Оксигенная фототрофия. Руководство по эволюционной клеточной биологии - Пиневич А.В., Аверина С.Г.

Автор: Пиневич А.В. Аверина С.Г.

Теги: биология клетки и субклеточных частиц цитология микробиология биология биохимия клеточная биология фотосинтез

ISBN: 5-288-03065-0

Год: 2002

Похожие

Биохимия растений

Основы биохимии Ленинджера. Том 2. Биоэнергетика и метаболизм

Основы биохимии Ленинджера. В 3 томах. Том 2. Биоэнергетика и метаболизм.

Водоросли. Справочник

Текст

А.В.Пиневич, С.Г. Аверина
http://biotex.ibss.org.ua

ОКСИГЕННАЯ ФОТОТРОФИЯ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.В. ПИНЕВИЧ, С.Г. АВЕРИНА

ОКСИГЕННАЯ ФОТОТРОФИЯ

Руководство по эволюционной клеточной биологии

ИЗДАТЕЛЬСТВО С,- ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
УДК 576.80.5

ББК 28.4

П32

Рецензенты: кафедра физиологии и биохимии растений С.-Петербургского государственного университета
(зав. кафедрой профессор С.С. Медведев); лаборатория экологии фотосинтеза Ботанического
института РАН им. В.М. Комарова (зав. лабораторией чл.-кор. РАН, профессор 1О.В. Гамалей)

Пиневич А.В., Аверина С.Г.

П32 Оксигенная фототрофия: Руководство по эволюционной клеточной биологии. -
СПб.: Изд-во C.-Петерб. ун-та, 2002. - 236 с.

ISBN 5-288-03065-0

В книге рассмотрен глобальный процесс ассимиляции световой энергии, связанный с образова-
нием кислорода из воды и осуществляемый бактериями филы Cyanobacteria и пластидами - симбио-
генными органеллами ядерных клеток. Основное внимание уделено цитологии, биохимии и молеку-
лярной генетике оксигенных фототрофов. Изложены вопросы клеточной теории, макросистематики,
глобальной филогении, организации мембран у прокариотов, биоэнергетики. Описаны принципы ра-
боты оксигенного фотосинтетического аппарата, его молекулярно-цитологическое строение, мульти-
вариантность, морфофункциональная динамика и биогенез. Рассмотрены классификация, филогения и
биоразнообразие оксигенных фототрофных бактерий (собственно цианобактерий и прохлорофитов).
Описаны организация и эволюция пластид разных типов, а также других энергоассимилирующих ор-
ганелл ядерных клеток.

Руководство адресовано студентам, аспирантам и специалистам в области эволюционной кле-
точной биологии.

ББК 28.4

Издание осуществлено при финансовой поддержке гранта INTAS 97-30776

В оформлении обложки использован рисунок И. В. Петрова

A.V. Pinevich and S.G. Averina. Oxygenic Pholotrophy

The manual describes a global process of light energy assimilation associated with the formation of
dioxygen from water which is effected by both the bacteria from phylum Cyanobacteria and plastids -
symbiogenic organelles in nucleated cells. Main attention is given to cytology, biochemistry, and molecular
genetics of oxygenic phototrophic organisms. The questions dealing with cell theory, macrosystematics,
global phylogeny, membrane organization in prokaryotes, as well as with bioenergetics are envisaged. The
principles of functioning, molecular-cylological structure, multivariant types, morphological-functional
dynamics, and biogenesis in oxygenic photosynthetic apparatus are described. The classification, phylogeny,
and biodiversity of oxygenic phototrophic bacteria (cyanobacteria sensu stricto and prochiorophytes) are
considered. The organization and evolution of various types of plastids and energy-assimilating organelles in
nucleated cells are characterized. The manual is recommended for students, post-graduates, and specialists in
the Held of cell evolutionary biology. The edition was supported by INTAS grant 97-30776.

ISBN 5-288-03065-0

Список сокращений................................................................5

'Краткий словарь терминов........................................................7

Введение..................................................................... 12

ГЛАВА 1 ОСНОВЫ СТРУКТУРНОЙ БИОЭНЕРГЕТИКИ....................................' ..17

1.1. Эволюционная цитология...................................................-

1.2. Мембраны прокариотов....................................................28

1.3. Ассимиляция энергии.....................................................31

1.4. Фототрофия..............................................................44

ГЛАВА 2 ОСНОВОПОЛОЖЕНИЯ ОКСИГЕННОЙ ФОТОТРОФИИ...................................49

ГЛАВА 3 ОКСИГЕННЫЙ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЙ АППАРАТ....................................59

3.1. Пигменты.................................................................-

3.1.1. Хлорофиллы..........................................................61

3.1.2. Фикобилипротеины.....................Э?.............................65

3.1.3. Биосинтез тетрапирролов.............................................67

3.1.4. Каротиноиды.........................................................75

3.1.5. Биосинтез каротиноидов..............................................82

3.2. Светособирающие антенные системы........................................87

3.2.1. Антенны с интегральными апопротеинами................................-

3.2.2. Антенны с эпимембранными апопротеинами..............................92

3.3. Основной светособирающий комплекс.......................................95

3.3.1 Хлорофилл «/b-LHC.....................................................-

3.3.2 . Фикобилисома.......................................................97

3.4. Фотосистема 1...........................................................99

3.4.1. Структура PSI......................................................100

3.4.2. Инактивация PS1....................................................103

3.5. Фотосистема II...........................................................-

3.5.1. Структура PSI1.....................................................104

3.5.2. Инактивация PSII...................................................106

3.5.3. Факультативно аноксигенная фототрофия..............................114

3.6. Эволюция фотосистем....................................................116

3.7. Медиаторы электрон-протонофорной цепи..................................121

3.7.1. Цитохром ^//-комплекс................................................-

3.7.2. Медиаторы, ассоциированные с фотосистемой 1........................124

3.7.3. Медиаторы, ассоциированные с фотосистемой II.......................130

3.7.4. Кислородвыделяющий комплекс........................................131

3.8. АТР-синтаза............................................................136
ГЛАВА 4. БИОГЕНЕЗ ОКСИГЕННОГО ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА......................141

4.1. Биосинтез пластидных липидов и биогенез липидного матрикса тилакоидов....-

4.2. Постгрансляционный таргетинг пластидных белков.........................143

ГЛАВА 5. БИОРАЗНООБРАЗИЕ И ФИЛОГЕНИЯ ОКСИГЕННЫХ ФОТОТРОФОВ.....................151

5.1. Цианобактерии..........................................................153

5.1.1. Цианобактерии sensu stricto.......................................161

5.1.2. Прохлорофиты......................................................170

5.2. Энергоассимилирующие ксеносомы.........................................176

5.2.1 Пластиды...........................................................178

5.2.1.1. Цианеллы.....................................................180

5.2.1.2. Простые пластиды.............................................183

5.2.1.3. Сложные пластиды.............................................189

5.2.1.4. Специализированные пластиды..................................196

5.2.2 . Митохондрии......................................................198

Заключение.....................................................................202

Литература.....................................................................211

Summary........................................................................231
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

A (acceptor) — акцептор электронов

ADP (adenosine-5'-diphosphate) — аденозиндифосфат (АДФ)

ALA (5-aminolevuIinic acid) — аминолевулиновая кислота

АРС (allophycocyanin) — аллофикоцианин

ATP (adenosine-5'-triphosphatc) — аденозинтрифосфат (АТФ)

CAB (chlorophyll «/Z>-binding protein) —хлорофилл л/Л-связывающий белок

CCA (complementary chromatic adaptation) — комплементарная хроматическая
адаптация

CFq (coupling factor 0) — интрамембранный домен АТФ-синтазы

CFi (coupling factor 1) — эпимембранпый домен АТФ-синтазы

CM (cytoplasmic membrane) — цитоплазматическая мембрана

СоА (coenzyme А) — коэнзим А

СР (chlorophyll-binding protein) — хлорофиллсвязывающий белок

D (donor) — донор электронов

DCMU (dichlorophenyl-dimethyiurea) —дихлорфенилдиметилмочевина (диурон)

EPR (electron paramagnetic resonance) — электронпарамагнитный резонанс (ЭПР)

ETC (electron transfer chain) — электроитранспортная цепь (ЭТЦ)

FAD (flavine adeninedinucleotide) — флавинадениндинуклеотид (ФАД)

Fd (ferredoxin) — ферредоксин (Фд)

Fdred (reduced ferredoxin) — восстановленный ферредоксин

FeS (iron-sulfur cluster) — железосеросодержащий кластер

Flvd (flavodoxin) — флаводоксин

Flvdred (reduced flavodoxin) — восстановленный флаводоксин

FMN (flavine mononucleotide) — флавинмононуклеотид (ФМН)

FNR (ferredoximNADP oxidoreductase) — ферредоксин: НАДФ оксидоредуктаза

GDP (guanosine-5'-diphosphate) — гуанозиндифосфат (ГДФ)

GTP (guanosine-5'-triphosphate) — гуанозинтрифосфат (ГТФ)

H (high potential) — высокопотенциальный редокс-агент

ICM (intracytoplasmic membrane structures) — интрацитоплазматические мембранные
структуры

L (low potential) — низкопотенциальный редокс-агент

LHC (light-harvesting complex) — светособирающий комплекс

NAD (nicotinamide adenine dinucleotide) — никотинамидадениндинуклеотид (НАД)

NADH (reduced nicotinamide adenine dinucleotide) — восстановленный никотинамида-
дениндинуклеотид (НАДН)

NADP (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) — никотинамидадениндинуклеотид-
фосфат (НАДФ)
NADPH (reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) — восстановленный
никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН)

OEC (oxygen-evolving complex) — кислородвыделяющий комплекс

OEE (oxygen-evolving enhancer) — энхансер кислородвыделяющего комплекса

ОМ (outer membrane) — наружная мембрана

Р680 (pigment-680) — первичный донор фотосистемы II

Р700 (pigment-700) — первичный донор фотосистемы I

РВР (phycobiliprotein) — фикобилипротеин

PBS (phycobilisome) — фикобилисома

PBV (phycobiliviolin) — фикобиливиолин

PC (phycocyanin) — фикоцианин

Pc (plastocyanin) — пластоцианин

PCB (phycocyanobilin) — фикоцианобилин

PCR (polymerase chain reaction) — полимеразная цепная реакция (ПЦР)

РЕ (phycoerythrin) — фикоэритрин

РЕВ (phycoerythrobilin) — фикоэритробилин

Ph (pheophytin) — феофитин

Pi (inorganic phosphate) — неорганический фосфат

PMF (proton-motive force) — протондвижущая сила

PPi (inorganic pyrophosphate) — неорганический пирофосфат

PQ (plastoquinone) — пластохинон

PQH2 (reduced plastoquinone) — восстановленный пластохинон

PSI, Psa (photosystem I, photosystem a) — фотосистема I

PSII, Psb (photosystem II, photosystem b) — фотосистема II

PUB (phycourobilin) — фикоуробилин

Q (quinone) — хинон

QH2 (reduced quinone) — восстановленный хинон

RC (reaction centre) — фотосинтетический реакционный центр

ROS (reactive oxygen species) — активная форма кислорода

RuBisCO (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase) — рибулозобисфосфат-
карбоксилаза/оксигеназа

SDS (sodium dodecyl sulfate) — додецилсульфат натрия

SOD (superoxide dismutase) — супероксиддисмутаза (СОД)

SRP (signal-recognition particle) — сигналраспознающая частица

SSU (small subunit) — малая субъединица

UV (ultraviolet) —ультрафиолетовое излучение
КРАТКИЙ СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

Азотавтотрофия (nitrogen autotrophy) см. диазотрофия
Аноксигенная фототрофия (anoxygenic phototrophy) фототрофия, не сопряженная с ферментатив- ным окислением воды
Апопротеин (apoprotein) полипептид, (не)ковалентно присоединяющий хромофор или коэнзим с образованием голо- пигмента или голоэнзима
Ассимиляция субстрата (assimilation of substrate) включение экзогенного (не)органического субстрата в состав надмолекулярных структур клетки
Ассимиляция энергии (assimilation of energy) преобразование энергии экзогенного энерго- носителя в протондвижущую силу или макро- эргическое соединение (фосфаген)
Биогенез (biogenesis) координированный процесс биосинтеза, сбор- ки и обновления надмолекулярных структур клетки
Биосинтез (biosynthesis) образование простого вещества или химиче- ского соединения в результате одной или не- скольких ферментативных реакций
Вспомогательный пигмент (accessory pigment) пигмент, как правило, не входящий в состав фотосинтетического реакционного центра
Диазотрофия (diazotrophy) метаболический процесс, при котором проис- ходит ферментативное восстановление моле- кулярного азота в аммиак с последующим аминированием кетокислот или фумарата, а также амидированием глутамата
Диссимиляция субстрата/энергии (dissimilation of substrate/energy) метаболический процесс, по своему конечному результату противоположный ассимиляции субстрата/энергии
Карбоксидотрофия (carboxydotrophy) углеродавтотрофия, при которой ассимилиру- ются углекислота, ион бикарбоната или окись углерода
Квазифототрофия (quasi-phototrophy) фототрофия, которая адаптивно осуществляет- ся хемотрофом в состоянии энергетического стресса
Ксеносома (xenosome) цитоплазматическая органелла, эволюционно произошедшая путем эндоцитобиоза бактерии с ядерной клеткой или одной ядерной клетки с другой
Литотрофия (lithotrophy) см. хемолитотрофия
Метаболизм (metabolism) регулируемые взаимосвязанные процессы транспорта, ассимиляции и диссимиляции
Метаболическая энергия (metabolic energy) см. ассимиляция энергии
Метилотрофия (methylotrophy) метаболический процесс, при котором асси- миляция энергии, освобождающейся при окислении формальдегида или метильной группы субстратов, не имеющих углерод- углеродных связей, сочетается с углеродавто- трофной ассимиляцией формальдегида и/или углекислоты
Митохондрия (mitochondrion) хемотрофная ксеносома, эволюционно про- изошедшая от эндоцитобиотической анокси- генной фототрофной бактерии
Монокарботрофия (monocarbotrophy) см. углеродавтотрофия
Оксигенная фототрофия (oxygenic phototrophy) фототрофия, сопряженная с ферментативным окислением воды
Оксифотобионт (oxyphotobiont) организм, для которого внутренним источни- ком метаболической энергии служит оксиген- ная фототрофия
Простая пластида (simple plastid) фототрофная ксеносома, эволюционно про- изошедшая от эндоцитобиотической оксиген- ной фототрофной бактерии
Протондвижущая сила (proton-motive force) трансмембранная разность электрохимических потенциалов ионов водорода
Прохлорофит (prochiorophyte) оксигенная фототрофная бактерия, имеющая по крайней мере один вспомогательный хло- рофилл
Реакционный центр (reaction centre) интегральный мультиполипептидный хлоро- филлсодержащнй комплекс, который в резуль- тате фотохимического акта восстанавливает низкопотенциальный донор электронов, ис- пользуемый в эндергонических реакциях
Родопласт (rhodoplast) пластида, имеющая фикобилипротеиновые светособирающие антенны
Светособирающая антенна (light-harvesting antenna) агрегат пигмент-белковых комплексов или хромопротеинов, выполняющий функцию фо- торецептора и резонансным путем передаю- щий энергию реакционному центру
Свободная энергия (free energy) часть полной энергии физико-химической сис- темы (например, энергии реагирующих ве- ществ), которая может быть преобразована в полезную работу или ассимилированную энер- гию
Сложная пластида (complex plastid) фототрофная ксеносома, эволюционно про- изошедшая от эндоцитобиотической ядерной клетки, содержавшей простую пластиду
Специализированная пластида (specialized plastid) ксеносома с невыясненной физиологической функцией, эволюционно произошедшая от пластиды и сохранившая рудиментарный фо- тосинтетический аппарат
Тилакоид (thylakoid) сдвоенная внутриклеточная мембрана бакте- рии или простой пластиды, несущая оксиген- ный фотосинтетический аппарат
Углеродавтотрофия (carbon autotrophy) метаболический процесс, при котором моле- кулы, содержащие углерод-углеродные связи, синтезируются из молекул, не содержащих таких связей
Углеродгетеротрофия (carbon heterotrophy) метаболический процесс, при котором моле- кулы, содержащие углерод-углеродные связи, синтезируются из молекул, уже содержащих такие связи
Фикобилисома (phycobilisome) светособирающая антенна, построенная из агре- гатов фикобилипротеиновых субъединиц, стаби- лизированных линкерными полипептидами
Фотоавтотрофия (phototrophy) метаболический процесс, при котором фото- трофия сочетается с углеродавтотрофией
Фотогетеротрофия (photoheterotrophy) метаболический процесс, при котором фото- трофия сочетается с углеродгетеротрофией
Фотосинтез (photosynthesis) см. фотоавтотрофия
Фотосинтетический аппарат (photosynthetic apparatus) биоэнергетическая пигментная система, пре- образующая поглощенную энергию света в протондвижущую силу
Фотосистема (photosystem) надмолекулярная система, состоящая из свето- собирающей антенны и реакционного центра
Фототроф (phototroph) организм, имеющий свой, а не приобретенный вместе с эндоцитобионтом, фотосинтетиче- ский аппарат
Фототрофия (phototrophy) метаболический процесс, при котором энергия световых квантов через возбужденные состоя- ния пигмент-белковых комплексов или хромо- протеинов ассимилируется в форме протон- движущей силы
Хемогетеротрофия (chemoheterotrophy) метаболический процесс, при котором асси- миляция энергии, освобождающейся при фер- ментативном окислении органических суб- стратов, сочетается с углеродгетеротрофией
Хемолнтоавтотрофия (chemolithoautotrophy) метаболический процесс, при котором хемо- литотрофия сочетается с углеродавтотрофией
Хемолитотрофия (chemolithotrophy) метаболический процесс, при котором энер- гия, освобождающаяся при ферментативном окислении неорганических субстратов, асси- милируется в форме протондвижущей силы
Хемосинтез (chemosynthesis) Хемотроф (chemotroph) Хемотрофия (chemotrophy) Хлоробионт (chlorobiont) Хлоропласт (chloroplast) Хромобионт (chromobiont) Хромопласт sensu lato (лат. - в широ- ком смысле слова) Хромопласт sensu stricto (лат. - в уз- ком смысле слова) Хромопротеин (chromoprotein) Хромофор (chromophore) Цианобактерия (cyanobacterium) Электронтранспортная цепь (electron transfer chain) Эндоцитобиоз (endocytobiosis) см. хемолитоавтотрофия организм, для которого хемотрофия служит основным способом ассимиляции энергии метаболизм, при котором ассимилируется энергия, освобождающаяся при ферментатив- ном окислении (не)органических субстратов организм, имеющий хлоропласт(ы) зрелая пластида, содержащая вспомогатель- ный хлорофилл b организм, имеющий хромопласт(ы) sensu lato пластида, имеющая вспомогательный хлоро- филл с один из дифференцированных вариантов хло- ропласта белок с ковалентно связанным хромофором светопоглощающий небелковый домен пиг- мент-белкового комплекса или хромопротеина оксигенная фототрофная бактерия, имеющая фикобилипротеины и не имеющая вспомога- тельных хлорофиллов система переносчиков электронов и протонов, создающая протондвижущую силу за счет сво- бодной энергии донор-акцепторной пары симбиотическая ассоциация гетерологичных клеточных организмов, один из которых со- держит другого непосредственно в цитоплазме или внутри мембранного компартмента
ВВЕДЕНИЕ

In scientia Natitrali

Principia veritatis
Observationibus confirmari debent.

Linnaeus

В естественных науках
основы истины
должны быть подтверждены наблюдениями.

Линней

Название этой книги— нетрадиционно. Более привычным было бы встретить вместо
него слово «фотосинтез'» или словосочетание «оксигенный фотосинтез». Однако на то,
чтобы предпочесть им термин «оксигенная фототрофия», имелись серьезные причины.

Подобно многим биологическим терминам прошлого, термин «фотосинтез» постепен-
но утратил свое первоначальное значение и давно уже не подразумевает синтез органиче-
ских соединений из углекислоты и воды на свету. Вместо него в современной классифика-
ции типов метаболизма широко используется точный, конкретный в смысловом отношении
термин «фотоавтотрофия» (A. Lwoff).

Фотоавтотрофия — это такой тип метаболизма, при котором фототрофия, или биологи-
ческая утилизация энергии света, сопровождается углеродавтотрофией, или использованием
одноуглеродных молекул в качестве «стартового» строительного материала. Таким образом,
фотоавтотрофия представляет собой сочетание двух процессов — энергетического светоза-
висимого метаболизма и конструктивного первично-продуктивного метаболизма.

В соответствии со спецификой используемых доноров электронов или продуктов их
окисления фототрофшо можно подразделить на несколько равноценных типов. Так, напри-
мер, можно говорить о «сероводородном», «водородном» типах фототрофии и т.д. Однако'
один из них занимает исключительное положение. Это оксигенная фототрофия, при кото-
рой в результате использования воды (донора электронов) образуется кислород (побочный
продукт окисления донора).

Традиционно вопросы оксигенной фототрофии излагаются таким образом, что основ-
ной акцент делается на ассимиляционные конструктивные процессы - причем, как правило,
у высших растений.

Мы же рассматриваем эту тему прежде всего в свете ассимиляционных энергетических
процессов. Поэтому не следует удивляться тому, что за рамками изложения остались важ-
нейшие аспекты автотрофного конструктивного метаболизма, а именно: транспорт неорга-
нического углерода, карбоксилирование, биосинтез первичных метаболитов, запасные ве-
щества и т.д. Все это имеет самое непосредственное отношение к углеродавтотрофии, одна-
ко не следует забывать, что автотрофами по углероду являются не только растения и фото-
трофные бактерии, но и литотрофные бактерии, метилотрофные бактерии, а также некото-
рые археи (Кондратьева, 1996). Углеродавтотрофия не находится в уникальной связи с фо-
тотрофией вообще и с оксигенной фототрофией в частности.

В предлагаемом руководстве читатель имеет возможность ознакомиться с молекуляр-
но-цитологическими основами оксигенной фототрофии— глобальной ассимиляции све-
товой энергии, осуществляемой с помощью фотосинтетического аппарата наиболее
распространенного типа; этот процесс связан с образованием молекулярного кислоро-
да из воды — универсального природного растворителя и фазы, которая наряду с жид-
кокристаллическим матриксом биологических мембран обеспечивает динамическое
функционирование живых организмов.

Оксигенной фототрофией (англ, oxygenic phototrophy; от англ, oxygenic - кислородный
и греч. <рсо^— свет, тро<рт| — питаюсь; буквально - питание светом, ведущее к образованию
кислорода; A. Lwoff) называется наиболее эффективный и самый распространенный из всех
механизмов, с помощью которых живая природа полезно использует световую энергию. Он
действует на нашей планете уже на протяжении ~3,5 млрд лет и приурочен к гетерогенной
группе оксифотобионтов, которая охватывает широкий круг объектов - от одной из групп
бактерий до высших наземных растений.

Глобальный процесс оксигенной фототрофии служит основой для существования не
только природных экосистем, но и техногенной цивилизации, которая достигла гигантского
прогресса к началу третьего тысячелетия. Проблемы оксигенной фототрофии — это фокус-
ная точка, в которой сошлись ключевые вопросы биоэнергетики и молекулярной цитологии,
метаболической регуляции и геномики, филогении и систематики, биоразнообразия и эколо-
гии.

Оксигенная фототрофия — многоплановая тема, и поэтому краткие обобщения не мо-
гут претендовать на ее всестороннее и исчерпывающее изложение, они лишь акцентируют
внимание читателя на наиболее интересных и актуальных аспектах. Предлагаемая книга не
является исключением из общего правила, и ее авторы преследуют вполне конкретную за-
дачу: дать современный обзор молекулярно-цитологических основ, мультивариантности и
эволюции фотосинтетического аппарата Cyanobacteria и пластид. Насколько нам известно,
совместное обсуждение этих аспектов оксигенной фототрофии еще не проводилось в моно-
графической литературе.

К сожалению, приходится признать, что в современных руководствах по цитологии,
биохимии и генетике основы оксигенной фототрофии отражены излишне конспективно, что
не адекватно их истинному значению.

Главные темы, рассматриваемые в книге, — это молекулярная цитология и биоэнерге-
тика оксигенной фототрофии. Менее подробные комментарии получили вопросы генетики и
посттрансляционной регуляции данного процесса.

При написании книги авторы основывались на наиболее авторитетных и преимущест-
венно новых данных. Некоторые разделы впервые обобщают материал по принципиально
важным аспектам оксигенной фототрофии и смежным вопросам. Часть из них ранее не
обобщалась в мировой литературе, а многие еще не комментировались на русском языке.

Не свойственное для учебного издания конкретное цитирование и обширный список
литературных источников предоставляют читателю возможность самостоятельно продол-
жить знакомство с проблемами оксигенной фототрофии.
Предлагаемая книга затрагивает темы клеточной биологии, но не в традиционном ее
понимании — читатель получит основные сведения о клеточной биологии прокариотов, т.е.
о динамическом строении организмов, которые не имеют ядра.

Знакомое каждому биологу понятие «клеточная биология» поставлено рядом с другим
популярным термином — «прокариоты». Оправданно ли такое соседство? Есть ли смысл
говорить о клеточной биологии прокариотов, если существует общая клеточная биология, а
прокариотам помимо этого уделяется внимание в специальных пособиях по микробиологии,
биохимии, генетике и молекулярной биологии? Что подразумевается под прокариотами,
сохранил ли этот термин свой первоначальный смысл и какие организмы им обозначаются?
Ответы на этот и другие вопросы эволюционной цитологии можно найти в предлагаемой
книге.

Наконец, является ли клеточная биология дисциплиной, перед которой стоят свои спе-
цифические проблемы, и не заимствует ли она теоретические основы и методические под-
ходы у других биологических наук?

Хотя общепринятого определения клеточной биологии не существует, этот термин дав-
но вытеснил из биологического лексикона «функциональную цитологию», «физиологию
клетки», «динамическую биохимию». На наш взгляд, предмет клеточной биологии можно
определить следующим образом: клеточная биология изучает генетические, структур-
ные, метаболические, регуляторные и эволюционные основы жизни в рамках клеточно-
го уровня организации.

