь и по ее переносчикам может возвращаться на хлорофилл или бактериохлорофилл фотохимического реакционного центра. Последними переносчиками фотосинтетической электронтранспортной цепи, т. е. непосредственными донорами, с которых электроны поступают на хлорофилл или бактериохлорофилл реакционного центра, у 24 фотосинтезирующих организмов в большинстве случаев служат цитохромы типа с. Возвращение электрона на хлорофилл фотохимического реакционного центра – темновой процесс. Электрон перемещается по цепи переносчиков в соответствии с электрохимическим градиентом. Такой транспорт электронов получил название циклического. Кроме циклического транспорта электронов, у фотосинтезирующих прокариот существует нециклический путь переноса электронов. При этом электрон, «оторванный» от молекулы хлорофилла реакционного центра (первичного донора), по электронтранспортной цепи, состоящей из переносчиков электронов, не возвращается к молекуле хлорофилла реакционного центра, а передается на такие центральные метаболиты клетки, как НАДФ + или окисленный ферредоксин. Таким образом, электрон покинувший молекулу хлорофилла, выводится из «системы». Возникает однонаправленный незамкнутый электронный поток, получивший название нециклического пути переноса электронов. Показано, что у пурпурных и зеленых нитчатых бактерий функционирует только циклический светозависимый поток электронов. У остальных групп фотосинтезирующих прокариот фотоиндуцируется как циклический, так и нециклический перенос электронов. Поток электронов по цепи переносчиков при фотосинтезе на определенных этапах сопряжен с направленным перемещением протонов через мембрану, что приводит к созданию протонного градиента, который при участии фермента АТФ-синтазы используется для синтеза молекул АТФ. Фосфорилирование, сопряженное с циклическим потоком электронов, получило название циклического фотофосфорилирования. Соответственно нециклическим фотофосфорилированием называют синтез АТФ, сопряженный с нециклическим электронным транспортом. Рассмотрим, как происходит оксигенный и аноксигенный фотосинтез. Оксигенный фотосинтез характерен для цианобактерий и прохлорофит. При оксигенном фотосинтезе работают две пигментные системы, включающиеся последовательно. Пигментную систему цианобактерий, возбуждаемую более длинноволновым светом (λ < 730 нм), называют фотосистемой I. Она содержит хлорофилл (хл а 1 ) (П 700 ) – первичный донор электронов в первой фотореакции. Световая энергия, поглощаемая светособирающими пигментами фотосистемы I, передается в реакционный центр и переводит в возбужденное состояние хл а 1 . Далее хл а 1 отдает один электрон, при этом он окисляется и превращается в хл а + 1 . Вторичным акцептором отданного электрона служит железосерный белок. Он обладает еще более отрицательным окислительно-восстанави-тельным потенциалом и в свою очередь способен отдавать электрон ферредоксину, а с 25 восстановленного ферредоксина восстановительная сила может передаваться на НАДФ + или другие акцепторы. Наряду с этим возможен и циклический перенос электронов, при котором электрон от железосодержащего белка передается на пластохинон, цитохромы и пластоцианин обратно к хлорофиллу а + 1 реакционного центра. Реакционный центр фотосистемы II содержит хлорофилл а 2 (хл а 2 ) (П 680 *), который служит первичным донором электронов во второй фотосистеме. Получив энергию, поглощенную светособирающими пигментами фотосистемы II, хлорофилл а 2 переходит в возбужденное состояние. Электрон принимает молекула первичного акцептора феофитина а, а затем он передается на молекулу пластохинона, который при этом восстанавливается до семихинона. Донором электронов для фотосистемы II служит вода. «Дырка», образовавшаяся в хл а + 2 в результате потери электрона, заполняется одним из электронов, освобождающихся в результате образования О 2 при разложении Н 2 О: Разложение воды происходит при участии ионов марганца. Две описанные выше пигментные системы связаны между собой электронтранспортной цепью, важным звеном которой является пластохинон, который находится в большом избытке и выполняет функцию накопителя (депо) электронов. Этот накопитель может связывать не менее 10 электронов. Окисление пластохинона осуществляет фотосистема I, т. е. электроны «накопителя» расходуются на заполнение «дырок» в хл а + 1 . От пластохинона электроны передаются последовательно железосерному белку, комплексу b 6 /f, затем пластоцианину и, наконец, хлорофиллу а + 1 . Таким образом, пластохинон выполняет важную функцию накопления и дальнейшей передачи электронов, поступающих из нескольких электронтранспортных цепей. Схематически пространственную ориентацию электронтранспортной системы внутри тилакоидной мембраны можно изобразить следующим образом (рис. 85). Таким образом, две фотосистемы вместе со связывающей их электронтранспортной цепью обеспечивают направленный поток электронов от воды (с внутренней стороны тилакоидной мембраны) к НАДФ + (с внешней стороны). В результате происходит восстановление НАДФ + и образование заряда на мембране. Иными словами, световые реакции выступают в роли протонного насоса, который работает за счет энергии света и создает положительный заряд внутри тилакоида, мембрана аккумулирует энергию в форме протонного потенциала, и эта энергия используется для синтеза АТФ. 2Н 2 О О 2 + 4Н + + 4е – 26 Рис. 85. Организация фотосинтетического аппарата у цианобактерий: феоф – феофитин; FeS – железосеросодержащий белок; Фд – ферредоксин; Фвд – флаводоксин; Фп – флавопротеин; ПХ – пластохинон; ПЦ – пластоцианин; с 553 , b 6, f – цитохромы; П 700 * – хл а 1 реакционного центра; П 680 * – хл а 2 реакционного центра; А 1 – первичный акцептор электрона |