Приведенная формулировка не нова и укладывается в представления, существовавшие
на том этапе развития биологии, который был связан с прогрессом общих дисциплин — ци-
тологии, физиологии, генетики и биохимии, с их относительно обособленным кругом теоре-
тических представлений и методических подходов. На еще более раннем историческом эта-
пе натурфилософия подразделялась на зоологию и ботанику, которые разграничивались по
характеру изучаемых объектов. В настоящее время при классификации биологических наук
вновь восстановлен примат объекта—- однако теперь это глобальные группы родственных
организмов, или филогенетические мегатаксоны.

Подобно общей цитологии, традиционно представленной цитологией животных и не
отражающей современный уровень развития цитологии растений, грибов, бактерий и т.д.,
общая клеточная биология не может подменить клеточную биологию соответствующих
групп живых организмов. Однако до сих пор представление о клеточной биологии устойчи-
во ассоциируется прежде всего с животными. Не оформилась в отдельный предмет клеточ-
ная биология протистов, хотя фундамент этой науки был заложен работами Макса Фервор-
на (М. Verwom) еще в 80-х годах XIX в. Самостоятельно не существует клеточной биологии
грибов, а также клеточной биологии растений, вопросы которой традиционно относятся к
компетенции физиологии растений. Словосочетания «клеточная биология прокариотов»,
«клеточная биология бактерий», «клеточная биология архей» редко можно встретить в спе-
циальной литературе. Поэтому неудивительно, что нет учебников и руководств с такими
названиями.

Дискриминация прокариотов (бактерий и архей), объективно существующая в профес-
сиональной среде биологов и вследствие этого в биологическом образовании, объясняется
особенностью истории изучения этих организмов. Как известно, отношение к бактериям как
объектам исследований резко изменилось лишь после появления бактериальной генетики в
1950-х годах XX в. (J. Lederberg, W. Hayes) и особенно — после создания в середине 1970-х
годов методов генной инженерии, основанных на клонировании генов животных и растений
в составе бактериальных репликонов. До этого большинство биологов воспринимали бакте-
рий как аутсайдеров органического мира, которые имеют репутацию организмов с прими-
тивной морфологией, гетерогенной физиологией и высоким темпом жизни, и изучение ко-
торых требует использования специфических и довольно обременительных методов. Преж-
де чем превратиться в фундаментальную научную дисциплину, бактериология долго остава-
лась сферой научной деятельности, тесно связанной с практикой. Начиная со второй поло-
вины XIX в. первоочередное развитие получила физиологическая биохимия избранных
представителей бактерий— важных для медицины патогенных форм и интересных для
промышленности продуцентов целевых продуктов. К сожалению, и в нынешнее просвещен-
ное время порой можно услышать, что изучение бактерий не является самостоятельной на-
учной задачей, а необходимо лишь в той мере, в какой способствует решению специфиче-
ских проблем биохимии, молекулярной генетики и иммунологии эукариотных организмов.
С подобным утверждением нельзя согласиться, поскольку главная цель биологии— сис-
темный анализ биоразнообразия объектов, и в этом отношении бактерии нисколько не усту-
пают протистам, грибам, животным и растениям.

В наше время роль аутсайдеров биологии вместо бактерий играют археи, несмотря на
то что они имеют статус филогенетического мегатаксона не меньшего ранга. Причиной это-
го является отсутствие среди архей патогенных форм, а также слабое вовлечение их в про-
мышленное производство и молекулярно-генетические эксперименты с эукариотными орга-
низмами.

Прокариоты, включая тех, которые образуют трихомы, т.е. уникальные квазимногокле-
точные структуры, представляют собой клетки-организмы. В этом отношении они сходны с
протистами, у которых генетические, метаболические, транспортные и регуляторные про-
цессы также не выходят за пределы клеточного уровня организации. Однако у протистов, в
отличие от прокариотов, функции более компартментализованы, а структуры менее поли-
функциональны. Для прокариотов характерны сложность и разнообразие близкодействую-
щих регуляторных систем, некоторые из которых не имеют аналогов у эукариотных клеток.

Прокариоты характеризуются более рационализированной и унифицированной органи-
зацией, чем ядерные организмы. Если говорить о морфофизиологических стратегиях, то у
животных и растений это диверсификация (увеличение разнообразия) тканевых и органных
процессов питания, транспорта и регуляции; у грибов — прогрессивное развитие осмотроф-
ной поверхности; у протистов — повышение структурно-функциональной гетерогенности
клетки. У прокариотов это прежде всего диверсификация путей метаболизма и максималь-
ное развитие полифункциональности клеточных структур.

Необходимо отметить, что клеточной биологии прокариотов принадлежит основной
информационный вклад в исследование этих организмов, тогда как многоклеточные эука-
риотные объекты служат предметом изучения как для клеточной биологии, так и для дисци-
плин, оперирующих на тканевом и органном уровнях.

Прокариоты — ценные объекты для выполнения молекулярно-биологических опера-
ций, которые позволяют анализировать генетические системы, ответственные за реализа-
цию важнейших структурных, метаболических и регуляторных аспектов жизнедеятельно-
сти.

Основная часть биоразнообразия — клетки растений и животных, снабженные пласти-
дами и митохондриями. Эти органеллы-экзогеносомы имеют бактериальный морфотип и
обнаруживают филогенетическое родство с конкретными группами бактерий. Поэтому изу-
чение строения и функциональных свойств прокариотов не только представляет самостоя-
тельный интерес, но и позволяет лучше понять организацию и эволюцию ядерных организ-
мов. Вопросы строения и эволюционного происхождения полуавтономных цитоплазматиче-
ских органелл также нашли отражение в тексте.

По сравнению с бактериями археям уделяется недостаточно внимания в учебной лите-
ратуре, и необходимость заполнения этого пробела учитывалась при написании отдельных
разделов руководства.

Помимо данных литературы в книге использованы результаты собственных исследова-
ний и многолетний опыт чтения А.В. Пиневичем на биолого-почвенном факультете С.-Пе-
тербургского (Ленинградского) государственного университета общего курса «Микробио-
логия», а также спецкурсов «Клеточная биология прокариотов», «Эволюция клетки и мета-
болических путей», «Археи», «Литотрофы» и «Цианобактерии».

Разделы 3.1 и 5.1.2 написаны при участии Н.В. Величко; с ее помощью по авторским
эскизам изготовлены иллюстрации.

Авторы искренне обязаны профессору кафедры микробиологии СПбГУ К.В. Квитко за
детальное ознакомление с рукописью, конструктивные советы и ценные замечания. Глубо-
кая признательность приносится старшему преподавателю кафедры цитологии и гистологии
СПбГУ Т.В. Серговской за критическое прочтение и тщательную правку текста. С благо-
дарностью отмечается поддержка, оказанная магистрантом той же кафедры А.А. Пиневич, и
ее деятельное участие в подготовке материалов к печати.
Г л а в a 1

ОСНОВЫ СТРУКТУРНОЙ БИОЭНЕРГЕТИКИ

Окспгенная фототрофия играет ведущую роль в воспроизводстве трофического фунда-
мента, на котором воздвигнут «храм природы» (Е. Darwin), или биосфера. В этом явлении
как в зеркале отражаю гея структурно-функциональные закономерности органической жиз-
ни. Оксигенная фототрофия представляет собой мультивариантный биоэнергетический ме-
ханизм, который реализуется путем экспрессии комплекса высоко консервативных генов и
осуществляется на основе специализированных клеточных структур.

Описание оксигенного фотосинтетического аппарата и бноло!нческого разнообразия
оксигенных фототрофов требует краткого изложения основ структурной биоэнергетики, от
элементарных представлений в области эволюционной цитологии до общих сведений о фо-
тотрофпи — ведущем процессе ассимиляции свободной энергии.

1.1. ЭВОЛЮЦИОННАЯ ЦИТОЛОГИЯ

Сложная в структурном отношении и разнообразная в своих проявлениях органическая
жизнь— это уникальный элемент реальности, и дать ей безупречное гносеологическое оп-
ределение, скорее всего, принципиально невозможно.

Для биолога термодинамической основой жизни служат неравновесные процессы
(Э. Бауэр).

У физика не вызывает сомнения, что важнейшим свойством жизни является анизотро-
пия биологических структур (Е. Schrodinger).

С точки зрения химика жизнь означает неограниченно долго существующую автоном-
ную систему реакций органического катализа (J. Bernal).

Согласно рабочему определению экзобиологической программы NASA жизнь— это
самоподдерживающаяся химическая система, подверженная дарвиновой эволюции (см.:
Euisi, 1998).

В определение жизни обязательно должны входить такие аспекты, как существование в
виде совокупности индивидов, адаптивное взаимодействие с окружающей средой и истори-
ческое развитие. Не подлежит сомнению то обстоятельство, что органическая жизнь и орга-
ническое живое состояние неразрывно связаны с клетками и сохранением их целостности.

По нашему мнению, жизнь может быть определена как пространственно-временная
экспансия полинуклеотидных матриц, которая осуществляется с помощью мульти-
вариантных мембранных микрокомпартментов, или клеток.

Действительно, благодаря имманентной способности к матричному копированию по-
линуклеотидные структуры увеличиваются в объеме (амплифицируются), качественно из-
меняются (мутируют) и обмениваются отдельными блоками информации (рекомбинируют).
Для этих процессов необходимы субстраты и энергия, которые должны быть сконцентриро-
ваны и преобразованы, что в естественных условиях возможно только в пределах компар-
тмента, находящегося в состоянии анизотропии с окружающей физико-химической средой.
Для воспроизводимости ситуации такой компартмент должен быть открытой и соответст-
венно квазистационарной системой.

Всем этим требованиям отвечает клетка, окруженная полупроницаемой унитарной
мембраной. В известном смысле клетка — это биореактор, в котором протекает нуклеотид-
полимеразная реакция, причем копироваться может как эндогенная, так и экзогенная мат-
рица.

Таким образом, приведенное определение распространяется также на неклеточные ор-
ганизмы, в частности на вирусы, хотя их происхождение загадочно, и они могут соответст-
вовать как доклеточной, так и постклеточной форме жизни (Matthews, 1985). Однако вирус-
ный геном кодирует только те системы, которые обеспечивают внедрение в клеточный ком-
партмент и репликацию, и не кодируют независимо от них существующие функциональные
структуры самого компартмента. Автономной (но не более совершенной) формой жизни
являются клетки.

При таком уточнении определения жизни помимо экологического, метаболического и
генетического аспектов важная роль отводится структуре, что позволяет рассматривать
клетку прежде всего с позиций ее геометрической организации.

Анализ общего плана строения клеток свидетельствует о том, что они представляют со-
бой не сплошной ряд взаимно переходящих форм, а ограниченный набор дискретных мор-
фотипов. Существуют «клетки и клетки», и их классификация составляет рациональную ос-
нову фенотипической системы, которая строится с учетом объективно выявленных филоге-
нетических взаимоотношений между глобальными морфотипами.

Дихотомическая классификация. В современной биологии очень часто используются
термины «прокариоты» и «эукариоты». Однако, как ни парадоксально, с прогрессом науки
все труднее становится ответить на, казалось бы, простые вопросы: каково содержание этих
понятий, сохранили ли они свой первоначальный смысл и какие организмы они обозначают.

Идея использовать ядро клетки в качестве ведущего признака в макросистематике жи-
вых организмов была впервые высказана в 1938 г. Эдуаром Шаттоном (Е. Chatton) и им же
были предложены термины «прокариот» (англ, prokaryote; от греч. лро — до и Kapoov —
ядро ореха) и «эукариот» (англ, eukaryote; от греч. ев — наилучший и Kccpoov — ядро оре-
ха). Хотя с точки зрения истории науки ценность «ядерного» критерия остается неоспори-
мой, нет сомнений в том, что истинное значение для глобальной классификации имеет ком-
плекс цитоморфологических, физиолого-биохимических и молекулярно-биологических при-
знаков. Ядро лишь условно можно считать primus inter pares (лат. — первым среди равных).

Идея клеточной дихотомии и соответствующая терминологическая инициатива не по-
лучили резонанса в отсутствие данных о роли мембран в клеточной компартментализации, и
в первую очередь — данных об ультраструктуре и молекулярно-генетических свойствах
ядра.

Развернутая теория двух глобальных морфотипов была сформулирована лишь в 1970-х
годах Роджером Стениером (R. Stanier) и Корнелисом ван Нил ем (С. van Niel). Революцион-
ное значение для макросистематики имело их предложение считать термины «прокариот» и
«бактерия» эквивалентными. Это помогло ответить на давно назревший вопрос — в чем
состоит отличие бактерий от других микроскопических организмов, т.е. в чем заключается
специфика их клеточной организации.

В рамках прокариотной концепции была осуществлена первоначально не поддержанная
ботаниками ревизия систематического положения синезеленых водорослей, которых с того
момента стали рассматривать как цианобактерий. На том же основании, но уже в бескон-
фликтных обстоятельствах, был пересмотрен таксономический статус актиномицетов, и в
настоящее время они рассматриваются как актинобактерии.

Термин «прокариот», так же как и термин «эукариот», является ключевым в биологиче-
ском лексиконе и на первый взгляд не нуждается в расшифровке. Но это далеко не так. Воз-
можно его двойное толкование, поскольку приставка «pro-» указывает и на уровень органи-
зации, и на последовательность происхождения. Поэтому prokaryote может означать «орга-
низм, имеющий неоформленное ядро» и «эволюционный предшественник ядерных орга-
низмов». Как выясняется, оба эти значения не согласуются с современными данными о
строении и филогении живых объектов, которых называют прокариотами.

Прежде всего нет оснований говорить о ядре или ядерном эквиваленте у прокариотов,
поскольку у этих организмов отсутствует компартментализация генетического материала.

Если обратиться к истории кариологии, то выяснится, что термин «ядро» (лат. nucleus)
имеет старое происхождение — он был предложен еще в 1833 г. (R. Brown). В 1870-х годах
было показано, что ядро растительной клетки воспроизводится исключительно делением и
что дочерние ядра равномерно распределяются при цитокинезе. Содержимое клетки, окру-
жающее ядро, получило название цитоплазмы (англ, cytoplasm; от греч. кито^ — сосуд и
лХасфЯ — восковая фигурка; Е. Strasburger). В те же годы было опубликовано первое опи-
сание кариокинеза у животных и введен термин «митоз» (англ, mitosis; от греч. щто^ —
нить; W. Fleming), обозначающий процесс непрямого деления ядра. Общеупотребительные
названия фаз митоза принадлежат Эдварду Страсбургеру. В середине 1870-х годов были
изолированы макромолекулярные маркеры ядра — гистоны и ДНК, первоначально описан-
ная как «нуклеин» (англ, nuclein; F. Miescher). Одновременно с этим была выявлена внутри-
ядерная субстанция, имеющая высокое сродство к красителям анилинового ряда (Р. Ehrlich),
для обозначения которой Уолтер Флеминг предложил термин «хроматин» (англ, chromatin;
от греч. хрсоца— краска). В 1888 г. хроматиновые структуры были названы хромосомами
(англ, chromosome; от греч. хрсоцос— краска, осоца— тело; W. Waldeyer). Наконец, в
1920-х годах было установлено, что в хромосомах находятся наследственные факторы —
гены, и описан механизм кроссинговера (англ, crossing over; Т. Morgan) как основа генети-
ческой рекомбинации у эукариотов.

В последней четверти XIX — первой половине XX в. специалисты в области цитологии
животных и растений делали настойчивые попытки выявить ядро или его морфологический
эквивалент у бактерий, поскольку в классической клеточной теории (Т. Schwann,
М. Schleiden) ядро рассматривалось как неотъемлемый атрибут любой клетки. С помощью
методов, разработанных для животных и растительных объектов, у бактерий стремились
обнаружить метафазные хромосомы, а также отдельные фазы митоза. При «положитель-
ном» ответе (за ядро обычно принимали полифосфатные включения) зоны неоднородного
окрашивания цитоплазмы интерпретировали как хромосомы (см. Brock, 1988). Отрицатель-
ный ответ объясняли малыми размерами объектов, деградацией ядерных структур в ходе
приготовления препаратов, неудачным подбором красителей и т.д. Однако во второй поло-
вине XIX в. высказывались и экзотические предположения — например, что бактерии прак-
тически лишены цитоплазмы и представляют собой «клетку-ядро» (О. Biitschli).
В конце 1960-х годов было выяснено, что ядро, хроматиновые пела и митоз не являются
универсальными атрибутами клетки. При электронном микроскопировании бактерий
(включая актиномицетов и цианофицей, которые в то время были искусственно обособлены
от «истинных» бактерий) не удалось обнаружить ядерной оболочки -— физической границы
между ДНК-содержащими структурами и цитоплазмой. Наряду с этим было установлено,
что у бактерий отсутствуют два динамически структурированных процесса: обратимая кон-
денсация хромосрм и сегрегация дочерних хроматид и хромосом, осуществляемая с помо-
щью цитоскелетного аппарата. Низкая дискретность хроматина бактерий по сравнению с
хроматином ядерных организмов отмечалась еще при световом микроскопировании в конце
XIX — начале XX в.

Попутно необходимо отметить, что специалисты в области макросистематики интуи-
тивно воспринимали бактерий как самостоятельную группу клеточных организмов и посте-
пенно пришли к выводу, что бактерии не относятся к царствам животных, простейших, рас-
тений и грибов. Что касается микробиологов, то они предпочитали рассматривать бактерий,
независимо от их таксономической принадлежности, как прямых потомков «цптод» (англ,
cytode; от греч. кото^ — сосуд и ед8о£ — подобие; Е. Haeckel), или безъядерных протокле-
ток, находящихся на примитивном уровне организации живой материи.

Ядро по определению соответствует обособленной сердцевине клетки. Однако только с
переходом па улыраструктурный уровень исследований выяснилось, что речь идет об уни-
кальном компартменте, который изолирован от цитоплазмы специализированными мембра-
нами ядерной оболочки. Это коренным образом изменило представления о цитологическом
статусе ядра, и его стали воспринимать как уникальную органеллу, которая подчиняется
логической формуле «все или ничего». Таким образом, нельзя признать удачным термин
«эквивалент ядра» (англ, nuclear equivalent); следовало бы также отбросить тавтологическую
приставку (ей-) и термин «эукариоты» заменить термином «кариоты» (англ, karyotae; от
греч. KCtpoov — ядро ореха), а вместо термина «прокариоты» ввести термин «акариоты»
(англ, akaryotae; от греч. ос— без- и Kccpoov — ядро ореха). Строго говоря, применительно к
неядерным организмам желательно избегать не только терминов «ядро», «ядерный эквива-
лент», «ядерное тело» (англ, nuclear body), «ядерная область» (англ, nuclear area), но и таких
терминов, как «нуклеоплазма» (англ, nucleoplasm) и «нуклеоид» (англ, nucleoid). Для обо-
значения некомпартментализованной ДНК лучше было бы использовать термины «хромо-
сома» и «генофор» (англ, genophore; от греч. yEVO^— происхождение и (роро^ — несущий;
W. Hayes).

Помимо ошибочного указания на примитивность ядра, термин prokaryotae может рас-
шифровываться и как «предшественники ядерных организмов». До середины 1970-х годов,
пока не были разработаны методы молекулярной палеонтологии, с помощью которых уда-
лось объективно реконструировать глобальную филогению, древо клеточных организмов
считали дихотомическим. Соответственно один из его стволов ассоциировали с эукариота-
ми, под которыми тогда понимали ядерные организмы с полуавтономными энергоассими-
лирующими органеллами — митохондриями и пластидами, а другой ствол— с прокариота-
ми, к которым в то время относили только бактерий.

Прокариотная концепция a priori допускала, что неядерные организмы образуют моно-
филетическую группу. Поскольку монофилетизм эукариотов также не вызывал сомнений,
глобальное эволюционное древо интерпретировали безальтернативно — как имеющее два
ствола.
Одновременно с этим бактерий рассматривали как do-ядерную стадию эволюции клет-
ки. В 1960-1970-х годах были опубликованы гипотетические сценарии эволюционного про-
исхождения эукариотов путем поэтапной компартментализации бактериальной клетки в
рамках представлений об автогенезе (англ, autogenesis; от греч. осито^— сам, yevo^— про-
исхождение; F. Taylor). Предполагалось, что ядерная оболочка, эндоплазматический рети-
кулум, аппарат Гольджи, лизосомы и другие универсальные для эукариотов компартменты
возникли в результате функциональной дифференциации эндомембран, которые формиро-
вались из интернированных участков плазматической мембраны прокариотной клетки. Про-
исхождение не универсальных для эукариотов органелл— митохондрий и пластид— рас-
сматривали как реорганизацию тех внутриклеточных мембранных структур, которые асси-
милировали энергию соответственно хемотрофным и фототрофным способами.

Однако еще в конце XIX — начале XX в. было предложено альтернативное объяснение
эволюционного происхождения пластид и митохондрий — гипотеза симбиогенеза (англ,
symbiogenesis; от греч. ow — вместе, — жизнь и yEVO^ — происхождение; A. Schim-
per, С. Mereschkowsky). Несмотря на расширявшийся круг приверженцев, этот сценарий
долгое время воспринимался как фантастический в отличие от казавшегося более реали-
стичным автогенеза. В настоящий момент эндоцитобиоз, одним из вариантов которого яв-
ляется симбиогенез, или ксеногенез (англ, xenogenesis; от греч. £,Т]vo£ — чужой и укмо^ —
происхождение; F. Taylor) рассматривается как закономерное явление.

Для вывода об эволюционном происхождении эукариотов от бактерий нет никаких ос-
нований — по современным данным, существуют два филогенетических ствола прокарио-
тов, причем предок эукариотов не относится ни к одному из них.

Наступление эры молекулярной палеонтологии (середина 1960-х годов) вызвало глубо-
кий кризис дихотомической концепции. Впервые появились серьезные аргументы, опровер-
гающие гипотезы о монофилетизме прокариотов и эволюционной преемственности между
бактериями и эукариотами.

Центральная идея современной хемосистематики (Zuckerkandl, Pauling, 1965) заключа-
ется в том, чтобы использовать структуру апериодических макромолекул, или «семантид»
(англ, semantide; от греч. сгрршусо— печатать, el5o£— подобие), в качестве универсально-
го эволюционного хронометра. В этом случае уровень гомологии между семантидами слу-
жит мерой дивергенции между соответствующими организмами.

В качестве семантид первоначально анализировались полипептиды, поскольку молеку-
лярная биология в тот период опиралась почти исключительно на методические достижения
химии белка. Выбор материала для оценки молекулярной гомологии был также неслучай-
ным — секвенировались цитохромы как редокс-ферменты, играющие ключевую роль в ме-
таболизме и имеющие практически универсальное распространение. С развитием молеку-
лярной биологии нуклеиновых кислот полипептиды стали реже использоваться как семан-
тиды (в качестве исключения можно назвать субъединицы Н+-транслоцирующих АТР-аз,
ферредоксины и фактор рекомбинации RecA).

Новый подход к реконструкции филогении, состоявший в секвенировании олигонукле-
отидных фрагментов РНК малой рибосомальной субъединицы, затем в секвенировании
структурного гена 16(18)S рРНК и, наконец, в секвенировании оперона рРНК, был разрабо-
тан в начале 1970-х годов Карлом Возом (С. Woese) и его сотрудниками. Существует ряд
стандартных, неизменно приводимых аргументов в пользу избрания именно этих участков
генома или их транскриптов на роль главного филогенетического маркера. Это универсаль-
ность рибосом, сочетание консервативности и вариабельности в структуре рРНК, крайне
редко осуществляемый горизонтальный перенос рДНК и т.д.

В результате применения указанных молекулярно-биологических методов было уста-
новлено, что априорная дихотомия искусственна, и глобальное филогенетическое древо
имеет по меньшей мере тритомическую структуру (Olsen et al., 1994; Woese, 2000). Ветви
древа соответствуют филогенетическим мегатаксонам— доменам (англ, domain; от греч.
5оцо£ — дом, или семья). Домен Bacteria (греч. PaKTpov — палка) является наиболее арха-
ичным. Вопреки своему названию домен Archaea (греч. ар%Г] — начало) дивергировал с
доменом Еисагуа после того, как бактерии ответвились от основания ствола филогенетиче-
ского древа (рис. 1).

общий предок

(progenote)

Рис.1. Глобальное филогенетическое древо.

Стрелками обозначен путь формирования эндоцитобиотических ассоциаций.

Прокариотные домены — Bacteria и Archaea, в свою очередь, состоят из фил (англ,
phyla; от греч. (ръХт| — племя). Среди них имеются как фенотипически охарактеризованные,
так и фантомные филы, которые обособлены на основе непосредственного анализа генных
структур при полном отсутствии информации о фенотипе. С усовершенствованием молеку-
лярно-биологических методов и в результате проведения скрининга нетрадиционных эколо-
гических ниш и анализа образцов «природной» (англ, natural) ДНК количество выявленных
фантомных фил бактерий постоянно возрастает и в настоящее время их насчитывается не-
сколько десятков.

Современная глобальная классификация прокариотных организмов — бактерий и ар-
хей, построена на филогенетической основе, и во втором издании (2001) «Руководства Бер-
ги по систематике бактерий» в составе домена Bacteria выделяют 23 филы (BI-BXXIII), ка-
ждой из которых соответствует таксономическая группа в ранге отдела. В состав домена
Archaea входят только две филы (AI и АН).

В ходе анализа рРНК бактерий выяснилось, что она обнаруживает низкую гомологию с
РНК цитоплазматических рибосом ядерных организмов, однако высоко гомологична рРНК
митохондрий, а также рРНК хлоропластов и пластид Rhodophyceae. Таким образом, резуль-
таты секвенирования рРНК митохондрий и пластид привели к объективному подтвержде-
нию гипотезы симбиогенетического происхождения полуавтономных цитоплазматических
органелл от бактерий с соответствующей энергетической доминантой (рис. 1).

В настоящее время не установлена, но и не опровергнута возможность участия пред-
ставителей домена Archaea в эволюционном симбиогенетическом сценарии (рис. 1). Явле-
ние эндоцитобиоза распространено, в частности, у метаногенных архей, и если полуавто-
номные цитоплазматические органеллы не бактериального, а археотного происхождения
действительно существуют, то их скорее всего нужно искать среди анаэробных митохонд-
рий или гидрогеносом (см. разд. 5.2.2).

Итак, эволюционная преемственность между прокариотами и ядерными организмами
действительно имеет место, однако это касается не ядерного организма в целом, а лишь его
отдельной части, что полностью соответствует гипотезе ксеногенеза.

На дендрограмме, построенной по матрице подобия рРНК, эукариоты образуют моно-
филетический домен Еисагуа, т.е. экспериментальные данные не противоречат традицион-
ным представлениям о единстве происхождения ядра. Напротив, априорные предположения
о монофилетизме прокариотов не нашли фактического подтверждения — оказалось, что
неядерные клетки по меньшей мере дифилетичны. Таким образом, начиная с высшего так-
сономического уровня складывается парадоксальная ситуация, при которой спектр дивер-
генции генотипов не соответствует спектру дивергенции фенотипов. Близко родственные
представители домена Bacteria обладают контрастными фенотипами, в то время как фило-
генетически удаленные бактерии обнаруживают высокое фенотипическое сходство. Анало-
гичная картина наблюдается у Archaea, а также у протистов, расположенных в основании
ствола Еисагуа. Самый яркий пример анизоморфии фенотипической и филогенетической
дендрограмм - дихотомия прокариотов и эукариотов. Прокариотами являются не только
Bacteria, но и филогенетически далекие от них Archaea; при этом обнаруживается более
тесная связь между Archaea и Еисагуа, хотя они и принадлежат к различным морфотипам.

Прокариоты — это искусственно выделенная группа, объединяющая на основе призна-
ка отсутствия ядра два глобальных эволюционных ствола. Степень их дивергенции сравни-
ма со степенью дивергенции каждого из них со стволом эукариотов. Таким образом, дихо-
томическая классификация устарела. Но означает ли это, что пришло время отказаться от
использования термина «прокариоты», и если нет, то как согласовать его с истинной трито-
мической филогенией? С этой целью необходимо прежде всего обратиться к цитологиче-
ской макросистеме, в которой клеточные организмы подразделяются на «монад» и «химер»
(Taylor, 1982). Собственно клетками являются только монады (англ, monad; от греч.
povoq — один), которые обладают четырьмя основными структурно-функциональными ат-
рибутами. Первый атрибут монады — это геном, индивидуальная кодирующая система на
основе компактизированной ДНК. Второй атрибут монады — это генетически гомогенная
популяция рибосом, универсальных комплексов трансляции. Третий атрибут монады — это
цитоплазматическая мембрана, полупроницаемый барьер, который изолирует содержимое
клетки от экзоплазматического компартмента или непосредственно от окружающей среды.
В отличие от них четвертый признак монады — цитоплазма не обладает морфологически
оформленной структурой. Существует и пятый атрибут монады, цитоскелет, однако он не
имеет универсального распространения.

Согласно Френсису Тейлору, монады могут образовывать друг с другом два варианта
клеточных ассоциаций. Первый вариант— это полимонада (англ, polymonad), наружное
объединение идентичных монад. Второй вариант— простая химера (англ, chimaera; от греч.
Xipaipa — Химера, мифологический монстр с телом льва, второй — козьей — головой и
змеиным хвостом), результат эндоцитобиоза между разными монадами. Если простая химе-
ра состоит из монад двух типов, то это так называемая диада (англ, dyad; от греч. био —
два). В свою очередь, эндоцитобиоз с участием монад трех типов обозначается как триада
(англ, tryad; от греч. три; — три).

Основа современного биоразнообразия — это простые химеры, потомки эндоцитобио-
тических ассоциаций между фаготрофными ядерными клетками и представителями двух
фил бактерий— Cyanobacteria и Proteohacteria (рис. 1). В данном случае разные монады
играют роль соответственно клеток-хозяев, простых (англ, simple) пластид и митохондрий.

По аналогии с полимонадой наружные ассоциации идентичных простых химер носят
названия «полидиада» и «политриада». Примеры полидиад — Animalia, политриад — боль-
шинство Plantae.

Еще один вариант клеточных организмов — сложная химера, результат эндоцитобиоза
между простыми химерами. Наиболее известные примеры сложных химер — это
Euglenozoa и Cryptophyceae. Пластиды этих организмов относятся к особому типу — так
называемым сложным (англ, complex) пластидам, которые произошли от триад, захвачен-
ных фаготрофными диадами.

На основе сказанного можно дать следующее определение терминов «прокариоты» и
«эукариоты».

Прокариоты — это неядерные клетки-монады; прокариотное строение имеют
представители доменов (филогенетических мегатаксонов) Bacteria и Archaea, а также
энергоассимилирующие органеллы бактериального происхождения— митохондрии и
«простые» пластиды. Эукариоты — это ядерные клетки-монады, которые составля-
ют домен Еисагуа.

Хотя концепция двух морфотипов исходит из наличия ядра, очевидно, что этот признак
далеко не единственный, по которому два типа монад отличаются друг от друга. Еще в
1970-х годах ряд авторов (Е. Dodson, L. Margulis, R. Stanier и др.) независимо друг от друга
пришли к выводу, что при сравнении прокариотов с эукариотами обязательно нужно учиты-
вать сложную совокупность критериев клеточной организации — от молекулярных до мор-
фологических. Особо отмечалось, что следует различать главные и второстепенные, универ-
сальные и не универсальные признаки. Недостаток этого подхода состоит в том, что вместо
интегральной характеристики морфотипа предлагается каталогизировать признаки различ-
ного организационного уровня.

Тритомическая классификация. Альтернативная точка зрения заключается в сле-
дующем: из совокупности признаков, характеризующих клеточные морфотипы, важнейшим
является общий план строения мембранной системы.
В начале 1980-х годов было выдвинуто концептуальное положение, согласно которому
основное и универсальное отличие прокариотов от эукариотов состоит в способе компар-
тментализации клетки. Эукариотам постоянно свойственна система эндомембран, один из
специализированных участков которой образует ядерную оболочку — структурный маркер
ядра (Cavalier-Smith, 1981). Томас Кавалье-Смит особо отметил, что митохондрии и пласти-
ды нельзя считать атрибутами эукариотов, поскольку они представляют собой экзогеносо-
мы — оганеллы симбиотической природы, сами имеющие цитологический статус монад.
Истинные эукариоты — это монады, которые в современной биосфере представлены не
имеющими митохондрий протестами из царства Amitozoa (Philippe et al., 2000).

Универсальным признаком эукариотов служит отсутствие мембранного континуума
при наличии динамического везикулярного сообщения между плазматической мембраной и
постоянно присутствующими морфологически гетерогенными и локально дифференциро-
ванными эндомембранами, с которыми ассоциируются процессы конструктивного метабо-
лизма. Для прокариотов наличие эндомембран не обязательно, однако если они есть, то они
непосредственно соединены с плазматической мембраной, имеют монотонную морфологию
и отвечают за ассимиляцию энергии.

Как выясняется, реальная картина классификации морфотипов сложнее, чем традици-
онное подразделение на прокариотов и эукариотов. Сопоставление структуры мембранных
систем Archaea, Еисагуа и Bacteria говорит в пользу тритомической классификации гло-
бальных морфотипов (Pinevich, 1994; Gupta, 1998).

Первый из них, археотный морфотип, универсален для домена Archaea (рис. 2,а). Его
характеризует единственная мембранная структура, образованная унитарной мембраной, —
цитоплазматическая мембрана (англ, cytoplasmic membrane, СМ). Помимо СМ у архей обна-
ружены эндомембраны, однако они либо относятся к неунитарному типу (оболочки газовых
везикул у экстремальных галофилов), либо имеют артефактную природу (метанохондрии у
метаногенов). В конце 1970-х годов унимембранный вариант строения клетки был назван
«фирмикутным» (англ, firmicutic; от лат. firmicuticularis — твердооболочечный). Однако ав-
торы термина (N. Gibbons, R. Murray) не уточнили, что именно служит критерием механиче-
ских свойств оболочки. Поэтому для обозначения фирмикутного морфотипа (который не
следует смешивать с типом окрашивания по Граму) в настоящее время чаще используется
термин «грамположительный» (англ, gram-positive; Т. Beveridge).

Второй, кариотный морфотип, универсален для домена Еисагуа (рис. 2,в). Его призна-
ком служат две мембранные структуры: интрацитоплазматические мембраны (англ,
intracytoplasmic membranes, ICM) и CM. ICM состоят из сообщающихся между собой ком-
партментов, которые взаимодействуют с СМ через переходную мембранную структуру -
мобильный коннектор, или везикулярную челночную (англ, shuttle) систему. Этот коннектор
обеспечивает транспортные процессы цитоза, а также биогенез СМ.

ICM клеток Еисагуа называют еще «вакуомом» (англ, vacuom; от лат. vacuola — пузы-
рек; С. de Duve). Этим термином обозначается совокупность топологически замкнутых
мембранных компартментов, или вакуолей. Вакуом подразделяется на ядерную оболочку,
аппарат Гольджи, транспортные везикулы, ЭПР, микросомы и т.д. Его функцией является
конструктивный метаболизм — биосинтезы и процессинг, депонирование запасных ве-
ществ, деструкция обновляемого материала, транспорт субстратов и экскреция метаболитов.
Однако вакуом не осуществляет ассимиляции метаболической энергии в форме трансмем-
бранной разности электрохимических потенциалов ионов водорода (см. ниже). Эту биоэнер-
гетическую функцию выполняют эндомембраны экзогеносом — митохондрии и пластиды.
а б в

Рис.2. Глобальные клеточные морфотипы.

а - археотный, б - бактериальный (с видоизмененными вариантами 61 и 62), в - кариотный морфотип.
СМ - цитоплазматическая мембрана; ICM - интрацитоплазматические мембранные структуры; ОМ - наружная
мембрана; с - межмембранный коннектор.

Третий, бактериальный морфотип, характерен для домена Bacteria (рис. 2,6). Его осо-
бенностью являются три концентрические мембранные структуры: ICM, СМ и наружная
мембрана (англ, outer membrane, ОМ). В отличие от эукариотов у бактерий ICM представле-
ны монотонным комплексом сообщающихся между собой везикул, тубулярных элементов,
дисков или сдвоенных мембран — ламелл. Главную функцию ICM составляет ассимиляция
метаболической энергии, однако они могут в некоторой степени участвовать и в конструк-
тивном метаболизме. Коннекторы, соединяющие ICM и СМ, не обладают мобильностью.
Это короткие, небольшого диаметра тубулярные анастомозы, с помощью которых устанав-
ливается мембранный континуум, а содержимое ICM сообщается с собственно экзоплазмой
(клеточной фазой, ассоциированной с внешней поверхностью СМ), или периплазмой. При
временном отсутствии анастомозов они могут возобновляться путем слияния ICM и СМ.
Функциональное значение редких анастомозов не может быть значительным, и, вероятно,
они представляют собой рудименты когда-то сильно развитого у прародительских форм
бактерий континуума.

Характерной особенностью бактериального морфотипа служит ОМ — «вторая» СМ.
Эта уникальная мембранная структура расположена снаружи от СМ, и поэтому ее обычно
обозначают как наружную, или внешнюю, мембрану (синоним — «липополисахаридная»,
что указывает на маркерный компонент экзоплазматического полумембранного листка).
Нейл Гиббонс и Роберт Мюррей предложили для клеток, имеющих наружную мембрану,
название «грациликутные» (англ, gracilicutic; от лат. gracilicuticularis — нежнооболочечный).
Однако этот термин не получил широкого распространения, поскольку связь между архи-
тектурой и пластическими качествами клеточной оболочки не очевидна. Другое обозначе-
ние грациликутного морфотипа — «грамотрицательный» (англ, gram-negative; Т. Beve-
ridge), и хотя тинкториальные свойства клетки не следует смешивать с архитектурой, в на-
стоящее время данный термин стал общеупотребительным.

Для понимания природы бактериального морфотипа важно иметь в виду, что почти все
фенотипически охарактеризованные филы эволюционного древа Bacteria относятся к гра-
мотрицательному морфотипу. Единственное исключение — это фила Firmicutes (ВХШ), в
состав которой одновременно входят организмы как с грамотрицательным, так и с грампо-
ложительным морфотипом.

Поскольку ОМ полностью окружает СМ, между ними образуется уникальный компар-
тмент — периплазматическое пространство (англ, periplasmic space), которое выполняет
механопротекторную, осмотическую, транспортную и метаболическую функции. Вопрос о
природе коннектора между СМ и ОМ остается открытым, высказываются предположения,
что он представляет собой челночную везикулу, перманентно существующий анастомоз или
зону мембранной адгезии - «контакт Байера» (англ. Bayer junction). Независимо от конкрет-
ной организации коннектора есть основания считать, что он участвует в биогенезе ОМ.

Все три мембранные структуры вместе встречаются только у фототрофных, хемолито-
трофных и метилотрофных бактерий. Остальные представители домена Bacteria, как прави-
ло, конвергируют с бимембранным кариотным морфотипом (рис. 2,б2) . Среди бактерий
также немало форм, конвергирующих с унимембранным археотным морфотипом — у них
нет не только ICM, но и ОМ (рис. 2,6j).

Тем не менее существование би- и унимембранных форм не противоречит тримем-
бранной природе бактерий. Руководствуясь данными секвенирования рРНК, специалисты в
области молекулярной палеонтологии рассматривают бимембранное строение как архаиче-
ский признак, который доминирует в спектре биоразнообразия бактерий и маркирует все
фенотипически охарактеризованные филы древа Bacteria (Olsen et al., 1994). К архаическим
признакам бактерий относят и фототрофию, которая тесно сопряжена с развитием ICM, —
главные филы древа Bacteria образованы исключительно фототрофами или имеют отдель-
ных фототрофных представителей. Таким образом, функционально-цитологические аргу-
менты вместе с данными молекулярной палеонтологии свидетельствуют о том, что эволю-
ция бактерий — это эволюция тримембранного морфотипа. В свою очередь, бимембранные
и унимембранные формы бактерий могут рассматриваться как результат вторичного упро-
щения тримембранного морфотипа. Сходство би- и унимембранных бактерий с представи-
телями кариотного и археотного морфотипов, как и должно быть при конвергенции, чисто
внешнее, поскольку молекулярный состав ОМ бактерий и СМ архей имеет мало общего с
молекулярным составом СМ эукариотной клетки.

Предлагаемая тритомическая классификация обладает преимуществами перед дихото-
мической. Во-первых, тритомическое фенотипическое древо изоморфно глобальному эво-
люционному древу, что позволяет избавиться от устаревшего искусственного подразделения
на прокариотов и эукариотов. Во-вторых, глобальные морфотипы дифференцируются в со-
ответствии с ведущим признаком клетки — общей архитектурой мембранной системы.
1.2. МЕМБРАНЫ ПРОКАРИОТОВ

Модель двухслойной (англ, bilayer) липидной мембраны, отвечающая термодинамиче-
скому условию минимума свободной энергии, была впервые предложена в 1935 г.
(J. Danielli, Н. Davson). Данные, полученные в конце 1950-х годов в основном с помощью
электронно-микроскопических методов, позволили создать на этой формальной физико-
химической основе модель элементарной (англ, elementary) биомембраны, отражающую
общие свойства протеолипидных структур эукариотных объектов (Robertson, 1981). Резуль-
таты исследования мембранных структур у бактерий, а впоследствии и архей, превратили
модель элементарной мембраны в модель унитарной (англ, unit) мембраны, т.е. примени-
мую ко всем клеточным организмам. Дальнейшее морфобиохимическое изучение прокарио-
тов дало возможность по-новому взглянуть на молекулярную структуру и функции мембран,
с расширенным толкованием понятия «биомембрана», или просто «мембрана».

Мембранами называют ламинарные структуры, образованные двухслойным глице-
ролипидным матриксом, на противоположных поверхностях которого фиксированы
(или в который интегрированы) полипептиды. Важными, но не обязательными ком-
понентами мембран являются циклизованные производные бесцветных полиизопре-
ноидов (в частности, стероиды), окрашенные полиизопреноиды (каротиноиды) и ка-
ротин- или каротинохлорофилл-белковые комплексы. В состав мембран включены ко-
факторы ферментов, субстраты и метаболиты, а также простые органические и
неорганические молекулы, играющие роль сигнализаторов и регуляторов или биологи-
чески инертные. Мембраны везикулизируются, благодаря чему на их основе формируются
топологически замкнутые компартменты.

От особенностей молекулярного состава мембран зависит их специализация. Однако
все мембраны имеют общее свойство — непроницаемость для гидрофильных молекул, пре-
жде всего для ионов. Цитоплазматическая поверхность мембраны гидрофильна - иначе не
удалось бы обеспечить ее термодинамическое равновесие с цитоплазмой. Противоположная
экзоплазматическая поверхность также гидрофильна или обладает инвертированной гидро-
патичностью, что определяется характером фазы, в сторону которой она ориентирована.

Для выполнения структурных и физиологических, прежде всего барьерных, функций
мембрана не обязательно должна быть образована двумя полумембранными листками и
иметь йротеолипидный состав. Реальное разнообразие молекулярной архитектуры мембран
выходит за рамки модели элементарной мембраны и ее более поздних модификаций, на-
пример жидкостно-мозаичной (англ, liquid mosaic) модели (S. Singer, G. Nicholson).

По молекулярному составу, локализации и выполняемым функциям мембранные струк-
туры бактерий и архей более разнообразны, чем мембранные структуры эукариотов
(табл. 1).

Функциональная активность мембран определяется спецификой их молекулярных ком-
понентов. Помимо полипептидного состава важное значение имеет распределение полипеп-
тидов в трансверсальном и латеральном направлениях, их динамическое взаимодействие
между собой, а также с другими молекулами. Состав (но не физическое состояние) липид-
ного матрикса в целом относительно мало влияет на биологические свойства мембран
(Huijbregts et al., 2000). В частности, бактерии и эукариоты имеют структурно сходные ли-
пиды, хотя в функциональном отношении их мембраны существенно различаются. Напро-
тив, мембраны бактерий и архей обладают одинаковым спектром функций при совершенно
разном составе липидов. Не вдаваясь в подробности, отметим, что мембранные липиды ар-
хей имеют две основные уникальные особенности (см: Gambacorta el al., 1994):

- глицероэфиры архей содержат 2,3-ди-О-глицерин, в то время как во всех остальных
природных глицерофосфатидах или диацилглицеридах глицерин имеет лл-1,2-конфигу-
рацию;

- гидрофобными боковыми радикалами являются не остатки алифатических кислот или
алифатических альдегидов, а фитанил и его производные (полностью восстановленные
ациклические или циклизованные полиизопреноиды).

Таблица 1. Мембранные структуры бактерий и археи

Мембранная структура Встречаемость Примечание
Образованы унитарной мембраной
СМ Все бактерии и археи У некоторых представителей филы Crenarchaeota (AI) зеркально ориенти- рованные молекулы липидов попарно соединены ковалентными связями, т.е. отсутствует билипидный слой как кри- терий унитарности
ОМ Все бактерии, относящие- ся к грамогрицательному морфотипу Определяет структурную целостность клетки и нормальное протекание фи- зиологических процессов
ICM Многие бактерии, отно- сящиеся к грамотрица- тельному морфотипу Образуют континуум с СМ; распро- странены у фото-, лито- и метилотро- фов; необходимы постоянно или фор- мируются в некоторых адаптационных состояниях

Образованы не унитарной мембраной

Оболочки газовых везикул Многие бактерии и археи Интрацитоплазматический белковый монослой; формируется в некоторых адаптационных состояниях
Оболочки карбоксисом и включений полиалканоа- тов Некоторые бактерии Интрацитоплазматический белковый монослой с интегрированными поли- пептидами и периферическими фер- ментами; формируется в некоторых адаптационных состояниях
Поверхностный S-слой (а); оболочки наружных газовых баллонов (б) Многие бактерии и археи (а); Bacillus «vesiculiferus» (б) Экзоплазматический белковый моно- слой; определяет структурную целост- ность клетки и нормальное протекание физиологических процессов (а); фор- мируется в некоторых адаптационных состояниях(б)
Оболочки хлоросом Бактерии филы Chloroflexi (В VI) и филы Chlorobi (BXI) Интрацитоплазматический липидный монослой с интегрированными полипептидами; формируется в некоторых адаптационных состояни- ях или (у облигатно фототрофных Chlorobi) конститутивно
Из всех мембранных структур бактериальной или археотной клетки важнейшей, несо-
мненно, является СМ. Она не только обеспечивает структурную целостность организма, но
и играет интегративную физиологическую роль, поскольку жизненные процессы у клеток
этого морфотипа в основном протекают на уровне оболочки, а не ассоциированы, как у про-
тестов, грибов, животных и растений, с эндомембранами или мембранами цитоплазматиче-
ских органелл (Golecki, 1988).

СМ бактериальной или археотной клетки совмещает в себе такие элементы функцио-
нальной специализации, как:

- транспорт субстратов и экскреция, свойственные СМ эукариотов;

- биосинтез липидов и секреция белков, свойственные ICM эукариотов;

- ассимиляция энергии, свойственная ICM митохондрий и пластид.

При детальном рассмотрении выясняется, что СМ бактериальной и археотной клет-
ки — это высоко полифункциональная структура. Она поддерживает осмотический баланс с
окружающей средой, осуществляет рецепцию внешних сигналов и различные виды транс-
порта. Помимо выполнения функций, общих с СМ эукариотов, она способна ассимилиро-
вать энергию, преобразуя ее в энергию трансмембранной разности электрохимических по-
тенциалов ионов водорода. Для СМ бактериальной клетки характерно участие в генетиче-
ских процессах— репликации и сегрегации дочерних хромосом, а также в векторном
транспорте ДНК. Таким образом, эту мембранную структуру можно рассматривать как кле-
точную органеллу, с которой тем или иным образом ассоциированы все основные процессы
жизнедеятельности.

Как уже указывалось, для бактериального морфотипа типично, хотя и не обязательно,
присутствие второй мембранной структуры — ОМ. Третья мембранная структура — ICM
также не универсальна для бактерий. В отличие от ОМ, ICM образуется у одних бактерий
при адаптации к определенным условиям окружающей среды, а у других (прежде всего
Cyanobacteria) — конститутивно.

Присутствие, степень развития и функциональная специализация ICM имеют приспо-
собительный характер — ассимиляция некоторых форм энергии, в особенности энергии
электромагнитного поля, осуществляется по экстенсивному принципу, т.е. зависит от пло-
щади поверхности энерготрансформирующих мембранных структур. В отсутствие ICM для
интенсификации притока метаболической энергии достаточно увеличить соотношение меж-
ду площадью CM (s) и объемом клетки (v). Однако эволюционные возможности прокарио-
тов в этом плане оказались ограниченными. Среди фототрофных бактерий филаментозной
формой является только Rhodomicrobium vannielii, но и у нее сильно развиты ICM. Реализа-
ция «поверхностной» морфогенетической стратегии в онтогенезе также не получила широ-
кого развития. Единственным известным примером служит пурпурная бактерия
Rhodospirilluin tenue, которая при слабом освещении образует длинные тонкие клетки, а на
ярком свету — короткие утолщенные клетки с более низким отношением s/v.

Альтернативным решением энергетической проблемы оказалась внутренняя экспансия,
или интернирование, мембран. Естественно, что вследствие своей внутриклеточной локали-
зации ICM не выполняют пограничных функций, таких как поглощение субстратов, экспорт
экзометаболитов, рецепция сигналов и т.д.

Большинство генераторов трансмембранного электрохимического градиента (см. разд.
1.3) представляют собой надмолекулярные структуры, которые занимают относительно
много места в мембране. Размер каждой из них приближается к толщине билипидного слоя
(7-8 нм). У фототрофов дополнительно к протонтранслоцируюшей системе имеется еще и
громоздкий светособирающий комплекс. Поэтому неудивительно, что экстенсивное разви-
тие фотосинтетического аппарата сопровождается его интернированием; благодаря этому
появляется возможность разместить внутри клетки специализированные мембранные струк-
туры, суммарная площадь поверхности которых многократно превышает площадь поверх-
ности СМ. Другое физиологическое преимущество интернирования - это образование изо-
лированных от внешней среды компартментов, на границе которых поддерживается транс-
мембранный электрохимический градиент.

О том, что эволюция фототрофных бактерий сопровождалась интернированием фото-
синтетического аппарата, свидетельствуют морфологические данные — только в относи-
тельно редких случаях у них отсутствуют или слабо развиты ICM. Примерами являются зе-
леные несерные бактерии из филы Chloroflexi (ВVI), зеленые серные бактерии из филы
Chlorobi (ВXI), несколько видов пурпурных несерных бактерий из филы Proteobacteria
(ВХП) и все гелиобактерии из филы Firmicutes (XIII). Среди представителей филы
Cyanobacteria (ВХ) не имеет тилакоидов только Gloeobacter violaceus.

Способность к образованию ICM, их молекулярный состав и механизмы биогенеза ге-
нетически детерминированы. Однако видоспецифический морфотип ICM не имеет прямого
кодирования, и в основе формирования того или иного архитектурного варианта (англ,
pattern) скорее всего лежат еще не выявленные эпигенетические закономерности (Pinevich,
1997).

1.3. АССИМИЛЯЦИЯ ЭНЕРГИИ

Мембранным структурам принадлежит ведущая роль в глобальной фенотипической
классификации не только на формально-морфологических основаниях, но и потому, что они
определяют общую компартментализацию клетки, обеспечивая одно из условий существо-
вания живых организмов. Мембранные структуры служат границей, изолирующей друг от
друга соседствующие гетерогенные компартменты. Наконец, они являются твердофазной
основой для осуществления анизотропных физиологических процессов, в частности исполь-
зуются для иммобилизации некоторых ферментных систем.

Живое состояние зависит от устойчивого неравновесия, или разности химических и
электрических потенциалов, которая с помощью мембран поддерживается между цитоплаз-
мой и экзоплазмой или непосредственно между цитоплазмой и окружающей средой. Одним
из проявлений такого устойчивого неравновесия служит ассимиляции энергии на уровне
мембранных структур бактериальных и археотных клеток (Скулачев, 1989).

Ассимиляция энергии осуществляется либо путем ее преобразования в химический по-
тенциал молекул, выполняющих роль метаболических посредников между экзергонически-
ми и эндергоническими реакциями (АТР, конденсированные неорганические фосфаты, ас-
партилфосфат, ацетилфосфат, креатинфосфат, фосфоэнолпируват), либо в форме трансмем-
бранной разности электрохимических потенциалов неорганических катионов (прежде всего
Н+, а также Na+ и Са2+).

В первом случае молекулы, играющие роль энергетических посредников, или «фосфа-
генов» (англ, phosphagen; от греч. — свет и yevr) — рождаю), образуются в результате
субстратного фосфорилирования, которое представляет собой семейство однотипных реак-
ций, протекающих в цитоплазме и катализируемых растворимыми киназами:

ADP + субстрат ~ Р; <н> АТР + субстрат. (1)
При субстратном фосфорилировании реакция направлена в сторону синтеза АТР, а
предварительное образование фосфорилированного субстрата (субстрат ~ Pj) осуществляет-
ся в результате прямого включения ортофосфата в состав органической молекулы при ее
окислении дегидрогеназной системой. Примером может быть ключевая реакция гликоли-
за — превращение глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-бисфосфоглицерат.

Реакции субстратного фосфорилирования широко распространены у Bacteria (значи-
тельно реже они встречаются у Archaea и Еисагуа\ хотя число их вариантов сравнительно
невелико. Что касается самого термина «субстратное» фосфорилирование, то его нельзя
признать удачным — фосфорилирование в любом случае связано с субстратами, прежде
всего с ADP и Pj. Лучше говорить не «субстратное», а «цитоплазматическое» фосфорилиро-
вание. Это отражало бы суть процесса, поскольку такие реакции относятся к изотропным
системам и катализируются растворимыми ферментами.

Альтернативой субстратного фосфорилирования служит «мембранное» фосфорилиро-
вание. Согласно хемиосмотической теории, формулировка основных положений которой
была дана Питером Митчелом (Р. Mitchell) в начале 1960-х годов, мембранное фосфорили-
рование представляет собой векторный процесс на уровне мембранных структур, разде-
ляющих гетерогенные компартменты. Такие структуры (у бактерий это СМ или ICM, а у
архей — только СМ) играют роль барьера между цитоплазматическим и экзоплазматиче-
ским компартментами и одновременно с этим — роль основы, которая иммобилизует фер-
ментативный аппарат синтеза АТР.

При мембранном фосфорилировании изменение свободной энергии (AG, кДж моль-1),
выраженной в химическом потенциале Р; (потенциале фосфорилирования),

AGM(Pj) = A|x(Pi) = RT In [PJ [ADP]/[ATP], (2)

где R — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температура, связано не с ки-
назными реакциями, а с изменением свободной энергии, выраженной в трансмембранной
разности электрохимических потенциалов протонов:

AGV+P (Н+) = FAy + Ац (Н+), (3)

где F"-;- число Фарадея; А\у — разность электрических потенциалов, созданная неравновес-
ным распределением суммарного заряда катионов Н+; Ац(Н+) — осмотическая разность хи-
мических потенциалов Н+.

Согласно Митчелу, хемиосмотическая конверсия двух форм ассимилированной энер-
гии — свободной энергии химического потенциала Р; и свободной энергии трансмембран-
ной разности электрохимических потенциалов Н+ является обратимой:

AGM(Pi)oAGv+M(H+). (4)

Хемиосмотическая конверсия осуществляется с помощью Н+-транслоцирующей АТР-
азы/синтазы, или ATP-азы обратимого действия (англ. H+-translocating ATP-ase/synthase,
reversible ATP-ase). Этот уникальный осмоэнзим состоит из интегрированного в мембрану
проводящего домена (Fo) и эпимембранного каталитического домена (F]).

В ситуации, когда АТР-аза/синтаза действует как ATP-аза, каталитический центр доме-
на F[ присоединяет к себе АТР и гидролизует терминальную фосфоангидридную связь. За
счет свободной энергии этой реакции протоны переходят из цитоплазматического в экзо-
плазматический компартмент по каналу в домене Fo. Перемещение осуществляется против
термодинамического градиента потенциальной энергии (англ, uphill — в гору). При этом
экзоплазматический компартмент закисляется, а эктоплазматическая поверхность мембраны
становится относительно более электропозитивной по сравнению с цитоплазматической
поверхностью — «положительной снаружи» (англ, positive outside).

Если же АТР-аза/синтаза выполняет функцию ATP-синтазы, то протоны перемещаются
через канал внутри домена Fo по термодинамическому градиенту (англ, downhill — под го-
ру). За счет потенциальной энергии протонов каталитический центр домена F[ присоединяет
ADP и Рн и образуется терминальная фосфоангидридная связь АТР. Уменьшение протонно-
го градиента изменяет электрический потенциал экзоплазматической поверхности мембра-
ны в негативную сторону, а pH экзоплазматического компартмента — в сторону более ще-
лочных значений.

Потенциальная энергия протонов, преобразуемая в свободную энергию АТР, по пред-
ложению Митчела получила название «протондвижущей силы» (англ, proton-motive force,
PMF).

Обратимость реакции, которую катализирует АТР-аза/синтаза, определяется реальным
соотношением между потенциалом фосфорилирования и PMF. Если AGM(Pj) становится бо-
лее высоким, чем nxPMF (где п — количество протонов, которые переносятся через мем-
брану при гидролизе одной молекулы АТР), то за счет АТР-азной активности генерируется
PMF. В противоположном случае за счет энергии протонного градиента осуществляется
синтез АТР из ADP и Pj.

В начале XX в. Вальтер Нернст (W. Nernst) разработал теорию электродвижущей силы
как функции осмотического давления и электролитического напряжения в растворе. В соот-
ветствии с ней энергия системы, состоящей из двух водных фаз, разделенных мембраной,
или «иондвижущая сила» (англ, ion-motive force, IMF), накапливается в форме разности
электрохимических потенциалов ионов, локализованных в этих фазах. Количественно такая
энергия представляет собой алгебраическую сумму двух компонентов (для соблюдения ад-
дитивности они выражаются в мВ, и поэтому значение химического потенциала необходимо
разделить на число Фарадея) — разности электрических потенциалов и разности химиче-
ских потенциалов:

IMF =-- тпДу + Дц(Г’|+)/Е = тДу + RT/F ln[IJ0lll/[I]in, (5)

где т — величина положительного заряда иона I; Ду - разность электрических потенциалов
между противоположными поверхностями мембраны; Дц— разность химических потен-
циалов иона в разделенных мембраной водных фазах; [I]out и [1]1П— молярные концентра-
ции, или активности иона в экзоплазматической (out) и цитоплазматической (in) фазе.

В частном случае для протонов (m = 1) преобразование натурального логарифма чис-
ленного соотношения молярных концентраций в единицы pH дает

PMF = Ду - 2,3 RT/F ДрН. (6)

В свою очередь, для температуры 25 С подстановка стандартных значений R
(8,3146 Дж град'1-моль-1) и F (96490 Кл моль"’) окончательно дает (мВ)

PMF = Ду - 59,06 ДрН. (7)
Следовательно, если концентрация протонов в разделенных мембраной компартментах
различается в десять раз, это эквивалентно разности электрических потенциалов ~59 мВ.
При пересчете в единицы химического потенциала величина составляет -5,7 кДжмоль’1
(-1,36 ккал-моль-1).

Н+-транслоцирующие ATP-азы обратимого действия (F0F! ATP-азы, или ATP-азы F-
типа) имеются только у прокариотов — бактерий и архей, а также у произошедших от бак-
терий энергоассимилирующих органелл — митохондрий и простых пластид (Nelson, 1992).
В отличие от них мембранные ATP-азы эукариотных клеток (Р ATP-азы плазматической
мембраны и V ATP-азы эндомембран) способны только к односторонней конверсии свобод-
ной энергии АТР в PMF.

Синтез фосфагенов и прежде всего АТР является не единственным путем утилизации
ассимилированной энергии в мембранных системах прокариотов; помимо этого PMF может
использоваться для осуществления таких эндергонических процессов, как:

- движение с помощью вращающихся жгутиков и скользящее движение;

- вторичный транспорт экзогенных субстратов;

- импорт экзогенных белков и полинуклеотидов (гетерологичной ДНК);

- экспорт метаболических продуктов;

- секреция белков.

В соответствии с положениями хемиосмотической теории мембранная ассимиляция
энергии осуществляется в форме ионных градиентов — PMF и «натрийдвижущей силы»
(англ, sodium-motive force, SMF) (Скулачев, 1989). Эти градиенты не только запасают энер-
гию, но также сопрягают эндергонические и экзергонические процессы, т.е. выполняют
функцию, аналогичную функции АТР в изотропной среде. Перенос энергии в мембранных
системах осуществляется векторным путем, в частности с помощью векторных фермента-
тивных реакций, и приводит к уменьшению ионных градиентов и расходу PMF.

Молекулярные механизмы, выполняющие роль генераторов PMF, принято называть
«первичными» транспортерами (англ, primary transporter). В отличие от них ферментативные
системы активного транспорта экзогенных субстратов, в частности, ионов называют «вто-
ричными» транспортерами (англ, secondary transporter). Источником свободной энергии для
накопления экзогенного субстрата служит его собственный (электро)химический градиент
или, при uphill-транспорте, уже существующий (электро)химический градиент другого суб-
страта.

У эукариотов первичный транспорт на уровне энергизуемой СМ или эндомембран
осуществляется исключительно с помощью Р ATP-аз и V ATP-аз (см. ниже), а также Н+ пи-
рофосфатаз (РРгаз). На этом фоне прокариоты демонстрируют гораздо более широкий
спектр энергетических возможностей. Помимо ATP-зависимого и РРгзависимого механиз-
мов у них выявлено еще несколько типов (над)молекулярных генераторов PMF (табл. 2).

В соответствии с конкретным принципом действия все известные системы первичного
транспорта у бактерий и архей можно разбить на три группы:

- протонофорные системы, которые выполняют функцию протонного канала;

- электрон-протонофорные системы, которые одновременно выполняют функцию
транслокатора Н+ и функцию переносчика электронов от донора к акцептору (т.е. функцию
редокс-медиатора);

- электронофорные системы, переносящие электроны от донора к акцептору, который
находится на противоположной стороне мембраны (при этом на экзоплазматической по-
верхности мембраны высвобождаются Н+, а из цитоплазмы заимствуются Н+, что приводит
к закислению экзоплазмы и защелачиванию цитоплазмы в отсутствие транслокации Н*).

Таблица 2. Генераторы трансмембранного электрохимического градиента (PMF) у бактерий и археи
Генератор PMF Локализация Пример встречаемости
Транслокация Н+
Бактериородопсин СМ Halobacterium salinarium - фила Euryarchaeota (АП)
Протеородопсин СМ(?) SAR-86 - фила Proteobacteria (ВХП)
Н+ АТР-аза FoFi-типа CM, ICM Escherichia coli - фила Proteobacteria (ВХП)
Н+ АТР-аза Р-типа СМ Methanococcus jannaschii - фила Euryarchaeota (АП)
Н+ РРгаза CM, ICM Rhodospirillum rubrum - фила Proteobacteria (ВХП)
Транслокация Н+/е
NADH-дегидрогеназа см Paracoccus denitrificans - фила Proteobacteria (ВХП)
Цитохром 6/с(/)-комплекс CM, ICM Synechococcus sp. - фила Cyanobacteria (BX)
Гетеродисульфидредуктаза см Methanosarcina barkeri - фила Euryarchaeota (All)
Цитохром с-оксидаза CM, ICM Rhodobacter sphaeroides - фила Proteobacteria (ВХП)
Транслокация е '
Цитохром bJ-оксидаза см Azotobacter vinelandii - фила Proteobacteria (BXII)
Система экстрацитоплазматического окисления «простых» суб- стратов см Achromatium oxaliferum - фила Proteobacteria (BXII)
Экспорт Н+вместе с конечным продуктом метаболизма
Пермеазная система см Lactobacillus lactis - фила Firmicutes (BXIII)
Импорт отрицательного (или экспорт положительного) заряда
Электрогенный антипортер, растворимая декарбоксилаза см Oxalobacter formigenes - фила Proteobacteria (BXII)

Помимо этого некоторые бактерии способны создавать PMF косвенным путем на осно-
ве использования систем вторичного транспорта. По принципу действия эти механизмы, в
свою очередь, можно разбить на две группы:

- экспорт Н+ (симпорт Н+ и конечного продукта метаболизма);
- антипорт предшественника и продукта, действующий совместно с цитоплазматиче-
ской декарбоксилазой (импорт отрицательного или экспорт положительного заряда).

Таким образом, в целом у бактерий и архей можно насчитать по меньшей мере пять
систем, с помощью которых они могут создавать PMF. Краткое описание этих механизмов
позволяет оценить относительную сложность их молекулярной организации и масштабы
распространения среди прокариотных объектов.

Протонофорные системы: бактериородопсин. Хромопротеин, получивший некор-
ректное название «бактериородопсин» (англ, bacteriorhodopsin), обнаружен только у экстре-
мально галофильных архей из филы Eiiryarchaeota (АП). Это самый простой из всех извест-
ных генераторов PMF. В схематическом виде механизм его действия может быть представ-
лен следующим образом,

Молекула бактериородопсина (М, 27 кДа) содержит 249 аминокислотных остатков и
образует семь интегральных спиралей А-G. Аминогруппа остатка Lys-216, входящего в со-
став спирали G, соединена с полиеновым хромофором ретиналем через карбоиминную связь
-CH=NH+-. или так называемое «шиффово» основание (англ. Schiff base). После поглоще-
ния «зеленых» квантов (520 нм) бактериородопсин проходит через фотоцикл общей про-
должительностью <2 -10-2 с, который состоит из серии короткоживущих возбужденных со-
стояний. В одном из них происходит дспротонированис шиффова основания (Luecke et al.,
1999). Миграция протона по цепи заряженных группировок, расположенной поперек СМ.
завершается его выходом из клетки. Репротонирование шиффова основания достигается
путем заимствования протона из цитоплазматического компартмента. Многократное повто-
рение фотоцикла обеспечивает транслокацию протонов в экзоплазму, что в конечном счете
создает PMF (Lanyi, 1997).

Протонофорные системы: протеородопсин. Монополия архей на ретинопротеиновый
механизм фототрофии нарушена в результате недавнего открытия «протеородопсина» (англ,
proteorhodopsin) у одной из филогенетических групп морских бактерий (Beja et al., 2001).
Эти некультивируемые объекты широко распространены в эвфотической зоне прибрежных
районов и свободной акватории Атлантического и Тихого океанов, а также Средиземного
моря. По данным секвенирования 16S рРНК, они относятся к ветви SAR86, входящей в со-
став субфилы Alphaproteobacteria филы Proteobacterla (ВХП).

Бактериальный ген протеородопсина, выявленный с помощью полимеразной цепной
реакции (англ, polymerase chain reaction, PCR), оказался высоко гомологичным археотному
гену бактериородопсина. Функциональная суперэкспрессия гена протеородопсина в клетках
Е. coli продемонстрировала полное сходство между бактериальным и археотным H+i
транслоцирующим родопсином в способе интеграции в мембрану, локализации хромофо-
ров, а также составе интермедиатов и кинетике фотоцикла. Поскольку бактерии, имеющие
протеородопсин, принадлежат к числу некультивируемых форм (см. «Заключение»), неясно,
можно ли рассматривать их как истинных или квазифототрофов. Неясно также, являются ли
они фотогетеротрофами или фотоавтотрофами ранее неизвестного типа (Beja et al., 2001).

Протонофорные системы: Н+АТР-аза FoFi-типа. Данный тип генераторов PMF ши-
роко распространен у бактерий (FoFj АТР-аза) и архей (AoAi АТР-аза). Этот 2-доменный
осмоэнзим ассоциирован с СМ. У многих аноксигенных и оксигенных фототрофных бакте-
рий он может быть локализован, помимо СМ, в ICM. Кроме того, FqFj АТР-аза входит в со-
став тилакоидов и крист, которые представляют собой специализированные гомологи ICM в
энергоассимилирующих органеллах бактериального происхождения — простых пластидах и
митохондриях (см. разд. 5.2).
Н+ ATP-аза бактерий и архей — фермент обратимого действия, хотя функционирует
преимущественно как ATP-синтаза. Однако в пластидах и митохондриях при высоких зна-
чениях PMF в нормальных физиологических условиях он катализирует только синтез АТР.

Другая филогенетическая группа 2-доменных Н+-транслоцирующих ATP-аз представ-
лена вакуолярными V ATP-азами (сокр. англ, vacuole), которые являются компонентами
специализированных ICM в клетках Eucarya (Nelson, 1992). Помимо вакуолярных мембран
V ATP-азы обнаружены в мембранах, окружающих лизосомы, хромаффиновые гранулы и
клатриновые пузырьки, а также в составе СМ таких специализированных клеток позвоноч-
ных, как остеокласты. Для всех изученных случаев показано, что V ATP-азы катализируют
только реакцию гидролиза АТР.

Соответствующие субъединицы, входящие в состав голокомплексов «прокариотных» и
«эукариотных» ATP-аз, взаимно гомологичны. Это свидетельствует в пользу дивергентной
эволюции FoF( ATP-аз (А0А1 ATP-аз) и V ATP-аз от общего прототипа. Можно предполо-
жить, что у этого осмоэнзима эпимембранный домен изначально имел гексамерную струк-
туру с субъединицами, подобными а- и Р-полипептидам бактериальной Н+ATP-азы. Такие
гомологичные субъединицы, по-видимому, возникли в результате дупликации гена-
предшественника (Gogarten, Taiz, 1992).

Более подробные сведения о структуре и механизме действия Н+ ATP-азы F0F|-THria со-
держатся в разделе 3.8.

Протонофорные системы: Н+ АТР-аза P-типа. Существование Н+-транслоцирующих
Р ATP-аз у прокариотов дискуссионно. У бактерий представители этого суперсемейства
ATP-аз входят в состав СМ и осуществляют ATP-зависимый транспорт Na+/K+, Са2+, Mg2+,
Cu2+ и других катионов. Очень широко Р ATP-азы распространены у эукариотов (Fagan,
Saier, 1994). Фермент действует исключительно в направлении гидролиза АТР и представ-
лен главной полипептидной цепью (Мг>100 кДа), образующей до 10 интегральных доменов,
и одной-двумя дополнительными некаталитическими субъединицами. Р ATP-азы (сокр.
англ, phosphorylated) чувствительны к низким концентрациям ортованадата и существуют в
виде фосфорилированного интермедиата. Большая экстрамембранная петля между домена-
ми IV и V содержит активный центр гидролиза АТР; в зависимости от (де)фос-
форилирования консервативного Asp-сайта в составе той же петли фермент находится в
конформационных состояниях Ej или Е2.

При секвенировании генома Methanococcus jannaschii обнаружена последовательность,
гомологичная эукариотному гену Н+-транслоцирующей Р ATP-азы; это единственное указа-
ние на возможность функционирования такого генератора PMF у архей. Для бактерий ана-
логичные данные в настоящее время отсутствуют (Palmgren, Axelsen, 1998).

Протонофорные системы: Н+ PPj-аза. Н+-транслоцирующая «неорганическая» пиро-
фосфатаза входит в состав хроматофоров пурпурной бактерии Rhodospirillum rubrum. В
данном случае она способна выполнять и функцию пирофосфатсинтазы, являясь, таким об-
разом, единственной альтернативой обратимой Н+АТР-азе FoFi-типа.

В настоящее время неорганическая PPj-аза обнаружена у хемотрофных бактерий
Syntrophus gentianae и Thennotoga maritima, а также у представителей метаногенных и тер-
моацидофильных (но не экстремально галофильных) архей (Baltscheffsky et al., 1999; Schafer
etal., 1999).

Фермент исключительно гидрофобен, что затрудняет его выделение для анализа. На
основе немногочисленных биохимических данных, полученных на белковых препаратах
R. rubrum, а также результатов секвенирования гена Н+ PPj-азы установлено, что она суще-
ствует в виде гомодимера; мономер (Мг 67-72 кДа) содержит 660-700 аминокислотных ос-
татков и образует 16 интегральных доменов. Полярность расположения в мембране такая
же, как у F0F| ATP-азы, т.е. каталитическая субъединица ориентирована в цитоплазму. В
отличие от Н+ ATP-азы, Н+ РРгаза не ингибируется олигомицином; стехиометрия процесса
оценивается в 0,5-2 Н+ на молекулу РР, (Baltscheffsky et al., 1999).

Н+ PPj -аза выявлена в составе эндомембран некоторых простейших и Chlorophyceae, а
также в составе тонопласта высших растений, где она в дополнение к V ATP-азе использу-
ется для подкисления внутренней полости мембранного компартмента.

Электрон-протонофорные системы: NADH-дегидрогеназа. NADH-дегидрогеназа,
или НАОН:хинон-оксидоредуктаза, действует в донорном (низкопотенциальном) участке
дыхательной электронтранспортной цепи, катализируя перенос электронов от NADH к
окисленному хинону. В дополнение к этому у митохондрий, а также некоторых бактерий
NADH-дегидрогеназный комплекс осуществляет транслокацию Н+ через мембрану (Yagi,
1991).

В зависимости от наличия в их составе сопрягающего сайта все NADH-дегидрогеназы
подразделяются на две основные группы. Ферменты, которые имеют сопрягающий сайт,
обозначаются как NADH-дегидрогеназа 1, а не имеющие его - как NADH-дегидрогеназа 2.
Все изученные к настоящему времени NADH-дегидрогеназы 1 представляют собой мульти-
полипептидные комплексы, которые ингибируются ротеноном и в качестве простетических
групп содержат нековалентно связанный FMN, а также от одного до трех лабильных Fe2S2-
и Ре484-кластеров. NADH-дегидрогеназы 2 представлены только одним полипептидом. Они
не ингибируются ротеноном и не содержат FeS-кластеров.

Митохондриальная NADH-дегидрогеназа, или Комплекс I, относится к числу наиболее
сложных и трудно анализируемых ферментных систем (Ohnishi, 1993). В отличие от мито-
хондриальных аналогов, в состав которых входит свыше 40 индивидуальных субъединиц
(общая Мг -900 кДа), NADH-дегидрогеназы бактерий характеризуются более простым со-
ставом. В случае Paracoccus denitrificans, Thertnus thermophilus и E. coll NADH-
связывающая субъединица имеет M, -50 кДа. Стандартный редокс-потенциал Fe2S2- и Fe4S4-
кластеров находится в пределах от -150 до -300 мВ.

Поскольку стехиометрия Н+/е" составляет -2, предполагается, что комплекс NADH-
дегидрогеназы содержит два участка связывания хинона, а механизм транслокации прото-
нов может быть таким же, как и в Q-цикле (см. разд. 3.7.1).

Данные в отношении NADH-дегидрогеназ у архей получены только для Sulfolobus
acidocaldarius и Halobacterium salinarium, и нет уверенности в том, что у этих организмов
фермент относится к группе 1, т.е. способен окислять субстрат сопряженно с образованием
PMF. Хотя в секвенированных геномах термоацидофильных и метаногенных архей выявле-
ны последовательности, гомологичные последовательностям отдельных субъединиц NADH-
дегидрогеназы 1, возможно, что это только псевдогены — не экспрессируемые фрагменты
аналогичных бактериальных или эукариотных генов (Schafer et al., 1999).

Электрон-протонофорные системы: цитохром 6/с(/)-комплекс. Цитохром btclf)-
комплекс является почти универсальным центральным звеном электронтранспортных цепей
у подавляющего большинства прокариотных организмов. В виде исключения из общего
правила он отсутствует у некоторых представителей сем. Lactobacillaceae, а также у «авто-
трофных», т.е. не использующих метанол, метаногенных архей. Характер реакций, катали-
зируемых цитохром Л/с(/)-комплексом, одинаков у бактерий и архей, а также энергоассими-
лирующих органелл ядерных клеток — митохондрий и простых пластид. В состав комплек-
са архей, аноксигенных фототрофных бактерий и митохондрий входит цитохром с, в то
время как цианобактерии и пластиды содержат его разновидность — цитохром f.

Своим низкопотенциальным акцептороным участком цитохром />/с(/)-комплекс взаимо-
действует с пулом молекул хинона (quinone, Q). Благодаря сильно выраженным гидрофоб-
ным свойствам хиноны свободно диффундируют в липидной сердцевине мембраны. Это
позволяет им не только выполнять функцию переносчика электронов между донор-
акцепторной парой (Sobalie, Poole, 1999), но и функцию протонофора— переносчика про-
тонов сквозь гидрофобную сердцевину мембраны, что приводит к созданию PMF.

Электроны передаются с цитоплазматической на экзоплазматическую поверхность со-
прягающей мембраны от восстановленного убихинона (англ, ubiquinone, UQH2) или восста-
новленного пластохинона (англ, plastoquinone, PQH2) к высокопотенциальному акцептору,
роль которого играет растворимый цитохром с-типа или пластоцианин (англ, plastocyanin,
Рс). Одновременно с переносом электронов через цитохром /?/с(/)-комплекс из цитоплазмы в
экзоплазму с помощью хинона транспонируются протоны, причем во всех описанных слу-
чаях соотношение Н+/е" = 2.

Цитохром £/с(/)-комплекс — основной функциональный узел электрон-протонофорных
цепей у всех фототрофов и у большинства хемотрофных организмов. Сравнение аминокис-
лотных последовательностей цитохрома Ь, а также белка Риске (англ. Rieske protein) у фило-
генетически отдаленных объектов свидетельствует об очень древнем происхождении этого
генератора PMF. Допускается даже, что комплекс входил в состав дыхательной цепи гипо-
тетического общего предка доменов Bacteria и Archaea (Castresana, Saraste, 1995). Гены,
кодирующие цитохром Ь, у бактерий являются ортологичными (т.е. генами-гомологами у
различных организмов), в то время как у архей это как ортологичные, так и паралогичные
гены (гомологи в пределах одного генома).

Дополнительные сведения о строении и механизме действия этого генератора PMF
приводятся в разделе 3.7.1.

Электрон-протонофорные системы: гетеродисульфидредуктаза. Данный тип гене-
ратора PMF имеется только у метаногенных архей из филы Euryarchaeota (АП). Метаноге-
нез представляет собой внутренне сбалансированную систему окислительно-восстанови-
тельных реакций, которые осуществляются с помощью цитоплазматических ферментов бла-
годаря использованию «гетеротрофных» (метанол или ацетат) или «автотрофных» (СО2/Н2)
экзогенных субстратов. Поскольку метаногенез не сопровождается субстратным фосфори-
лированием, его нельзя рассматривать как процесс метанового «брожения».

Заключительный этап метаногенеза связан с восстановлением метильной группы
(СН3-) до метана (СН4). Переносчиком метильной группы является растворимый кофак-
тор — 2-меркаптоэтансульфонат, или коэнзим М (СоМ, сокр. англ, methanogenesis). Специ-
фическим донором электронов в восстановительной реакции, катализируемой метил-СоМ-
редуктазой, служит другой растворимый кофактор — 7-меркаптогептаноилтреонинфосфат,
или коэнзим В (СоВ, сокр. англ, fraction В). Конечными продуктами реакции являются ме-
тан и гетеродисульфид коэнзимов М и В (CoM-S-S-CoB). Для полного завершения цикла
необходимо регенерировать СоМ и СоВ, что достигается путем ферментативного восста-
новления гетеродисульфида (Schafer et al., 1999).

Гетеродисульфид служит терминальным акцептором электронов для мембраносвязан-
ного гетеродисульфидредуктазного комплекса, который в функциональном отношении эк-
вивалентен Н+-транслоцирующему цитохром £>/с(/)-комплексу.
В зависимости от природы объекта и метаболической ситуации гетеродисульфидредук-
таза (точнее, донор: гетеродисульфид-оксидоредуктаза) использует различные доноры элек-
тронов. Это могут быть растворимые дегидрогеназы, универсальным кофактором которых
является 5-деазафлавин (F420), а также две мембраносвязанные донорные системы - гидро-
геназа и дегидрогеназа окиси углерода (Lubben, 1995).

Гетеродисульфидредуктаза представляет собой гетеродимер субъединиц HdrD и HdrE
(сокр. англ, heterodisulfide reductase, Mr ~50 и 25 кДа). Субъединица HdrD содержит в каче-
стве кофакторов два Ре4Б4-кластера с редокс-потенциалами -100 и -400 мВ; субъединица
HdrE представляет собой цитохром с двумя гемами (Ь[ и Ь2), редокс-потенциал которых ра-
вен соответственно -23 и -180 мВ.

Ключевым компонентом гетеродисульфидредуктазы служит недавно открытый функ-
циональный аналог хинонов — метанофеназин (англ, methanophenasine, МР), который пере-
дает гетеродисульфиду два электрона от Р42о-зависимой дегидрогеназы или от гидрогеназы.
Предполагается, что по аналогии с Q-циклом (см. разд. 3.7.1) перенос электронов от цито-
хрома Ь\ к МР сопровождается поглощением протона из цитоплазмы. Когда восстановлен-
ный МР передает электроны цитохрому Ь2, протоны высвобождаются в экзоплазму. Сте-
хиометрия этого процесса составляет I Н+/е" (Schafer et al., 1999).

Электрон-протонофорные системы: цитохром с-оксидаза. Терминальные оксидазы
являются главным компонентом акцепторного участка дыхательной электронтранспортной
цепи, и от них зависит общая эффективность процесса дыхания.

Терминальные оксидазы катализируют окисление восстановленного цитохрома с (од-
ноэлектронного донора) или хинона (2-электронного донора) молекулярным кислородом (4-
электронным акцептором).

Большинство цитохромоксидаз бактерий и архей относится к типу «биметаллических»
Fe/Cu-оксидаз. Железо содержится в геминовой форме; в название оксидазы входит малая
буква, обозначающая тип гема, и цифра, условно обозначающая способ присоединения ли-
ганда, что дает различные комбинации индексов (гш3, ba2, bb2, саа2, cbb2, сао2, Ьо2 и оо2).

В состав цитохром с-оксидаз входят гидрофобные субъединицы I—II со средними зна-
чениями Мг 30-60 кДа. Они имеют по несколько трансмембранных доменов и частично
экспонированы на обеих сторонах мембраны. Митохондриальный аналог содержит до 12
субъединиц, причем самые крупные из них (I—III) кодируются геномом органеллы. Осталь-
ные субъединицы (Мг 5-15 кДа) менее гидрофобии, закодированы в ядре и выполняют ре-
гуляторные функции (Wilson, Bickar, 1991). Субъединица I связывает четыре кофактора (гем
а, гем а3, Сив и Mg). Высоко консервативные положения остатков His определяют геомет-'
рию лигандирования металлических кофакторов. Более вариабельная субъединица II при-
соединяет к себе кофактор (2Сил) и непосредственно взаимодействует с растворимым цито-
хромом с.

В ходе ферментативной реакции центр ла3Сив получает два электрона от центра 2СиА
и присоединяет к себе кислород, который превращается в пероксид и в виде аддукта сохра-
няет связь с ферментом до полного восстановления в две молекулы воды (через стадию
дважды протонированного 3-электронного промежуточного продукта с разорванной связью
между атомами кислорода). Протоны, необходимые для образования воды, заимствуются из
цитоплазмы или митохондриального матрикса. Помимо этого при восстановительной реак-
ции происходит транслокация протонов в экзоплазматическое пространство со стехиомет-
рией 1 Н+/е“.
Данные, полученные при изучении точечных мутантов Rhodobacter sphaeroides, а также
результаты высокочувствительной рентгеновской кристаллографии позволяют вплотную
подойти к пониманию механизма создания PMF с помощью цитохромоксидазы. Однако до
сих пор точно не известно, где локализован проводящий канал и как координируется транс-
локация протонов с электронтранспортными процессами (Mills, Ferguson-Miller, 1998).

У термоацидофила S. acidocaldarius, принадлежащего к филе Crenarchaeota (AI), обна-
ружена гибридная терминальная оксидаза нового типа (SoxABCD) с молекулярными ком-
понентами, которые обычно по отдельности входят в состав цитохром б//1 комплекс а и цито-
хромоксидазы (Schafer et al., 1999).

Электронофорные системы: цитохром М-оксидаза. Терминальные оксидазы прока-
риотного типа, в том числе митохондриальная цитохром с-оксидаза, в основном принадле-
жат к суперсемейству Н+-транслоцирующих гем/Си-содержащих оксидаз. Одним из наибо-
лее известных исключений является Н+-транслоцирующий цитохром М-комплекс Е. coli и
Azotobacter vinelandii, который передает электроны от восстановленного хинона молекуляр-
ному кислороду (Jiinemann, 1997). В состав комплекса входят две гетерологичные субъеди-
ницы (Мг ~36 и 48 кДа). Более крупная субъединица I несет в качестве кофактора гем £558
(Em -150 мВ). Она имеет семь интегральных доменов и содержит сайт связывания восста-
новленного хинона. Меньшая субъединица II с восьмью интегральными доменами присое-
диняет гем Ь595 (ЕП) -150 мВ), а также гем d (ЕП1 -250 мВ), который непосредственно взаи-
модействует с молекулярным кислородом.

Комлекс М-оксидазы транслоцирует протоны со стехиометрией 1 Н+/е'. При окислении
молекулы хинона на экзоплазматической поверхности мембраны высвобождаются два про-
тона; в свою очередь, для восстановления молекулы кислорода в две молекулы воды из ци-
топлазмы заимствуются четыре протона. В результате этого PMF создается в отсутствие
прямой транслокации протонов (Jiinemann, 1997).

Электронофорные системы: системы экстраплазматического окисления «про-
стых» субстратов. Перенос электронов на цитоплазматическую поверхность СМ с одно-
временным закислением экзоплазматического компартмента служит источником PMF в
различных вариантах фотолито-, хемолитотрофии и метилотрофии у бактерий, а также хе-
молитотрофии у архей (Hooper, DiSpirito, 1985). Отдельные ферменты или ферментные сис-
темы называются экстраплазматическими, если они растворены в периплазме или так связа-
ны с СМ, что активные центры экспонируются на ее экзоплазматической поверхности. В
качестве примеров можно назвать: а) экстраплазматическую гидрогеназу, б) кислородвыде-
ляющий комплекс оксигенных фототрофов, в) системы окисления серы и ее соединений,
г) гидроксиламиндегидрогеназу.

Экстраплазматическому окислению могут подвергаться разнообразные «простые» суб-
страты - Н2, Н2О, S°, S2", S2O32-, Fe2+, Mn2+, NH4+, CH3OH и т.д.

В зависимости от происхождения экзоплазматических протонов можно выделить два
типа реакций окисления «простых» субстратов. В первом случае источником протонов ока-
зывается сам субстрат:

DH2 » D + 2Н+ + 2е~,

(8)

где D — донор электронов (сокр. англ, donor).

Примером подобной реакции служит окисление сульфида пурпурной серной бактерией
Thiocapsa roseopersicina или бесцветной серной бактерией Achromatium oxaliferum:
H2S -> S° + 2H+ + 2e~. (9)

Во втором случае субстрат поставляет только электроны, а протоны заимствуются у
молекул воды:

D + Н2О —> DO + 2Н++ 2е“. (10)

Примером такой реакции является окисление нитрита нитрифицирующей бактерией
Nitrobacter winogradskyi:

NO2 + H2O -> NO3" + 2H+ + 2e“. (11)

Наконец, ферментативная реакция экстраплазматического окисления «простого» суб-
страта может вообще не приводить к высвобождению протонов, что наблюдается в случае
тионовой бактерии Thiobacillus ferrooxidans'.

Fe2+ -> Fe3+ + e'. (12)

Тогда их источником становится абиотическая реакция гидролиза:

Fe3+ + ЗН2О -э Fe(OH)3 + ЗН+. (13)

Электроны от субстрата векторно переносятся через мембрану металлсодержащими ре-
докс-центрами — цитохромами. На цитоплазматической стороне терминальный акцептор
электронов (чаще всего это молекулярный кислород) восстанавливается с поглощением
протонов:

2Н+ + 2е" + 1/2О2 -> Н2О. (14)

В анаэробных условиях, в частности, у Rhodobacter capsulatus, роль акцептора электро-
нов могут играть свободные протоны, заимствуемые из цитоплазмы:

2Н+ + 2е^Н2. (15)

В результате экстраплазматического окисления «простых» субстратов экзоплазма за-
кисляется по отношению к цитоплазме и таким образом создается PMF.

Системы симпорта Н+ и конечного продукта метаболизма. Экскреция субстрата по
градиенту концентрации может происходить простой диффузией либо путем реверсии ак-
тивного импорта в активный экспорт в том случае, когда внутриклеточный уровень субстра-
та превышает уровень термодинамического равновесия с окружающей средой.

Дело в том, что одна и та же ферментная транспортная система способна действовать в
прямом и обратном направлениях, осуществляя соответственно импорт или экскрецию суб-
страта. В процессе импорта переносчик-симпортер использует направленный внутрь клетки
градиент Н+ как движущую силу для переноса экзогенного субстрата против его концентра-
ционного градиента. В свою очередь, при экспорте эндогенного катаболического продукта
градиент его концентрации направлен из клетки и служит источником энергии для переноса
ионов Н+ против их градиента, что создает АрН. Однако образование Аср происходит только
в том случае, если транслоцируется суммарный положительный заряд, т.е. если экспорт мо-
новалентного аниона сопровождается транслокацией двух Н+ (Tseng, Montville, 1993).

Указанный способ создания PMF реализуется некоторыми ферментирующими бакте-
риями наряду с обычным использованием Н+ATP-азы F0FrTHna. В качестве примеров мож-
но привести энергогенный экспорт лактата Lactobacillus lactis, экспорт ацетата
Syntrophomonas wolfei и экспорт сукцината Е. coli. При низких значениях внутриклеточного
pH лактат находится в недиссоциированной форме и экскретируется путем простой диффу-
зии, тогда как при высоких значениях pH он симпортируется вместе с двумя Н+, что приво-
дит к образованию обоих компонентов PMF (Konings et al., 1995).

Системы импорта отрицательного (или экспорта положительного) заряда. Сво-
бодная энергия декарбоксилирования непосредственно не ассимилируется в форме PMF.
Однако этого можно добиться косвенным путем — благодаря компартментализации реак-
ции. Когда экзогенный предшественник входит в клетку, декарбоксилирование происходит
в цитоплазме, а эндогенный конечный продукт в стехиометрическом соотношении с импор-
тируемым субстратом-предшественником экспортируется из клетки (Poolman, 1993).

При использовании такого генератора PMF электрогенный антипортер действует в со-
четании с растворимой цитоплазматической декарбоксилазой (Maloney, 1992). В качестве
примера можно привести декарбоксилирование оксалата, наблюдаемое у Oxalobacter
formigenes. В ходе этого энергоассимилирующего процесса экзогенный оксалат доставляет-
ся в цитоплазму с помощью оксалат2-: формиат1--антипортера. В цитоплазме оксалат акти-
вируется благодаря переносу СоА от формил-СоА с образованием оксалил-СоА. Раствори-
мая тиаминпирофосфатзависимая декарбоксилаза (гомодимер, М, 260 кДа) декарбоксилиру-
ет оксалил-СоА с образованием формил-СоА, который затем превращается в формиат. В
результате антипорта дивалентного аниона оксалата и одновалентного аниона формиата на
наружной поверхности СМ поддерживается более высокий электрический потенциал.

Поскольку равновесие эндергонической реакции декарбоксилирования оксалата резко
смещено в сторону образования конечного продукта, а константа равновесия СоА-
трансферазной реакции ~1, внутриклеточная концентрация формиата примерно на три по-
рядка превышает внутриклеточную концентрацию оксалата. В результате этого устанавли-
ваются очень высокие встречные химические градиенты оксалата и формиата, являющиеся
источниками энергии для создания Д\|/. При декарбоксилировании оксалата происходит ге-
теролитическое расщепление субстрата, и электронная пара остается с органическим суб-
стратом, который подвергается протонированию путем заимствования Н+ из цитоплазмы. В
результате защелачивания цитоплазмы дополнительно к Ау создается ApH (Dimroth, Schink,
1998).

По-видимому, аналогичный результат достигается клетками Lactococcus lactis, оущест-
вляющими реакцию малат2- —> лактат1-. В сочетании с цитоплазматическим декарбоксили-
2- 1-

рованием импорт отрицательного заряда при антипорте аспартат : аланин используется в
энергетических целях клетками Lactobacillus sp. М3, а экспорт положительного заряда при
антипорте гистидин|+: гистамин2+ - клетками L buchneri (Poolman, Konings, 1993).

Рассмотренные механизмы образования PMF имеют различный удельный вес в мем-
бранной биоэнергетике прокариотов, и первое место среди них по выполняемой роли, а
также широте распространения, несомненно, принадлежит цитохром Ь/с(/)-комплексу.

Фотосинтетический аппарат относится к числу наиболее сложных генераторов PMF.
Функциональным звеном, которое непосредственно обеспечивает транслокацию Н+, являет-
ся цитохром Ь/с(/)-комплекс, общий у фототрофов и хемотрофов. Однако в отличие от хе-
мотрофии свободная энергия для восстановления хинонов поступает не от субстратов, окис-
ляемых в ферментативных (дегидрогеназных) реакциях, а от спонтанно окисляемых фотоак-
тивированных хлорофиллов - производных порфириновых структур, лигандирующих ион
металла. Для перехода хлорофиллов в возбужденное состояние, а также для его дезактива-
ции необходима сложная система, которая включает в себя набор фоторецепторов, вспомо-
гательных пигментов и кофакторов.

Таким образом, с функциональной точки зрения фотосинтетический аппарат мож-
но считать надстроенным вариантом цитохром Ь/с(/)-комплекса.

С помощью фотосинтетического аппарата «химическая» жизнь, т.е. биологические
процессы, основанные на окислительно-восстановительных реакциях, выходит на уровень
квантовых явлений, и «медленные» (1СГ6 -1СГ3 с) эффекты сочетаются со сверхбыстрыми
(~ 10~12 с) взаимодействиями.

1.4. ФОТОТРОФИЯ

В соответствии с формой ассимилируемой энергии мембранная энергетика подразделя-
ется на фототрофию и хемотрофию. Если ассимилируется энергия квантов электромагнит-
ного поля, то такой тип питания называется фототрофией. Ассимиляция свободной энергии
электронных структур химических веществ называется хемотрофией (хемолитотрофией в
случае неорганического субстрата и хемоорганотрофией, если окисляемый субстрат - орга-
нический).

Как отмечалось во введении, в современной классификации основных типов питания
живых организмов термин «фотосинтез» заменен более точным термином — «фотоавтотро-
фия» (англ, photoautotrophy). Фотоавтотрофия представляет собой сочетание фото- и авто-
трофии, точнее сказать, сочетание фото- и карбоксидотрофии — ассимиляции СО2 и/или
HCO3“. Поэтому при использовании терминов «фотосинтез» и «фототрофия» следует пом-
нить о том, что они не являются синонимами. Фототрофия — это только одна из сторон фо-
тосинтеза (фотоавтотрофии), его биоэнергетическая составляющая.

В отличие от карбоксидотрофии, которая ограничена протекающими в цитозоле фер-
ментативными реакциями, фототрофия ассоциируется с мембранами и служит примером
одного из наиболее упорядоченных процессов в живой клетке.

Следует различать истинную фототрофию и так называемую квазифототрофию (англ,
quasi-phototrophy; Н. Gest).

При истинной фототрофии энергетические потребности клетки удовлетворяются за
счет энергии световых квантов. Рост сопровождается биогенезом фотосинтетического аппа-
рата. благодаря регуляции на транскрипционном, трансляционном и посттрансляционном
уровнях происходят изменения в структуре фотосинтетического аппарата, что обеспечивает
фотоакклиматизацию, т.е. адаптацию к конкретному световому режиму — интенсивности
света и его качественному составу. Фотосинтетический аппарат, как правило, хорошо выра-
жен оптически (в спектре поглощения клеток регистрируются характерные максимумы фо-
тосинтетических пигментов), а также морфологически (в клетке содержатся выявляемые с
помощью электронно-микроскопических методов специализированные мембранные и эпи-
мембранные структуры). У облигатных фототрофов при дефиците света рост замедляется, а
в темноте отсутствует. Во втором случае в качестве лимитированного источника энергии
мобилизуется эндогенный пул фосфагенов, а также запасные полигликозиды, накопленные в
течение предшествующего светового периода. У факультативно фототрофных бактерий
темновой рост может неограниченно долго поддерживаться за счет экзогенных органиче-
ских субстратов. Истинная фототрофия сочетается с углеродавтотрофией (реже с углеродге-
теротрофией) и во многих случаях — с диазотрофией.
К истинным фототрофам относятся представители пяти фил филогенетического домена
Bacteria:

- зеленые нитчатые бактерии из филы Chloroflexi (В VI);

- оксигенные фототрофные бактерии из филы Cyanobacteria (ВХ);

- зеленые одноклеточные бактерии из филы Chlorobi (BXI);

- пурпурные бактерии из филы Proteobacteria (ВХП);

- гелиобактерии из филы Firmicutes (BXIII).

Квазифототрофия (см.: Gest, 1993) представляет собой адаптивный метаболический
процесс, осуществляемый преимущественно хемотрофными организмами. Она ограничена
рамками энергетического стресса, причиной которого может быть временно наступившая
неспособность создавать PMF за счет аэробного дыхания. Ингибирование дыхания вызыва-
ется либо субстратным голоданием - дефицитом донора электронов, либо аноксией — де-
фицитом акцептора электронов. В обоих случаях индуцированная клетка адаптивно образу-
ет фотосинтетический аппарат, который обеспечивает поступление энергии поддержания
(англ, maintenance energy) вплоть до того момента, когда вновь будут созданы условия для
хемотрофного роста. Такой фотосинтетический аппарат может иметь на два порядка мень-
ший размер, чем при истинной фототрофии (что затрудняет его регистрацию), и он не под-
вержен фотоакклиматизации. При квазифототрофии клетки не растут, а только сохраняют
жизнеспособность. Скорее всего, квазифототрофия несовместима с углеродавтотрофией.
однако это окончательно не установлено.

К числу квазифототрофных организмов относятся немногочисленные члены двух фи-
логенетических доменов (Bacteria и Archaea). Квазифототрофные бактерии— это прежде
всего «аэробные» аноксигенные фототрофные бактерии, которые представлены двумя мор-
скими (Erythrobacter sp. и Roseobacter sp.) и шестью пресноводными видами
(Erythromicrobium sp., Roseococcus sp., Porphyrobacter sp., Acidiphilium sp., Erythromonas sp.
и Sandaracinobacter sp.). Аэробными (не смешивать с оксигенными) они названы по той
причине, что индукция фотосинтетического аппарата требует среди прочего аэробных усло-
вий, в то время как кислород ингибирует биогенез пигмент-белковых комплексов у класси-
ческих аноксигенных фототрофных бактерий (Yurkov, Beatty, 1998).

Квазифототрофами являются также «фотосинтетические клубеньковые» бактерии
Bradyrhizobium sp. Они способны к диазотрофии в условиях эндоцитобиотической ассоциа-
ции с бобовыми растениями родов Aeschynomene и Sesbania (Fleischman, Kramer, 1998).

Кроме вышеуказанных бактерий квазифототрофия свойственна представителям фило-
генетического домена Archaea (Luecke et al., 1999). Это экстремально галофильные формы
из филы Euryarchaeota (АП).

Фототрофная ассимиляция энергии может быть реализована с помощью двух молеку-
лярных механизмов. Оба основаны на эффекте релаксации возбужденных состояний (англ,
excited state) хромопротеинов или пигмент-белковых комплексов.

Первый механизм до недавнего времени считался уникальным свойством Archaea (см.
выше). Его принципиальной особенностью является функционирование ретинопротеинов в
качестве фоторецептора и одновременно с этим — в качестве молекулярного электрогене-
ратора.

Во втором механизме, который имеется только у представителей филогенетического
домена Bacteria, функции фоторецептора и молекулярного электрогенератора разделены и
выполняются двумя надмолекулярными системами. Фоторецептором служит агрегат пиг-
ментированных белков или белок-пигментных комплексов — светособирающая антенна
(англ, light-harvesting antenna). Функцию электрогенератора совместно выполняют две элек-
тронтранспортные цепи. Первая из них находится внутри мультиполипептидной глобулы —
фотосинтетического реакционного центра (англ, reaction centre, RC). Вторая электронтранс-
портная цепь ассоциирована с гетерологичной мультиполипептидной глобулой — цитохром
blc(f) - комплексом.

При хемотрофии цитохром Ь/с(/)-комплекс встроен в открытую электронтранспортную
цепь (рис. 3). Ее редуцирующий участок реагирует с низкопотенциальным донором элек-
тронов (англ, low potential donor, DL), а оксидирующий участок — с высокопотенциальным
акцептором электронов (англ, high potential acceptor, Ан).

При фототрофии, когда ассимилируется энергия электромагнитного поля, а не энергия,
освобождаемая при окислении химических субстратов, электротранспортная цепь замкнута
в кольцо. При этом донором электронов для цитохром £>/с(/)-комплекса служит редуцирую-
щая, а акцептором — оксидирующая сторона реакционного центра.

При хемотрофии низкопотенциальный донор электронов расходуется и на создание
PMF, и в ассимиляционных конструктивных реакциях, тогда как при фототрофии низкопо-
тенциальный донор электронов используется только в конструктивных целях.

Рис. 3. Создание трансмембранного электрохимического градиента
при фототрофии.

RC - реакционный центр; blclf) - цитохром /?/с(/)-комплекс; R и О - редуци-
рующая и оксидирующая стороны комплекса; Di, и Dm - низкопотенциальный и вы-
сокопотенциальный доноры электронов; Al и Ан - низкопотенциальный и высоко-
потенциальный акцепторы электронов; М| и Ms - интрамембранный и эпимембран-
ный медиаторы. Сверху - цитоплазматическая, снизу - экзоплазматическая сторона
мембраны.

Если экзогенным восстановителем при фотоавтотрофии служат высокопотенциальные
субстраты, электротранспортная цепь становится открытой (рис. 3). В одном из ее участ-
ков, а именно на оксидирующей стороне реакционного центра, происходит «обратный» (т.е.
направленный от более слабого восстановителя к более сильному) транспорт электронов. В
последнем участвуют молекулы хлорофилла, приобретающие свойство низкопотенциально-
го донора за счет дополнительной энергии, полученной от светособирающего антенного
комплекса (англ, light-harvesting complex, LHC). При поглощении квантов света компоненты
LHC переходят в короткоживущее возбужденное состояние, которое резонансным путем
передается хлорофиллу в составе RC.

В свою очередь, окисление высокопотенциальных субстратов в открытой электрон-
транспортной цепи осуществляется специфическими дегидрогеназными системами. Одна из
них, дегидрогеназа гидрида кислорода (воды), катализирует светозависимую реакцию:

2Н2О + 4hV -> 4Н+ + 4е~ + 3О2. (16)

Первый из трех продуктов этой реакции (протоны, Н+) освобождается в экзоплазмати-
ческий компартмент, что служит дополнительным источником PMF. При обсуждении основ
оксигенной фототрофии это обстоятельство обычно упускается из виду. Окисление воды —
частный случай более широкого круга реакций экзоплазматического окисления «простых»
субстратов (см. выше). Таким образом, фототрофия (как аноксигенная, так и оксигенная)
обычно не является таковой в чистом виде, а сопровождается хемолитотрофным процессом
ассимиляции энергии.

Второй продукт реакции окисления воды (электроны, е~) используется в цитоплазмати-
ческом компартменте при регенерации низкопотенциального восстановителя, необходимого
для осуществления биосинтетических процессов.

В отличие от двух указанных третий продукт реакции окисления воды (триплетный ки-
слород, 3О2) — это вредный побочный метаболит, так как с его непосредственным участием
происходит ряд негативных физиологических процессов. К их числу относятся:

- реакция Мелера (англ. Mehler reaction), или образование потенциально токсичного
супероксидного анион-радикала в результате одноэлектронного восстановления кислорода в
акцепторном участке RC;

- фотодыхание (англ, photorespiration), или катализируемая рибулозобисфосфаткарбок-
силазой/оксигеназой (англ, ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase, RuBisCO) контрпро-
дуктивная оксигеназная реакция, которая конкурирует за субстрат с реакцией карбоксили-
рования;

- фотодинамическое повреждение (англ, photodynamic damage), или образование ток-
сичного синглетного кислорода в межмолекулярной реакции переноса энергии от возбуж-
денного хлорофилла.

Представляется несправедливым и даже парадоксальным то, что глобальный способ ас-
симиляции световой энергии назван оксигенной фототрофией по побочному продукту —
кислороду. То, что кислород стал одним из важнейших энергетических, конструктивных и
регуляторных факторов в современной биосфере, к этому не имеет никакого отношения.

Однако термин неудачен не только тем, что не отражает сути процесса. Оксигенная —
это русифицированная версия англ, «oxygenic» (кислородная). Определение фототрофии как
кислородной непосредственно ассоциирует ее с этим веществом, однако конкретный харак-
тер связи остается неясным.

Формально «кислородная» фототрофия может означать, что она реализуется в аэроб-
ных условиях. Если же под «кислородной» иметь в виду образование кислорода, то не сле-
дует забывать, что источником этого метаболического продукта могут быть и не связанные
с фототрофией ферментативные реакции (например, каталазная и супероксиддисмутазная),
которые осуществляются как у оксигенных, так и у аноксигенных фототрофов. На наш
взгляд, специфику процесса точно отражал бы термин «водоокисляющая» (англ, water-
oxidizing) фототрофия.

Так или иначе, но поток свободной энергии — от локальных сообществ организмов до
экосистем глобального масштаба — зарождается в оксигенной фототрофии и хемолитотро-
фии, и принцип биосферного взаимодействия этих автотрофных энергетик относится к чис-
лу базовых концепций общей экологии.

Одним из основополагающих достижений биологии конца XX в. стало открытие «вто-
рой» биосферы, первичным энергетическим ресурсом которой служит хемолитотрофия. На
океаническом дне, в участках, прилегающих к глубоководным гидротермам, сравнительно
недавно были обнаружены беспозвоночные представители фауны, содержащие хемолито-
трофных эндоцитобионтов — метилотрофных и тиотрофных (тионовых) бактерий. Через
такие локальные и относительно бедные организмами экосистемы проходят внутренне сба-
лансированные потоки энергии и вещества, и этот оазис биосферы полностью автономен от
ее остальной части (Jannash, 1985; Gaill, 1993).

Главным экзогенным источником энергии для «первой» биосферы оказывается окси-
генная фототрофия. Постоянное проникновение электромагнитной энергии из открытого
космоса в течение последних ~3,5 млрд лет поддерживает развитие оксифотобионтов —
живых организмов, для которых основным способом получения метаболической энергии
служит оксигенная фототрофия.

Хотя свет является практически неисчерпаемым энергоносителем, его использование
ставит перед фототрофами ряд сложных биологических проблем. Прежде всего биогенез
фотосинтетического аппарата требует привлечения значительных метаболических ресурсов
и в ряде случаев лимитируется степенью доступности биогенных минеральных элементов, в
частности азота и железа.

Поглотившие свет пигментные биомолекулы переходят в возбужденное состояние, ко-
торое лишь частично дезактивируется путем образования энергетических интермедиатов и
конструктивных метаболитов. Передача избыточной энергии кислороду приводит к накоп-
лению его реакционно-способных форм, свободных радикалов и других агентов, вызываю-
щих повреждение клеточных структур (см. разд. 3.7.2).

Наконец, облигатная зависимость от света является для многих фототрофов критиче-
ским фактором выживания.

Несмотря на все указанные негативные эффекты фототрофы исключительно широко
распространены в современной биосфере, а оксигенные фототрофы относятся к числу про-
цветающих организмов. Для абсолютного большинства аноксигенных фототрофов кислород
служит негативным регулятором биогенеза фотосинтетического аппарата, что ограничивает
их развитие микроаэробными и анаэробными нишами (Zeilstra-Ryalls et al., 1998; Gregor,
Klug, 1999).

В отличие от аноксигенной фототрофии, которая реализуется с помощью различных
типов фотосинтетического аппарата (Xiong et al., 2000) и ассоциирована с несколькими фи-
лами древа Bacteria, оксигенная фототрофия использует один и тот же фундаментальный
молекулярный механизм, а все известные оксигенные фототрофы имеют монофилетичное
происхождение (Hugenholtz et al., 1998).

Тем не менее структурно-функциональная универсальность оксигенной фототрофии не
исключает варьирования в деталях, и прежде всего поэтому в процессе эволюции сформи-
ровалось богатое биологическое разнообразие оксигенных фототрофных бактерий, пластид
и растений-оксифотобионтов (см.: Пиневич, 1999).
Глава 2

ОСНОВОПОЛОЖЕНИЯ ОКСИГЕННОЙ ФОТОТРОФИИ

Один из самых известных биологических терминов — «фотосинтез» (англ, photo-
synthesis; от греч. (рсо^— свет, ctuvOechZ— соединение; С. Barnes) был введен в последние
годы XIX в. для обозначения основного способа питания зеленых растений. Он удачно от-
ражал физиологические представления того времени, согласно которым смысл этого проис-
ходящего на свету процесса видели в превращении углекислоты в органические вещества.
Тогда же был предложен другой ныне широко известный термин— «автотрофия» (англ,
autotrophy; от греч. осотов — сам, тросрг] — питаюсь; W. Pfeffer), которым была названа спо-
собность растений и некоторых бактерий использовать углекислоту в качестве единственно-
го источника углерода при экзогенном питании.

Задолго до появления этих терминов, в конце XVIIl-начале XIX в. было показано, что:

- в воздухе содержится «кислород», или начало, которое при горении превращает хи-
мические вещества в кислоту: Pair inflammable, ou le principe oxygine (от греч. o£v^— кис-
лый, yevE — рождаю; 1774; A. de Lavoisier);

- растения выделяют кислород (1774; J. Priestley);

- растения поглощают из воздуха «меловую», или углекислоту (1782; J. Senebier);

- для выделения кислорода растениям требуется солнечный свет, а не источник тепла
(1779; J. Ingen-Housz);

- растения поглощают воду из почвы (1804; N. de Saussure);

- в листьях растений содержится зеленый пигмент «хлорофилл» (франц., chlorophylle;
от греч. — зеленый, (poXAov — лист; 1817; Р. Pelletier, J. Cavenlou).

Запасной продукт, накапливающийся в результате фотосинтеза, был идентифицирован
во второй половине XIX в. Им оказался углевод крахмал (1865; J. von Sachs).

Концептуальный вывод, что фотосинтез — это в первую очередь энергетический про-
цесс, т.е. превращение световой энергии в химический потенциал, был сделан в середине
XIX в. (1847; R. Mayer, Н. Helmholtz).

Наконец, в 1870-х годах было экспериментально доказано, что максимум интенсивно-
сти фотосинтеза совпадает с максимумом светопоглощения хлорофилла, т.е. фотосинтез как
биоэнергетический процесс подчиняется первому началу термодинамики, или закону сохра-
нения энергии (1875; К. Тимирязев).

В 1890-х годах у бесцветной серной бактерии Beggiatoa и нитрифицирующей бактерии
Nitroinonas (ныне — Nitrosomonas) обнаружили способность к росту в результате окисления
неорганических веществ, соответственно сульфида и аммиака, а также к ассимиляции угле-
кислоты за счет полученной энергии (С. Виноградский). Для обозначения таких неординар-
ных метаболических процессов были предложены (J. Pfeffer) термины «аноргоксидация»
(англ, anorgoxydation; от греч. av — не, opyavtKo£ — органический, о£и£ — кислый) и «хе-
мосинтез» (англ, chemosynthesis; от греч. хгцдетос — химия, cruv0eoi^ — соединение). До это-
го свет рассматривали как единственный источник энергии, способный поддерживать авто-
трофию.

На протяжении XIX в. фотосинтез считали уникальным свойством представителей цар-
ства Plantae. В свою очередь, выделение кислорода рассматривали как неотъемлемый атри-
бут фотосинтеза. Именно поэтому аноксигенных пурпурных бактерий лишь в 20-х годах
XX в. стали относить к фотосинтезирующим организмам (J. Buder), а образующих кислород
цианобактерий вплоть до 60-х годов упорно причисляли к растениям.

В начале 1930-х годов была предложена «унифицированная» концепция фотосинтеза
(С. van Niel), в соответствии с которой сущность этого процесса состоит в восстановлении
углекислоты «активным» водородом [Н+/-е-], а его источником во всех случаях служит вода.
Следует напомнить, что тогда отсутствовали данные о фотогетеротрофии, которая может
сопровождаться не поглощением, а выделением углекислоты. Кроме того, первые данные о
«фотосинтетическом» фосфорилировании были получены только в начале 1950-х годов
(A. Frenkel).

Ван Ниль и его последователи не только недооценили энергетику как унифицирующий
аспект фотосинтеза, но ошибочно полагали, что различие между оксигенным и аноксиген-
ным фотосинтезом связано с судьбой гидроксильного радикала [ОН ], который остается
после того как от воды отнимается «активный» водород. Они считали, что у оксигенных
организмов гидроксильный радикал превращается в кислород и воду под действием катала-
зы, тогда как у аноксигенных он восстанавливается до воды с помощью дополнительных
неорганических или органических доноров электронов (см. Gest, 1988).

Тем не менее унифицированная концепция стимулировала изучение световых и темно-
вых реакций фотосинтеза (Pfennig, 1985; Gest, 1994). Несмотря на ошибочные выводы о
внутреннем механизме процесса, верным оказалось эмпирическое уравнение, предложенное
Ван Нилем:

2H2D + СО2 + nhv -» 2D + (-НСОН-) + Н2О, (17)

где H2D и D соответственно обозначают восстановленную и окисленную форму донора
электронов, а (-НСОН-) — повторяющуюся группировку в молекуле углевода.

В соответствии с уравнением (17) в одном из частных случаев фотосинтеза восстанови-
телем служит гидрид кислорода, или вода:

Н2О + СО2 + nhv О2 + (-НСОН-). (18)

Во второй половине XX в. стало складываться представление о двух фазах фотосинтеза
(см.: Macdonald, Buchanan, 1987). Согласно ему на первой, световой, фазе энергия квантов
электромагнитного поля улавливается пигментными системами и преобразуется в химиче-
скую «ассимилирующую силу» (англ, assimilatory power) — свободную энергию макроэрги-
ческих молекул (пАТР) и молекул низкопотенциального донора электронов (nNADPH).

Во второй, темновой, фазе ассимилирующая сила расходуется на восстановление фос-
фоглицериновой кислоты, продукта ферментативной реакции акцептирования углекислоты,
в альдотриозу с последующей конденсацией триоз в гексозы, а гексоз — в запасные поли-
гликозиды.
Однако со временем выяснилось, что характер процессов, происходящих на световой
стадии, не соответствует ее названию. В частности, синтез АТР (фосфорилирование) и син-
тез NADPH (NADP: донор-оксидоредуктазная реакция) — это темновые, или, точнее ска-
зать, индифферентные к свету ферментативные реакции.

Кроме того, оказалось, что восстановительный пентозофосфатный цикл Кальвина
(М. Calvin, J. Bassham, A. Benson), или система ферментативных реакций, обеспечивающих
синтез альдотриозы и регенерацию акцептора углекислоты — рибулозобисфосфата, не яв-
ляется уникальным свойством фототрофных организмов. Хемолитотрофы, которые извле-
кают ассимилирующую силу из реакций окисления простых неорганических субстратов,
также используют цикл Кальвина в своем конструктивном метаболизме (Schlegel, 1996).

Хотя экспериментальное изучение фотосинтеза началось еще в XVIII в., ключ к пони-
манию молекулярных основ оксигенной фототрофии дали только модельные системы в виде
изолированных хлоропластов, разработанные в первой половине XX в. (см. Gest, 1988).

Фундаментальные достижения 1930-1970-х годов были связаны с открытием реакции
фотозависимого окисления воды (R. Hill) и ее многостадийного характера (В. Кок), а также
обнаружением двух фотосистем (L. Duysens). Дальнейшие успехи в области эксперимен-
тального изучения оксигенной фототрофии были обеспечены благодаря созданию простран-
ственной модели светособирающих антенн и реакционных центров с помощью методов вы-
сокоразрешающей электронной и рентгеновой кристаллографии (см.: Bald et al., 1996;
Fromme, 1996; Barber, Kbhlbrandt, 1999).

Новый этап в изучении оксигенной фототрофии связан с ревизией представлений о
спектре биоразнообразия оксигенных фототрофов, демонстрацией поливариантности окси-
генного фотосинтетического аппарата и созданием новой эволюционной концепции окси-
генной фототрофии (см.: Douglas, 1998; Schubert et al., 1998; Пиневич и др., 2000).

В то же время на фоне достигнутых успехов ферментативный механизм окисления во-
ды расшифрован не окончательно (см. Yocum, Pecoraro, 1999), что прежде всего связано с
отсутствием точных данньгх о геометрии Mn-кластера кислородвыделяющего комплекса.

Несмотря на внешнюю сложность организации оксигенного фотосинтетического аппа-
рата его кодирование осуществляется с помощью сравнительно небольшого числа (несколь-
ких десятков) структурных и регуляторных генов. Результатом конститутивной или индуци-
бельной экспрессии этих генов оказывается биогенез интегральных и эпимембранных муль-
типолипептидных комплексов. Они формируют четыре взаимосвязанных функциональных
блока:

- светособирающие антенны;

- реакционный центр первой фотосистемы (англ, photosystem, PS), или PSI;

- реакционный центр второй фотосистемы, или PSII;

- электронтранспортную цепь (англ, electron transfer chain, ЕТС) с ее центральным уз-
лом — цитохром b/f-комплексом.

Светособирающие антенны поглощают кванты видимого света с энергией 1,7-3,5 эВ и
резонансным путем передают возбужденное состояние первичному донору — «специа-
лизированным» молекулам хлорофилла, которые входят в состав реакционных центров.

Реакционные центры тушат флуоресценцию светособирающих антенн в фотохимиче-
ской реакции окисления первичного донора. Этот процесс сопровождается «темновым»
транспортом электронов по ЕТС, вмонтированной в реакционный центр. В результате элек-
троны переносятся с экзоплазматической на цитоплазматическую поверхность энергоасси-
милирующей мембраны, где осуществляется неферментативное восстановление терминаль-
ного акцептора— хинона (англ, quinone, Q) или ферредоксина (англ, ferredoxin, Fd). Вос-
становленный терминальный акцептор покидает реакционный центр с тем, чтобы стать до-
нором электронов для цепи внешних переносчиков, которая одновременно выполняет роль
протонофора.

Электрон-протонофорная цепь, основным звеном которой является цитохром bjf-
комплекс, создает PMF в клетках представителей филы Cyanobacteria (ВХ) или на уровне
ламеллярной системы тилакоидов в пластидах.

Светособирающие антенны и реакционные центры не всегда изолированы друг от дру-
га. Так, например, А- и В-субъединицы реакционного центра PSI играют роль антенных
апопротеинов и одновременно с этим обеспечивают разделение зарядов. В этом плане они
функционально аналогичны бактериородопсину экстремально галофильных архей, входя-
щих в филу Euryarchaeota (АП).

У представителей различных групп фототрофных организмов светособирающие антен-
ны имеют динамичную поливариантную организацию. Специфические особенности све-
тособирающих антенн зависят от многих показателей и в целом определяются
(Pinevich et al., 1997):

- первичной и вторичной структурой апопротеинов;

- характером интеграции в мембран}' (гидропатическим профилем) полипептидной цепи;

- локализацией сайтов связывания хромофоров;

- типами хромофоров;

- способом сборки модульных элементов в высшие агрегаты;

- размещением в составе фотосистем(ы);

- способностью выполнять роль «мобильной» антенны;

- способностью изменять состав при фотоакклиматизации, т.е. адаптации к изменению
интенсивности и качества света;

- ассоциацией с СМ или ICM;

- ориентацией по отношению к цитоплазме.

В соответствии с локализацией в фотосистеме, характером сопряжения с активи-
руемыми структурами, а также способностью изменять состав все антенные системы
можно подразделить на:

т (кор-антеины (англ, core antenna), или антенны реакционных центров (англ. RC
antenna), которые непосредственно входят в состав реакционных центров;

- внутренние антенны (англ, internal antenna), которые занимают проксимальное поло-
жение по отношению к реакционным центрам, перманентно ассоциированы с ними и имеют
неизменную структуру;

- периферические антенны (англ, peripheral antenna), или светособирающие комплексы
(LHC).

Ассоциация периферических антенн с реакционными центрами и их структура могут
быть вариабельными. Такие периферические антенны как LHCII хлоропластов выполняют
функцию основного светособирающего комплекса (англ, major LHC), который динамически
сопряжен с обеими фотосистемами (см.: Allen, 1992).

В свою очередь, в соответствии с соотношением гидрофильных и гидрофобных
свойств (гидропатичностью) апопротеинов и характером связываемого ими пигмента
все известные антенные системы можно разделить на четыре типа (Simpson, Knoetzel,
1996):
- антенны с интегральными апопротеинами, которые имеют протяженные полярные
участки и содержат хлорофиллы;

- антенны с интегральными апопротеинами, связывающими бактериохлорофиллы;

- антенны, образованные преимущественно гидрофильными апопротеинами, которые
содержат короткие полярные участки и связывают хлорофиллы или бактериохлорофиллы;

- антенны с эпимембранными апопротеинами, присоединяющими билины.

Антенные системы первого типа есть у всех Cyanobacteria. Кроме того, они содержатся
в родопластах — пластидах Rhodophyceae, а также в хлоропластах — пластидах хлоробион-
тов, т.е. эукариотных организмов, имеющих хлорофилл Ь. К сборной нетаксономической
группе хлоробионтов принадлежат Viridiplantae (классы Chlorophyceae, Ulvophyceae,
Charophyceae, Prasinophyceae и высшие растения), а также Chlorarachniophyceae и
Euglenozoa. Антенны первого типа содержатся также в хромопластах sensu lato (лат. — в
широком смысле слова)— пластидах хромобионтов, т.е. эукариотных организмов, имею-
щих хлорофилл с. В нстаксономическую сборную группу хромобионтов входят Chromista
(классы Chrysophyceae, Xanthophyceae, Phaeophyceae, Haptophyceae, Bacillariophyceae и ряд
других классов водорослей), а также Dinozoa.

Антенные системы второго типа, в состав которых входят бактериохлорофиллы а или
Ь, имеются у зеленых аноксигенных фототрофных бактерий из фил Chloroflexi (BVI) и
Chlorobi (BXI), у пурпурных аноксигенных фототрофных бактерий Rhodospirilliiin,
Cliromatium, Ectothiorhodospira и аноксигенных квазифототрофных бактерий (Erythrobacter,
Porphyrobacter и др.) из филы Proteobacteria (ВХП), а также у содержащих бактериохлоро-
филл g аноксигенных гелиобактерий {Heliobacterium, Heliobacillus и др.) из филы Finnicutes
(ВХШ).

Антенные системы третьего типа есть у большинства зеленых аноксигенных фототроф-
ных бактерий, в пластидах Dinozoa и некоторых Chromista.

Антенные системы четвертого типа имеются у большинства представителей филы
Cyanobacteria (ВХ) и в родопластах — пластидах родобионтов, т.е. эукариотных организ-
мов, содержащих фикобилипротеины. К этой сборной группе относятся классы
Rhodophyceae, Glaucocystophyceae и Cryptophyceae.

У некоторых фототрофных организмов могут быть одновременно антенны нескольких
типов. В качестве примера можно назвать цианобактерии, которые имеют антенны первого
и четвертого типов. Для Chlorobi и Chloroflexi характерно совместное существование антенн
второго и третьего типов. Представители прохлорофитов (фила Cyanobacteria) и родопла-
сты Cryptophyceae содержат набор антенн первого, третьего и четвертого типов.

Светособирающие комплексы оксифотобионтов можно подразделить на две гете-
рологичные группы (Grossman et al., 1995; Larkum, Howe, 1997; Pinevich et al., 1997):

- гидрофобные светособирающие комплексы с интегральными или полуинтегральными
апопротеинами (Мг 25-45 кДа), которые нековалентно присоединяют хлорофиллы и каро-
тиноиды;

- гидрофильные светособирающие комплексы с эпимембранными апопротеинами (Мг
20-25 кДа), которые ковалентно связывают фикобилины.

Светособирающие комплексы первой группы свойственны прохлорофитам, хлоробион-
там и хромобионтам, а второй группы — цианобактериям sensu stricto (лат. — в узком
смысле слова) и родобионтам.

Светособирающие комплексы второй группы имеются у прохлорофитов и оксигенной
фототрофной бактерии Acaryochloris marina (Hess et al., 1999; Hu et al., 1999). Для пластид
Cryptophyceae характерна комбинация хлорофилл а/с-содержащих и фикобилипротеиновых
светособирающих комплексов (Glazer, Wedemayer, 1995).

Таким образом, антенные системы, в том числе входящие в состав оксигенного фото-
синтетического аппарата, в целом характеризуются структурной и функциональной полива-
риантностью, которая, в свою очередь, определяет спектр мест обитания, а также биологи-
ческое разнообразие анокси- и оксифотобионтов.

Антенная система поглощает кванты видимого света и передает короткоживущее
(~ 1 • 10-12 с) возбужденное состояние «специализированным» молекулам хлорофилла Р700 и
Р680 (сокр. англ, pigment, с указанием положения, в нм, длинноволнового максимума, кото-
рый исчезает, или, как говорят, «выцветает», после потери электрона).

Специализированные молекулы представляют собой «мономер» или «димер» хлоро-
филла (две близко расположенные молекулы с частично перекрывающимися разрыхляю-
щими орбиталями), которые локализованы у экзоплазматической поверхности тилакоида и
входят в состав реакционных центров PSI и PSII (Allen, Williams, 1998). Они строго ориен-
тированы в реакционном центре вследствие консервативного взаимодействия с апопротеи-
нами его ядра.

Последовательность событий, происходящих при взаимодействии трех блок-
компонентов оксигенного фотосинтетического аппарата (PSI, цитохром ^//-комплекса и
PSII), отражена на классической Z-схеме (рис. 4).

Происхождение этого названия связано с тем, что переносчики электронов — от тер-
минального донора (Н2О) до терминального акцептора (Fd) — размещаются относительно
шкалы редокс-потенциалов таким образом, что повторяют вид лежащей на боку латинской
буквы Z. Впоследствии выяснилось, что путь миграции электронов внутри фотосинтетиче-
ской мембраны на самом деле пространственно соответствует Z-схеме: электроны перено-
сятся по нормали от экзоплазматической поверхности мембраны к цитоплазматической по-
верхности, пересекают мембрану в обратном направлении, а затем опять по нормали воз-
вращаются на цитоплазматическую поверхность.

В возбужденном состоянии специализированные молекулы хлорофилла выполняют
роль метастабильного «первичного» донора с низким значением редокс-потенциала (от
-500 мВ до -1 В). Функциональная роль первичного донора заключается в том, что в тем-
новой реакции он восстанавливает «первичный» акцептор — локализованный по соседству с
ним хлорофилл или феофитин (англ, pheophytin, Ph, — производное хлорофилла, в котором
ион металла замещен протонами).

От первичного донора PSII, находящегося в возбужденном синглетном состоянии
(‘Р680*), электрон в несколько промежуточных этапов со средней продолжительностью
1 • 10-12—1 • 10-4 с переносится кофакторами реакционного центра на цитоплазматическую по-
верхность тилакоида и в конечном счете восстанавливает молекулу «первичного» хинона
Qa. Терминальным акцептором электронов служит слабо связанный «вторичный» хинон QB
(Chitnis, 1996).

Вернувшийся в основное энергетическое состояние окисленный первичный донор
(Р680+) принимает на вакантную орбиталь электрон от Mn-содержащего дегидрогеназного
комплекса, который расположен на экзоплазматической поверхности тилакоида и образует
молекулу триплетного кислорода (3О2) как конечный продукт 4-стадийной реакции окисле-
ния двух молекул воды (Barber, Kbhlbrandt, 1999).

В свою очередь, электрон от возбужденного синглетного первичного донора PSI
(*Р700*) транспортируется на цитоплазматическую поверхность тилакоида и восстанавлива-
ет негеминовые FeS-кластеры (FX-FB). Терминальным акцептором электронов является FeS-
кластер, входящий в состав низкопотенциального редокс-белка — растворимого Fd (Chitnis,

1996).

Рис. 4. Функциональная схема оксигенного фотосинтетического аппарата.

PSI - фотосистема I; Р700+ - окисленный первичный донор; Р700* - возбужденный первичный донор; Ао
и Ai - первичный и вторичный акцепторы; Fx, Fa и Fb - промежуточные акцепторы; Fd - ферредоксин; PSII -
фотосистема II; Р680+ - окисленный первичный донор; и Р680* - возбужденный первичный донор; Ph - фео-
фитин; Qa и Qb - первичный и вторичный хиноны; Мп4 - марганцевый кластер кислородвыделяющего ком-
плекса; Yz - редоксактивный остаток тирозина; Fe - ион негеминового железа; PQ - пластохиноновый пул;
b/f- цитохром ^//комплекс; и Ьн - низкопотенциальный и высокопотенциальный гемы цитохрома £>563;/-
цитохром /557; Fr - железо-серный кластер белка Риске; Рс - пластоцианин. Сверху - цитоплазматическая,
снизу - экзоплазматическая сторона мембраны.
Интегральные и эпимембранные медиаторы связывают PSII и PSI в «нециклическую»
электронтранспортную цепь, по которой поток электронов направляется от молекул воды к
Fd (Vredenberg, 1997). В роли интегрального медиатора выступает цитохром ^/-комплекс и
взаимодействующий с ним пул молекул пластохинона (англ, plastoquinone, PQ). Эпимем-
бранным медиатором служит Рс или цитотохром с6 (цитохром с553). Восстановленный Fd
(Fdred) вступает в NADP: Fd-оксидоредуктазную реакцию, в результате которой образуется
NADPH.

За счет свободной энергии окидоредуктазной реакции, которая осуществляется с по-
мощью цитохром Ь6 //-комплекса, в мембране тилакоида поддерживается PMF. Свободная
энергия PMF конвертируется фактором сопряжения (ATP-синтазой) в энергию макроэрги-
ческой терминальной фосфоэфирной связи АТР.

В свою очередь, энергия макроэргической связи расходуется в биосинтетических реак-
циях, а также эндергонических транспортных и регуляторных процессах.

Прежде всего АТР вместе с NADPH используется в одной из ключевъпс реакний пути
Кальвина— фосфоглицералъдегиддегидрогеназной, в которой 3-фосфоглицерат восстанав-
ливается в глицеральдегид 3-фосфат (Tabita, 1988).

В соответствии с суммарным уравнением (18), отражающим баланс конструктивных
процессов при оксигенном фотосинтезе, ежегодно в виде СО2 ассимилируется -1011 т неор-
ганического углерода. При этом в результате окисления воды образуется эквивалентное ко-
личество молекулярного кислорода (см.: Peschek, 1999). По современным данным, до
20-30% глобальной первичной продукции приходится на долю обитателей эвфотической
зоны Мирового океана— одноклеточных оксигенных фототрофных бактерий, которые
принадлежат к родам Synechococcus и Prochlorococcus (Carr, Mann, 1994; Partensky et al.,
1999).

Кроме углеродавтотрофии многие цианобактерии используют ассимилирующую силу в
процессе азотавтотрофии, или «азотфиксации» (англ, nitrogen fixation). В настоящее время
вместо этого термина все чаще используют термин «диазотрофия» (англ, diazotrophy; от
греч. 5гю — два, а^соо^ — безжизненный, расшифровка названия химического элемента азо-
та, и тро(рг| — питаюсь; буквально — питание N2; D.R. Benson).

Для диазотрофии необходимы источник энергии в виде АТР и низкопотенциальный
донор электронов (NADPH или Fdred, а также функциональный заменитель ферредоксина —
флаводоксин). Ключевую реакцию этого метаболического пути катализирует нитрогеназа:

N2 + 8[Н] + ~16MgATP + 2Н+ -» 2NH4+ + Н2 + ~16MgADP + -16Р,. (19)

Процессы автотрофной ассимиляции энергии (фототрофия и хемолитотрофия) наряду с
ассимиляцией конструктивного материала (углерод- и азотавтотрофией) лежат в основе
глобального метаболизма и являются одним из важнейших биотических условий поддержа-
ния жизни на Земле.

Помимо ассимилирующей силы важное биологическое значение имеет побочный про-
дукт оксигенной фототрофии — молекулярный кислород. Образование биогенного кисло-
рода цианобактериями стало поворотным пунктом в эволюции биосферы и сделало возмож-
ным развитие других форм жизни — от протистов до высших приматов.

Древнейшие ископаемые остатки бактерий (-3,5 млрд лет назад, верхний Докембрий)
обнаруживают высокое морфологическое сходство с современными цианобактериями. Это
свидетельствует об очень раннем формировании микроорганизмов данной группы (рис. 5,
20

О2(%)

0,2 -

0,02 -

2 -

9 9 9 Q

-4-10 -3-10 -2-10 -Ю 0

Обратная геохронологическая шкала (годы)

Рис. 5. Историческая динамика содержания кислорода в биосфере
(по: Peschck. 1999; с изменениями).

I - возникновение оксигснных фотогрофов; II - начало накопления свободною кислорода; III - по-
явление пластид; IV - точка Пастера; V - точка Беркнера-Маршалла.

точка I). Ее представители первыми стали образовывать кислород и постепенно накапливать
его в исходно аноксичной биосфере (см.: Peschek, 1999).

Однако до начала реального появления кислорода в атмосфере (рис. 5, точка II) прошло
еще —1,5 млрд лет, поскольку до этого он химически реагировал с растворенными в водо-
емах восстановителями, прежде всего с сульфидом и Fe2+.

Спустя еще —0,5 млрд лет (рис. 5, точка III) свободноживущие представители аэробных
Proteobacteria и Cyanobacteria последовательно вступили в эндоцитобиотическую ассоциа-
цию с фаготрофными протистами, которые ранее существовали благодаря субстратному
фосфорилированию (Schopf, 2000а). В результате этого возникли клетки-диады с митохонд-
риями и клетки-триады с митохондриями и простыми пластидами. После этого темпы нако-
пления атмосферного кислорода стали резко увеличиваться.

Еще через —0,5 млрд лет была пройдена так называемая «точка Пастера» (англ. Pasteur
point), в которой благодаря увеличению парциального давления кислорода процесс окисли-
тельного фосфорилирования сравнялся по глобальности с процессом субстратного фосфо-
рилирования (рис. 5, точка IV).

С этого момента оксигенирование атмосферы приобрело экспоненциальный характер, и
еще через ~0,2 млрд лет в следующей кардинальной биогеохимической точке — Беркне-
ра-Маршала (англ. Berkner-Marshall point) объемная концентрация кислорода достигла ~2%
(рис. 5, точка V). В результате этого увеличились масштабы фотохимической реакции ато-
марной диссоциации кислорода:

О2 + hv (Х= 160-240 нм) 20, (20)

которая сопровождается темновой реакцией синтеза озона:

20 + 2О2 —> 20з- (21)

Хотя озон представляет собой химически и фотохимически нестабильную форму ки-
слорода, в верхнем слое атмосферы (~25 км от земной поверхности) возник озоновый слой,
или экран, который интенсивно поглощает ультрафиолетовое излучение (UV), поступающее
из открытого космоса. Благодаря этому в начале Палеозоя создались условия для развития
наземной растительности, фотосинтетическая активность которой в конечном счете обеспе-
чила современный уровень содержания кислорода в атмосфере (-20%).

Вместе с тем молекулярный кислород оказывает негативное влияние на биологические
структуры и эффективность глобальных процессов конструктивного метаболизма.

При углеродавтотрофии, которая прежде всего связана с реакциями цикла Кальвина,
кислород выступает в роли субстрата, конкурирующего с углекислотой за активный центр
RuBisCO. В результате часть молекул рибулозобисфосфата (С5) не карбоксилируется с обра-
зованием двух молекул фосфоглицерата (2С3), а в оксигеназной реакции присоединяет ки-
слород. Это дает одну молекулу фосфоглицерата (С3) и одну молекулу фосфогликолата (С2).
Через цепь промежуточных реакций из двух молекул фосфогликолата (2С2) образуется вто-
рая молекула фосфоглицерата (С3), однако при этом идет декарбоксилирование и, таким
образом, часть ассимилированного углерода теряется в виде СО2 (Lorimer, 1981; Macdonald,
Buchanan, 1987; Watson, Tabita, 1997). Происходящий процесс сходен с дыханием характе-
ром соответственно поглощаемого (О2) и выделяемого (СО2) газообразного продукта. Если
он наблюдается на фоне фототрофии, это называют «фотодыханием». В случае хемолитоав-
тотрофии он получил неудачное название — «хемодыхание» (не смешивать с истинным
энергоассимилирующим дыханием, при котором создается PMF).

При азотавтотрофии кислород непосредственно не взаимодействует с субстратом, од-
нако негативно регулирует биосинтез нитрогеназы на транскрипционном и посттранскрип-
ционном уровнях, а также инактивирует активные центры этого многокомпонентного ме-
таллоэнзима (Peters et al., 1995).

Отдельный аспект негативного действия кислорода связан с явлением «окислительно-
го» стресса (см.: Gille, Sigler, 1995). Его физиологические последствия выражаются в раз-
рушительном действии на биологические молекулы синглетного кислорода (1О2*), а также
«активных» восстановленных форм кислорода. К числу последних относятся супероксид-
ный аиион-радикал (О2“ ), пероксидный анион (О22-) и свободный гидроксильный радикал
(ОН ). Синглетный кислород накапливается в ходе фотофизических реакций, которые про-
текают с участием возбужденных форм антенных пигментов (см. разд. 3.1.4). Источником
образования активных восстановленных форм кислорода служат акцепторные участки фо-
тосистем, прежде всего PSI (см. разд. 3.7.2), реже — электротранспортная цепь.

С момента возникновения цианобактерии не только стали источником накопления ки-
слорода в биосфере, но и сами оказались под его токсическим воздействием. Для выжива-
ния в экстремальных условиях им потребовалось выработать защитные механизмы, одним
из которых стало аэробное дыхание (см. разд. 5.1.1).
Глава 3

ОКСИГЕННЫЙ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЙ АППАРАТ

Конкуренция за свет принципиально не отличается от конкуренции за химические источ-
ники энергии или конструктивный субстрат. Однако она имеет свою специфику, что связано с
типом и интенсивностью окраски фототрофных организмов, проше говоря — их цветом. Цвет
же зависит от абсорбционных характеристик хромофоров, состава и относительного содержа-
ния фотосинтетических пигментов в светособирающем комплексе. Поэтому пигменты фото-
трофов можно уподобить конститутивно и адаптивно синтезируемым редокс-ферментам, с
помощью которых представители различных физиологических групп хемотрофных бактерий
извлекают метаболическую энергию из своих питательных субстратов.

С такой эколого-физиологической точки зрения видимый свет можно рассматривать
как совокупность элективных питательных сред. Поэтому, например, преимущественный
рост отдельных представителей цианобактерий (т.е. образование их природных накопитель-
ных культур), а также преобладание микроорганизмов этой группы в отдельных микробных
ценозах (т.е. их популяционное доминирование) создаются в результате конкуренции с дру-
гими претендентами на энергетические ресурсы той или иной световой ниши.

3.1. ПИГМЕНТЫ

Фотосинтетические пигменты оксигенных фототрофов образуют пеструю палитру цве-
тов и их оттенков. Основу разнообразия этих хромофоров составляет не только принадлеж-
ность к определенному классу химических соединений, но и существование в виде гомоло-
гов и изомеров, а для некоторых — характер ковалентного взаимодействия с белком-
носителем, или «апопротеином».

В соответствии с особенностями молекулярной структуры хромофоры оксигенных фо-
тотрофов подразделяются на:

- билины (тетрапирролы с открытой цепью);

- протохлорофиллиды и хлорофиллиды (макроциклические Mg-тетрапирролы, или Mg-
порфирины);

- каротиноиды и ксантофиллы (полиизопреноиды и оксиполиизопреноиды);

- хлорофиллы (Mg-порфиринполиизопреноиды).

Резонансная тетрапиррольная структура билинов позволяет им максимально поглощать
свет в диапазоне длин волн 500-650 нм (Glazer, Wedemayer, 1995).

Резонансная структура с четырьмя связями для Mg"+ обеспечивает интенсивное погло-
щение света порфиринами — протохлорофиллидами, хлорофиллидами и хлорофиллами в
синей и красной областях видимого спектра (Porra et al., 1997), которые лежат в интервале
длин волн 350-450, 650-750 нм и соответственно носят название полосы Соре (англ. Soret
band) и «батохромного» перехода (англ, bathochromic shift).

Окрашенные полиизопреноиды содержат протяженную систему конъюгированных
двойных связей и имеют абсорбционный максимум в сине-зеленой части видимого спектра
при 350-500 нм (Grossman et al., 1995).

Таким образом, даже частичный набор хромофоров перекрывает основной диапазон
видимого спектра, а полный набор — всю видимую область, что лежит в основе высокой
эффективности фоторецепторного аппарата оксигенных фототрофов (рис. 6).

хлорофилл а

фикоэритрин

фикоцианин

каротиноиды

500

400

600

700

Длина волны, нм

Рис. 6. Абсорбционные спектры пигментов, входящих в состав оксигенного
фотосинтетического аппарата - размещение в видимой области.

Взаимодействие билиновых хромофоров с апопротеинами осуществляется с помощью
ковалентных связей, в результате чего образуются окрашенные белки, или хромопротеины.
В отличие от них протохлорофиллиды, хлорофиллиды, хлорофиллы и каротиноиды фикси-
руются на апопротеинах с помощью ионных, координационных и гидрофобных взаимодей-
ствий, а также сил Ван-дер-Ваальса. Это приводит к образованию пигмент-белковых ком-
плексов. Каротиноиды и хлорофиллы связаны с консервативными His-сайтами в полипеп-
тидных цепях апопротеинов. Тройственные хлорофилл-каротиноид-белковые комплексы,
как правило, встроены в гидрофобную сердцевину мембраны тилакоида (Grossman et al.,
1995).

Апопротеины играют специфическую и во многих отношениях главную роль в функ-
ционировании фотосинтетического аппарата. Они ответственны за упорядоченную ориента-
цию хромофорных групп и оптимизацию их абсорбционных характеристик.

Хромопротеины и пигмент-белковые комплексы участвуют в процессе зарождения воз-
бужденного состояния и его передаче по антеннам, в фотохимической реакции возбужден-
ного синглетного первичного донора (*Р680* и 1Р700*), а также в транспорте электронов
через реакционный центр.

3.1.1. Хлорофиллы

Из всех фотосинтетических пигментов наиболее важную роль, несомненно, играют
хлорофиллы. Различают главные (англ, major) хлорофиллы, которые вместе с Р-каротином
входят в состав реакционных центров, и вспомогательные (англ, accessory) хлорофиллы -
компоненты светособирающих антенн. Главным хлорофиллом у Cyanobacteria и пластид
является хлорофилл a (Larkum, Howe, 1997). Исключение составляет морская бактерия А.
marina, у которой первичным донором реакционного центра PSI1 (Р740) служит «особая
пара» молекул хлорофилла d (Hu et al., 1998).

В состав антенных систем Cyanobacteria входят различные хлорофиллы и хлорофилл-
подобные пигменты (табл. 3). Единственным хлорофиллом цианобактерий sensu stricto яв-
ляется хлорофилл а, тогда как для прохлорофитов характерно присутствие набора хлоро-
филлов — кроме хлорофиллов а и b он может включать их дивинильные производные (хло-
рофиллы а2 и Ь2), хлорофилл с-подобные пигменты, а также хлорофилл d.

Пластиды отличаются друг от друга по составу хлорофиллов. В частности,
Rhodophyceae не имеют вспомогательного хлорофилла. То же самое наблюдается и у
Eustigmatophyceae, поскольку в процессе эволюции пластиды этих водорослей вторично
утратили хлорофилл с. Вспомогательным хлорофиллом хлоробионтов служит хлорофилл Ь,
а хромобионтов — хлорофилл с. Наконец, Prasinophyceae имеют два вспомогательных хло-
рофилла — хлорофиллы b и с.

Увеличенное, по сравнению с количеством каротиноидов, относительное содержание
хлорофилла а закономерно определяет зеленый цвет прохлорофитов, Viridiplantae, Chlora-
rachniophyceae и Euglenozoa. Преобладанием хлорофилла а в пигментной палитре объясня-
ется окраска ряда «виридозных» форм цианобактерий.

По химическому строению хлорофиллы представляют собой Mg-хелаты сложных эфи-
ров 2-основной хлорофиллиновой кислоты. Ее плоское порфириновое ядро состоит из пир-
рольных колец I—IV, замкнутых в макроцикл с помощью метиновых мостиков (-СН= ), ко-
торые обозначаются как а, /3, у и <5. Хлорофиллиновая кислота образует двойной сложный
эфир с метанолом, присоединяющимся к циклопентановому кольцу V, и полиизопреноид-
ным (реже — высшим алкановым) спиртом, связывающимся с пиррольным кольцом IV.

По строению хлорофиллы сходны с гемами — простетическими группами цитохромов
и других редокс-ферментов. Однако в отличие от хлорофиллов у гемов нет циклопентаново-
го кольца V, и они не этерифицированы спиртами.

Порфириновое ядро обеспечивает прочное лигандирование дивалентных катионов. В
случае хлорофиллов это ион Mg2+. Исключение составляет уникальный /п2+-содержащий
бактериохлорофилл а, обнаруженный у квазифототрофной бактерии Acidiphilum rubrum
(Wakao et al., 1996).

Таблица 3. Распространение фотопигментов у оксифотобионтов

Таксон (группа) Хлорофилл* Каротиноид** Билин***
Цианобактерии sensu stricto chi a ft car, can, ech, myx, osc, zea PCB, PEB, PUB, PBV
Прохлорофиты chi albla^bi, DVP a car, ft car, ech, myx, zea PEB,PUB
Acaryochloris marina chi aid a car, zea PCB
Rhodophyceae chi a a car, ft car, lut, neo, zea PEB, PCB, PUB, PBV
Chlorophyceae chi alb a car, ft car, lut, vio -
Prasinophyceae chi alb, DVP, chl Ccs-!7O ft car, ant, lut, neo, pra, zea -
Высшие растения chi a/b ft car, lut, neo, zea -
Euglenoz.oa chi a/b ft car, dia, dit, neo -
Dinozoa chi a/c’2 per -
Raphidophyceae chi alc\lc2 ft car, dia, din, fuc -
Phaeophyceae chi alc\lc2 ft car, dia, fuc, lut, vio -
Chrysophyceae chi a/c2, DVP ft car, ant, fuc, zea, -
Eustigmalophyceae chi a ft car, vau, vio -
Xanthophyceae chi a/c\ ft car, dia, het, vau -
Bacillariophyceae chi alc\lc2 /Зсаг, dia, fuc -
Haptophyceae chi a/cdc2, DVP ft car; fuc -
Cryptophyceae chi a/c2, DVP ft car, all PCB, PEB, DBV, MBV, билин-584, билин-618

*chl - хлорофилл; DVP - дивипилпротохлорофиллид; chi ccs-170 _ хлорофилл сз-типа у Micro-
monas pusilia CS-I70 (Jeffrey, 1997).

**a car - а каротин; ft car - ft каротин; all - аллоксантин; ant - антераксантин; can - кантаксан-
тин; dia - диадиноксантин; din - диноксантин; dit - диатоксантин; ech - эхиненон; fuc - фукоксантин;
het - гетероксантин; lut - лютеин; тух - миксоксантофилл; neo - неоксантин; osc - осциллаксантин;
per - перидинин; pra - празиноксаптип; van - вашериоксантин; vio -- виолаксантин; zea - зеаксантин.

***РСВ - фикоцианобилин; РЕВ - фикоэритробилин; PUB - фикоуробилин; PBV - фикобили-
виолин; DBV - дигидробиливсрдип; MBV - мезобиливердин (Glazer. Wcdemayer, 1995).

- От сутствует.

В отличие от хлорофиллов специфическим катионом у гема является железо, которое
изменяет свое валентное состояние (Fe2+ <-> Fe3+) при редокс-переходах молекулы голоэн-
зима.

Электронная структура порфиринового кольца хлорофилла представляет собой систему
одинарных и двойных конъюгированных связей, содержащую 18 делокализованных л-
электронов. Интенсивное светопоглощение хлорофиллов в синефиолетовой области спектра
обеспечивается резонансной структурой порфиринового кольца, тогда как соизмеримое све-
Длина волны, нм
дивинил-хлорофилл b

дивинил-хлорофилл а

Длина волны, нм

Рис. 7. Хлорофиллы и хлорофиллподобные пигменты - структура и спектры поглощения.
Рис. 7. Окончание

ХЛОрОфИЛЛ Ccs-170

446
топоглогцение в красной части спектра связано с присутствием катиона Mg2+, а также гид-
рированием двойной связи в положении 7-8.

В связи со своей высокой гидрофобностью хлорофиллы ассоциированы с гидрофобны-
ми же апопротеинами, и поэтому хлорофилл-белковые комплексы чаще всего встроены в
липидную сердцевину мембраны. Хлорофиллы хорошо растворяются в метиловом и этило-
вом спиртах, ацетоне, диэтиловом эфире, диметилсульфоксиде и других органических рас-
творителях.

Структурные формулы хлорофиллов и хлорофиллподобных ферментов, имеющихся у
оксигенных фототрофов, а также нормализованные спектры поглощения этих пигментов в
ацетоне и диэтиловом эфире представлены на рис. 7.

3.1.2. Фикобплипротенны

Фикобилипротеины (англ, phycobiliprotein, РВР) — компоненты светособирающих ан-
тенн Cyanobacteria, цианелл Glancocystopbyceae, а также пластид Rhodophyceae и
Cryptophyceae. Они образуют суперсемейство хромопротеинов, объединяющее гидрофиль-
ные белки с одной или несколькими ковалентно связанными фикобилиновыми группами.

Набор хромофоров, локализация сайтов их связывания в полипептидной цепи и специ-
фическая агрегация модульных субъединиц в структуры высшего порядка определяют по-
ложение и величину максимума поглощения индивидуального РВР in situ, а также взаимо-
действие различных РВР в нативном антенном комплексе. Высокое относительное содер-
жание РВР сказывается на окраске клетки. В частности, красный фикоэритрин (англ,
phycoerythrin, РЕ; от греч. сроков— морская трава, ЕриОро^— красный; F.Kutzing) определя-
ет багряный цвет большинства Rhodophyceae, а также «эритрозных» форм цианобактерий. В
свою очередь, синий фикоцианин (англ, phycocyanin, PC; от греч. (рико£— морская трава,
Kvaveo^— синий; F. Kutzing;) придает характерный цвет «цианозным» формам цианобакте-
рий.

Билины (англ, bilin; от лат. bilis — желчь) близки по строению желчным пигментам жи-
вотных — биливердину и билирубину. У цианобактерий различают четыре группы фикоби-
линов (рис. 8) — фикоцианобилины (англ, phycocyanobilin, РСВ), фикобиливиолины (англ,
phycobiliviolin, PBV), фикоэритробилины (англ, phycoerythrobilin, РЕВ) и фикоуробилины
(англ, phycourobilin, PUB).

Ковалентное присоединение билиновых хромофоров к апопротеину осуществляется
через тиоэфирные мостики. Они образуются между винильными группами пиррольных ко-
лец I и/или IV индивидуального хромофора и сульфгидрильными группами остатков цис-
теина, которые входят в состав аминокислотной последовательности апопротеина (Glazer,
1985). Позиции этих остатков были оптимизированы в процессе эволюции и высоко консер-
вативны. /

Апопротеины билинов — это слабокислые гидрофильные белки глобинового типа. Су-
ществует несколько вариантов таких апопротеинов. Два из них представлены гомологичны-
ми субъединицами— а и Д (15 и 17 кДа). В дополнение к ним у цианобактерий и
Rhodophyceae имеется высокомолекулярный апопротеин АрсЕ (Мг 120 кДа). Наконец, у
Rhodophyceae встречается четвертая, или у-субъединица (Мг 31-33 кДа).
-HN-Cys-CO-

S HOOC COOH

фикоцианобилин

-HN-Cys-CO—
S HOOC COOH

фикобиливиолин

фикоэритробилин

фикоуробилин

Рис. 8. Фикобилины - структура и связь с апопротеинами.

У цианобактерий, цианелл Glaucocystophyceae и пластид Rhodophyceae распространены
девять различных типов РВР, которые отличаются друг от друга по количеству и составу
хромофорных групп (рис. 9).

У Cryptophyceae выделяют семь типов РВР, относящихся к двум подклассам — «крип-
то-фикоэритринам» (англ, crypto-phycoerythrin. Сг-РЕ) и «крипто-фикоцианинам» (англ,
crypto-phycocyanin, Сг-РС). В обозначение каждого Cr-РВР входит число, отражающее по-
ложение, в нм, длинноволнового максимума (Сг-РЕ 545, Сг-РЕ 555 и Сг-РЕ 566; Сг-РС 569,
Сг-РС 612, Сг-РС 630 и Сг-РС 645).

Препараты криптомонадных билипротеинов представлены гетеротетрамерами— аа1@2
(50 кДа). Субъединица а имеет уникальную первичную структуру, тогда как субъединица ft
обнаруживает >80% гомологии с Д-субъединицей РЕ цианобактерий и Rhodophyceae
(Wedemeyer et al., 1996).

Дополнительные сведения о РВР содержатся в разд. 3.2.2.
С-фикоцианин

R-фикоцианин

(4гД)6/18 РСВ

(<гД>3/6 РСВ, ЗРЕВ

Х“Х/РСВ

С л
VV'PEB

фикоэритроцианин

(а^/б РСВ, 3 PBV

__РВУ ^-^.РСВ

( О) (

'o' VSApcb

В-фикоэритрин

(^6//38 РЕВ, 2 PUB

РЕВ РЕВ РЕВ

А Л

рев рев АЛЛ рев

Ь-фикоэритрин
(«Д/ПРЕВ

ЛЕВ РЕВ'^^РЕВ
ainrD х

ЛЛРЕВ РЕВ АЛЛ РЕВ

С-фикоэритрин

(а/7)6/36 РЕВ

~.РЕВ РЕВ^^—^РЕВ
а 1 I В а

ЛЛрев ревАЛЛ рев

PUB._~.PEB

Л У 1
РиВ'ХД/'РЕВ

R-фикоэритрин

(Л6//26 РЕВ, 8 PUB
~РЕВ PEB^—^PUB

С^Лрев pebaZP

PUBx~>.PEB

Л / L
PUB АЛЛ РЕВ

аллофикоцианин

аллофикоцианин В

(«Д)3/6 РСВ

(аД)3/6 РСВ

Рис. 9. Фикобилипротеины - распределение простетических групп и субъединичный состав
(по: Glazer, 1985; с изменениями).

а, Д у - полипептидные субъединицы; PBV - фикобиливиолин; РСВ - фикоцианобилин;
РЕВ - фикоэритробилин; PUB - фикоуробилин.

3.1.3. Биосинтез тетрапирролов

Тетрапиррольные хромофоры хлорофиллов, хлорофиллподобных пигментов, РВР и ци-
тохромов синтезируются с помощью ферментативных реакций, которые относятся к одному
и тому же разветвленному метаболическому пути (рис. 10).

Традиционными модельными объектами при изучении реакций биосинтеза тетрапир-
ролов и его общей регуляции служат представители субфилы Alphaproteobacteria (см.:
Beale, 1994). Однако сравнительные исследования, проведенные на цианобактериях, а также
некоторых представителях Chlorophyceae (в частности, Chlamydomonas reinhardtif) и выс-
ших растений, показали, что основные этапы этого пути и катализирующие их ферменты,
скорее всего, одинаковы у всех живых организмов. Некоторые из генов, кодирующих фер-
менты, с помощью которых образуются интермедиаты и конечные продукты пути биосинте-
за тетрапирролов, имеют «бактериальную» природу, т.е. входят в состав геномов бактерий
или пластидных геномов, другие принадлежат к числу ядерных генов (табл. 4).

Биосинтез хлорофиллов. Универсальным предшественником биосинтеза ацикличе-
ских и циклических тетрапирролов служит 5-аминолевулиновая, или <5-аминолевулиновая,
кислота (англ. <5-aminolevulinic acid, ALA). Пурпурные бактерии из субфилы Alphaproteo-
Glu

Glu-тРНК

сукцинил-СоА

GSA

ALA

Gly

порфобилиноген

гидроксиметилбилан

уропорфириноген III

Fe2+ (Со2+)

копропорфириноген III

сирогем, витамин В12

протопорфириноген IX

Мд

протопорфирин IX

Мд-протопорфирин IX

протогем

хлорофиллы

фикобилины

гемы

Рис. 10. Путь биосинтеза гетрапирролов.

ALA - 5-аминолевулиновая кислота; GSA - полуальдегид глутаминовой кислоты.

bacteria, некоторые бактерии из филы Firmicutes (ВХ1П), а также грибы синтезируют ALA в
реакции конденсации глицина (Gly) с сукцинил-коэнзимом А (сукцинил-СоА). Остальные
бактерии, водоросли и высшие растения образуют ALA из глутаминовой кислоты (рис. 11).
Особенностью этого альтернативного пути является участие в нем tPHKGIu, которая активи-
рует глутамат (Glu), присоединяясь к нему в результате лигазной реакции, катализируемой
Glu-тРНК-синтетазой. Необходимо отметить, что вовлечение РНК в энзиматические про-
цессы, не приводящие к образованию пептидной связи, происходит исключительно редко
(Rudiger, 1997).
Таблица 4. Ферменты и гены биосинтеза тетрапирролов

Обозначение фермента ( ~ синоним) «Бактериальный» ген Ядерцый ген
Биосинтез хлорофилла а
Glu-тРНК-синтетаза gZ/д- GluRS
Glu-тРНК-редуктаза hemA HemA
GSA-аминотрансфсраза* hemL/gsa f’sa
ALA-дегидратаза = дегидратаза = порфобили- ногенсинтаза hemB ALAI)
Порфобилиногендеаминаза = деаминаза = гидроксиметилбилансинтаза hemC PBGD
Уропорфириноген Ш-синтаза = (ко)синтаза heml) -
Уропорфириноген Ш-декарбоксилаза = декар- боксилаза heinE LIROD
Копропорфириноген III-оксидаза = оксидаза- декарбоксилаза hemF/I I EM 13/hemN CPO
Протопорфирин 1Х-оксидаза = оксидаза hemY/hemG PPX
Протопорфирин IX-Mg-хслагаза = Mg-хелата- за bchD/chlD, bchl/chll, bchH/chlH ChlD, ChlL ChIH
5-АМ-\^-протопорфири1) 1Х-метилтрансфе- раза = метилтрапсфераза bchM/chIM -
Циклаза монометилового эфира Mg- протопорфирина IX = циклаза bchE/chlE -
4-винилредуктаза bchJ -
Светозависимая NADPH: проз охлорофиллид- оксидорсдуктаза = оксидоредуктаза lpcr/pc-1 POR
Темновая протохлорофиллидредуктаза ~ ре- дуктаза bchB/chlB, bchUchlL, bchN/chlN -
Хлорофилл я-синтаза = изопренилтраисфераза bchG/chlG ChlG
GG-редуктаза bchP -
Биосинтез фикобилинов
Гемоксигепаза - HY1
Биливердинредуктаза = редуктаза I - -
15.16-дигидробиливердин-редуктаза = редук- таза 11 - -
РЕВ: РСВ-изомераза = изомераза I - -
Фикобилин-этилиденизомераза = изомераза II - -
Биосинтез сирогема
Уропорфириноген-метилтрансфераза — cysG/cobA
1,3-диметил-уропорфириноген-дегидрогеназа - cysG(T)
Сирогем-Ее-хелатаза - cysG(T)
Биосинтез протогема идругих гемов
Fe-хелатаза he mH FCH
Гем с-лиаза - CYS3/cyt-2
Фарнезилтрансфераза - cyoE/ctaB
Продолжение табл. 4

Обозначение фермента ( = синоним) «Бактериальный» ген Ядерный ген
8-метил-протогем-оксидаза - ctaA
Фитохромобилинсинтаза - —
Фитохромобилинизомераза - -

* GSA — полуальдегид глутаминовой кислоты; ALA - 5-аминолевулиновая кислота; S-AM - S-
аденозилметионин; GG - геранилгеранил; РЕВ - фикоэритробилин; РСВ - фикоцианобилин.

- Не выявлен.

СООН

CHNH2

СН2 *

СН2

СООН

L-Glu

CHNH2

СН2

сн2

COO

NADPH, NADP
CUUn ..
Mg2
Glu-тРНК

Glu-тРНК-редуктаза

CHO CH2NH;
chnh2 с=о
СН2 GSA-аминотрансфераза сн2
q|_j2 пиридоксальфосфат сн2
СООН СООН

GSA ALA

Рис. 11. Путь биосинтеза 5-аминолевулиновой кислоты.

ALA - (5-аминолевулиновая кислота; GSA - полуальдегид глутаминовой кислоты.

Комплекс Glu-тРНК восстанавливается Glu-тРНК-редуктазой до полуальдегида глута-
миновой кислоты (англ, glutamate semialdehyde, GSA). Эта реакция является NADPH-
зависимой и требует присутствия ионов Mg2+. На заключительном биосинтетическом этапе
аминотрансфераза, кофактором которой служит пиридоксальфосфат, осуществляет внутри-
молекулярный перенос аминогруппы из положения 4 в положение 5, в результате чего GSA
изомеризуется в ALA. Возможно, что все три фермента, участвующие в синтезе ALA, обра-
зуют мультиферментный комплекс (von Wettstein et al., 1995).

Формирование пиррольного кольца, или порфобилиногена, осуществляется путем
асимметрической конденсации двух молекул ALA, которая катализируется Mg2+-33BHCHMoh
AL А-дегидратазой (рис. 12). Вслед за этим порфобилиногендеаминаза конденсирует четыре
молекулы порфобилиногена, что приводит к образованию метастабильного линейного тет-
рапиррола— гидроксиметилбилана. При помощи уропорфириноген Ш-синтазы, или
«(ко)синтазы», последний превращается в макроциклический тетрапиррол — уропорфири-
ноген III. Предполагается, что последние два фермента работают в едином комплексе. Для
действия порфобилиногендеаминазы в качестве кофактора требуется димер порфобилино-
гена (von Wettstein et al., 1995).

Уропорфириноген III служит предшественником сирогема, а также коррина — ядра ви-
тамина В12. Последовательность реакций, приводящих к синтезу этих тетрапиррольных
производных, включает метилирование порфиринового ядра уропорфириногена в положе-
ниях 1 и 3, окисление прекоррина II до тетрагидропорфирина, а также хелатирование катио-
нов Fe2+ и Со2+ (Beale, 1993).
Образование копропорфириногена III сопровождается восстановлением ацетатных
групп уропорфириногена III до метильных групп с помощью уропорфириноген III-
декарбоксилазы. Декарбоксилирование начинается с пиррольного кольца IV и продолжается
по часовой стрелке, т.е. последовательно в положениях 8 —> 1—> 3 —» 5 макроцикла. Затем
копропорфириноген Ill-оксидаза, которую также называют «оксидазой-декарбоксилазой»,
осуществляет окислительное декарбоксилирование пропионильных групп, находящихся в
положениях 2 и 4, в винильные группы, что приводит к образованию протопорфириногена
IX. Эта реакция протекает при участии кислорода или в анаэробных условиях в присутствии
АТР. NADP и метионина. Вслед за этим протопорфириноген IX-оксидаза, или просто «ок-
сидаза», катализирует удаление шести атомов водорода из ядра макроцикла, в результате
чего образуется система конъюгированых двойных связей. Полученный таким образом про-
топорфирин IX имеет красную окраску и служит предшественником при биосинтезе хлоро-
филлов, фикобилинов и гемов (Beale, 1993; von Wettstein et al., 1995).

Ветвь биосинтеза железосодержащих тетрапирролов начинается с превращения прото-
порфирина IX в протогем. В присутствии ионов Zn2+ и Со2+ протогем-ферролиаза, она же
Ре2+-хелатаза, катализирует реакцию хелатирования Fe2+ протопорфирином IX. Предполага-
ется, что у цианобактерий образование гема с (простетической группы цитохромов с553 и
/557) а также гема а (простетической группы цитохромоксидазы аагтипа) осуществляется с
помощью гем-ферролиазы (Beale, 1993; 1999).

Путь биосинтеза хлорофилла а из протопорфирина IX представляет собой серию из по-
следовательных ферментативных реакций, включающую:

- хелатирование Mg"+;

- метилирование пропионильной группы в положении 6;

- формирование циклопентанового кольца;

- восстановление винильной группы в положении 4;

- восстановление двойной связи в кольце IV;

- этерификацию пропионильной группы в положении 7.

Связывание Mg2+ с молекулой протопорфирина IX катализируется Mg2+-xenaTa3ofl, ко-
торая представляет собой мембранный фермент. Для реакции хелатирования необходим
АТР. Предполагается, что донором Mg2+ непосредственно служит Mg2+ATP, субстрат для
большинства киназ.

Следующий этап синтеза хлорофилла — метилирование пропионильной группы в по-
ложении 6, что приводит к образованию монометилового эфира Mg-протопорфирина IX.
Эта реакция катализируется З-аденозил-Ь-метионин: Mg-протопорфирин 1Х-метилтрансфе-
разой, или метилтрансферазой. Донором метильной группы является З-аденозил-L-
метионин (S-АМ), который превращается в S-аденозил-гомоцистеин (S-AH).

Этапы образования циклопентанового кольца V и восстановления 4-й винильной груп-
пы макроцикла в этильную изучены не настолько хорошо, как предыдущие. В частности,
высказывается предположение, что замыкание кольца происходит при участии циклазной
системы — по аналогии с механизмом Д-окисления жирных кислот. Последовательность
событий заключается в дегидрировании, гидратации и окислении гидроксильной группы
при Д-углеродном атоме остатка пропионовой кислоты, который находится в положении 6 и
этерифицирован метанолом. Промежуточными продуктами на пути образования 2,4-
дивинил-протохлорофиллида являются 6-метил-Д-гидроксипропионил-М§-протопорфирин
IX и 6-метил-Д-кетопропионил-1У^-протопорфирин IX. Циклазная система нуждается в при-

'JT хлорофилл C-I
ХЛОООСрИЛЛ Co

Ид-протопорфирин IX

монометиловый эфир

Мд-протопорфирина IX

дивинил-протохлорофиллид

(Мд-2,4-дивинил-феопорфирин а5)

ХЛОрофиЛЛИД 3gg

хлорофилл а

хлорофилл b хлорофилл d

Рис. 12. Путь биосинтеза хлорофиллов.

ALA - 5-аминолевулиновая кислота; S-AM - S-аденозилметионин; S-АН - S-аденозилгомосерин;

GG - геранилгеранил; GGPP - геранилгеранилпирофосфат.
сутствии кислорода, NADP и ионов'Fe2+. По имеющимся данным, 4-винилредуктаза пред-
ставляет собой NADP-зависимый фермент (Rudiger, 1997).

Вновь образованный протохлорофиллид метаболически активен и превращается в хло-
рофиллид а. Реакция восстановления двойной связи кольца IV представляет собой светоза-
висимый процесс. Она катализируется NADPH: протохлорофиллид-оксидоредуктазой и, по-
видимому, играет фоторегуляторную роль. Наряду с фотозависимым ферментом существует
и темновая протохлорофиллидредуктазная система, которая, как полагают, состоит из трех
компонентов. Темновое восстановление кольца IV является ATP-зависимой реакцией
(Fujita, 1996; Armstrong, 1998).

Биосинтез хлорофилла а завершается несколькими реакциями. Вначале хлорофиллид а
этсрифицируется геранилгераниолом; при этом субстратом служит геранилгераниолпиро-
фосфат (англ, geranylgeraniol pyrophosphate, GGPP). Затем происходит последовательное
восстановление этого дитерпена в фитил по двойным связям в положениях 6, 10 и 14 через
промежуточные этапы образования 6-дигидрогеранилгераниола и 6,10,14-гексагидро-
геранил гераниол а. Хлорофилл д-синтаза и геранилгераниолредуктаза, вероятно, действуют
в составе единого комплекса, который катализирует эти реакции с использованием NADPH
и АТР в присутствии кислорода (Riidiger, 1997; Grimm, 1998).

ATP-зависимое образование хлорофилла b осуществляется также в присутствии кисло-
рода с помощью хлорофилл tz-оксигеназы, окисляющей метильную группу кольца II в фор-
мильную. Эта реакция считается обратимой, хотя существование пула взаимно превращаю-
щихся молекул хлорофиллов а и b остается недоказанным. Без экспериментальных данных
нет оснований утверждать, что хлорофилл а также является предшественником хлорофилла
d. Однако судя по молекулярной структуре последнего, эго весьма вероятно. Хлорофиллы с-
типа по строению сходны с 2,4-дивинил-протохлорофиллидом, и скорее всего он служит их
предшественником (Beale, 1999).

Некоторые исследователи не исключают существования еще одного параллельного пу-
ти биосинтеза хлорофиллов. У ряда представителей Cyanobacteria обнаружены «необыч-
ные» предшественники хлорофиллов, например моновинил-протохлорофиллид — произ-
водное монометилового эфира Mg-протопорфирина IX. Наряду с этим у Prochloron sp., а
также мутантов кукурузы происходит накопление 8-винил-хлорофиллидов alb, которые, по-
видимому, выполняют какую-то фотосинтетическую функцию (Helfrich et al., 1999).

Биосинтез фикобилинов. Модельным объектом при изучении пути биосинтеза фико-
билинов (рис. 13) традиционно служит Cyanidium caldarium— одноклеточный представи-
тель Rhodophyceae.

Первый этап пути катализируется 3-компонентной ферментной системой, которая со-
стоит из Fd-зависимой NADPH: цитохром с-редуктазы, низкомолекулярного FeS-белка
(предположительно, Fd) и гемоксигеназы. В присутствии кислорода и NADPH гемоксиге-
назная система катализирует раскрывание макроцикла протогема с образованием изомера
биливердина— биливердина IXcc. Затем NADPH: ферредоксин-зависимая биливердин-
15,16-редуктаза (редуктаза I) восстанавливает биливердин до 15,16-дигидробиливердина.
Последний превращается в 37-фикоэритробилин (3Z-PEB) при помощи 15,16-дигидро-
биливердин-редуктазы (редуктазы II).

РЕВ: PCB-изомераза (изомераза I) участвует в реакции изомеризации 3Z-PEB в 3Z^n-
коцианобилин (3Z-PCB). Однако Зг-изомеры фикобилинов нестабильны, и фикобилин-этилиден-
cis/trans-изомераза (изомераза II) превращает их соответственно в ЗЕ-РЕВ и ЗЕ-РСВ.
биливердин IXa

ЗЕ-фикоэритробилин

ЗЕ-фикоцианобилин

Рис. 13. Путь биосинтеза фикобилинов (по: Beale, 1994; с изменениями).

Согласно предварительным генетическим и биохимическим данным, ферментативное
присоединение вновь синтезированных фикобилинов к апопротеинам осуществляется спе-
циальными лигирующими системами. Так, связывание РСВ остатком Cys-84, который вхо-
дит в состав а-субъединицы апопротеина PC, производится CpcE/CpcF-ферментной систе-
мой. Предполагается, что в присоединении билиновых хромофоров к /3-субъединице апо-
протеина PC участвуют аналогичные ферменты (Beale, 1993).

3.1.4. Каротиноиды

Каротиноиды (англ, carotenoid; от греч. косротоу — морковь, el5o£ — подобие) бывают
неокрашенными или желтокрасного цвета различного оттенка и интенсивности. Эти поли-
функциональные соединения имеют почти универсальное распространение. В составе фото-
синтетического аппарата каротиноиды выполняют роль светособирающих пигментов и фо-
топротекторных агентов, а также стабилизируют липидную фазу мембран (Havaux, 1998).
Оксигенные фототрофы обязательно содержат окрашенные каротиноиды; мутации по их
биосинтезу из неокрашенных предшественников детальны только у этих организмов.

Каротиноиды, как правило, представяляют собой тетратерпены, или С40-углеводороды.
Они состоят из восьми «изопреновых» единиц, точнее сказать, их основу образует регуляр-
но повторяющаяся диметил-аллильная единица— изомер изопрена (метилбутадиена) с
двойной связью, смещенной на середину молекулы. Помимо тетратерпеновых каротиноидов
существуют апокаротиноиды с укороченным скелетом, а также высшие каротиноиды, со-
держащие более 8 изопреновых единиц.

В отличие от слабо десатурированных бесцветных каротиноидов, в которых двойные
связи чередуются с тремя одинарными, окрашенные каротиноиды имеют систему конъюги-
рованных двойных связей. Ее протяженность определяет окраску пигмента, оцениваемую
величиной (удельным коэффициентом) светопоглощения.

Различают две основные группы каротиноидов. Каротинами (англ, carotene; от греч.
KapoTOV — морковь; М. Цвет) называются ациклические, моно- и бициклические полиизо-
преноиды, хорошо растворяющиеся в петролейном эфире и слабо в спирте. Ксантофиллы
(англ, xanthophyll; от греч. £otv0o^ — желтый, qroZZov — лист; J. Berzelius) представляют
собой кислородсодержащие производные каротинов, в составе которых есть эпокси-, гидро-
кси-, кето-, метокси- или формильные группы. В отличие от каротинов более гидрофильные
ксантофиллы хорошо растворяются в спирте и плохо — в петролейном эфире.

Поскольку С40-каротиноиды синтезируются путем лигирования «хвост к хвосту» двух
С2()-предшественников, они по большей части имеют trans-конфигурацию. Углеродные ато-
мы нумеруются начиная с концов молекулы по направлению к 15-15' центру.

Различают ациклические каротиноиды (i/z-каротиноиды) и каротиноиды, содержащие
по одному или обоим концам молекулы циклогексановые (/3- и £-каротиноиды), циклопен-
тановые (к-каротиноиды) или ариловые (ср- и ^-каротиноиды) кольца. Циклогексановые
кольца рассматриваются как производные а- и /3-изомеров ионона.

В настоящее время известно около 600 различных каротиноидов. На рис. 14 приведены
структурные формулы только тех из них, которые регулярно встречаются у оксифото-
бионтов.

Каротиноидный состав варьирует у различных групп организмов, однако он не имеет
хемотаксономического значения, как хлорофиллы. Пурпурные бактерии синтезируют толь-
ко ациклические каротиноиды. В отличие от них водоросли демонстрируют богатое разно-
образие моно- и бициклических каротиноидов. Состав каротиноидов Chlorophyceae ближе
всего к тому, который характерен для высших растений, хотя в некоторых случаях они со-
держат особые ксантофиллы. Примером служит Chlamydomonas reinhardtii (см.: Baroli,
Niyogi, 2000).

Хлоропласты высших растений содержат только бициклические каротиноиды — /3-
каротий, лютеин, виолаксантин и неоксантан (Grossman et al., 1995). В целом для высших
растений свойствен относительно постоянный набор каротиноидов. Главными из них явля-
ются лютеин (до 45% общего количества), /3-каротин (25-30%), виолаксантин (10-15%), а
также неоксантин (1-5%). На ярком свету в хлоропластах накопливаются зеаксантин и ан-
тераксантин.

Наряду с универсальными /3-каротином и зеаксантином существуют редкие формы ка-
ротинов и ксантофиллов, которые приурочены к отдельным группам оксифотобионтов. В
частности, хромобионты содержат атипичные алленовые ксантофиллы; максимум поглоще-
ния у них сдвинут в красную часть спектра (Simpson, Knoetzel, 1996). Бурую пигментацию
Chromista и Dinozoa определяют соответственно фукоксантин и перидинин. Цианобактерии
синтезируют уникальные гликозилированные каротиноиды — миксоксантофилл и осцил-
лаксантин, а также кетокаротиноиды — кантаксантин и эхиненон (Hirschberg, Chamovitz,
1994).
5"СН3

СНд

«-каротин

/Лкаротин

лютеин

зеаксантин

виолаксантин

но

неоксантин

он
он

фукоксантин

диадиноксантин

Рис. 14. Основные представители каротиноидов у оксигенных фототрофов.

Как уже указывалось, каротиноиды играют роль вспомогательных свстособирающих
пигментов при 450-570 нм, т.е. в той области, где слабо поглощает хлорофилл. Это имеет
особо важное значение в водных экосистемах, куда поступает относительно много квантов
синего и синезеленого света и где наблюдается дефицит квантов красного света — как раз
тех, которые специфически поглощаются хлорофиллом.

Оптические абсорбционные характеристики каротиноидов определяются разрешенным
переходом из основного состояния (!So) в верхнее возбужденное синглетное состояние
(‘S*2), которое имеет очень короткое время жизни (~10~13 с) и соответственно очень низкий
выход флуоресценции. Разрешенный переход из состояния [5*2 в нижнее возбужденное
миксоксантофилл

осциллаксантин

Рис. 14. Окончание

синглетное состояние 'S*i осуществляется только путем внутренней конверсии (без измене-
ния ориентации спина). Релаксация, или возвращение в основное состояние *5*], происхо-
дит аналогичным образом. При этом энергия возбуждения передается другим молекулам
или рассеивается в виде тепла (Baroli, Niyogi, 2000).

От возбужденных молекул каротиноидов энергия посредством внутрисистемной синг-
лет-синглетной конверсии передается хлорофиллу, находящемуся в основном состоянии:
'каротиноид* + 'хлорофилл —> 'каротиноид + 'хлорофилл*. (22)

Обязательным условием эффективности этого процесса служит частичное перекрыва-
ние электронных облаков у обменивающихся энергией молекул, что требует близкого про-
странственного расположения каротиноидов и хлорофилла в составе светособирающего
комплекса.

Вопрос о том, в каком из двух возбужденных состояний — 'S*[ или 'S*2 — каротинои-
ды преимущественно передают энергию хлорофиллу, окончательно не выяснен. Однако в
любом случае к.п.д. процесса очень высок и в хлоропластах достигает 85%.

Вслед за этим возбужденное синглетное состояние резонансным путем перемещается
со скоростью ~1СГ12 с по цепочке тесно упакованных антенных молекул хлорофилла. В
конечном счете оно попадает в реакционный центр PSI или PSII, где и происходят
цервичные фотохимические процессы.

Несмотря на важную светособирающую функцию каротиноидов, критическим момен-
том для выживания оксигенных фототрофов является способность синтезировать окрашен-
ные каротиноиды, а также включать их в состав реакционных центров и светособиранЗщих
антенн (Hirschberg, Chamovitz, 1994; Allen, Williams, 1998).

В основе этого лежит универсальная биологическая роль каротиноидов как фотопро-
текторных агентов. Для оксигенных фототрофов она особенно важна не только из-за того,
что они живут в аэробной среде, но и потому, что сами являются продуцентами молекуляр-
ного кислорода. Показательно, что лишь у оксигенных фототрофов мутации по синтезу ок-
рашенных каротиноидов детальны. Причина кроется в том, что при поглощении видимого
света хлорофиллом возникает фотодинамический эффект, заключающийся в сенсибилиза-
циии биологических структур к деструктивным реакциям с участием кислорода.

Находясь в короткоживущем (~10”к с) синглетном состоянии, молекулы хлорофилла
могут накапливаться в таком количестве, что возбуждение не успевает утилитарным спосо-
бом дезактивироваться через реакционные центры. В этих условиях происходит безызлуча-
тельная межсистемная конверсия (переход на более низкий энергетический подуровень с
изменением ориентации спина):

'хлорофилл* —> Зхлорофилл*. (23)

Образующийся долгоживущий (~10~3 с) возбужденный триплетный хлорофилл активно
взаимодействует с нсвозбужденным триплетным кислородом в реакции внутрисистемной
триплет-триплетной конверсии:

Зхлорофилл* + 3О2 —> 'хлорофилл + *О2*. (24)

В свою очередь, накопление возбужденного синглетного кислорода является одним из
элементов окислительного стресса (подробнее о нем см. в разд. 3.7.2).

Защита от окислительного стресса с помощью окрашенных каротиноидов прежде всего
связана с их расположением на очень близком расстоянии от молекул хлорофилла. Это по-
зволяет дезактивировать избыточные синглетные состояния фотосенсибилизатора посредст-
вом реакции внутрисистемной синглет-синглетной конверсии:

'хлорофилл* : 'каротиноид —> 'хлорофилл : 'каротиноид*. (25)
С помощью до конца не выясненного механизма, который основан на тепловом рассеи-
вании избыточной энергии fNiyogi, 2000), каротиноиды спонтанно дезактивируются и воз-
вращаются в основное синглетное состояние:

‘каротиноид* ‘каротиноид. (26)

Помимо этого каротиноиды, по-видимому, способны релаксировать возбужденные
триплетные состояния хлорофилла (Зхлорофилл*), а также возбужденные синглетные со-
стояния кислорода (*О2*). Это взаимодействие приводит к возбужденному триплетному со-
стоянию каротиноида (Зкаротиноид*), которое переходит в основное состояние с рассеива-
нием избыточной энергии в виде тепла.

У всех оксигенных фототрофов за исключением Cyanobacteria, Rhodophyceae и
Cryptophyceae имеется дополнительный каротиноидзависимый механизм рассеивания избы-
точной энергии возбуждения (Demming-Adams, 1990; Cunningham, Gantt, 1998). Он основы-
вается на двух светозависимых реакциях деэпоксидации, в результате которых виолаксан-
тин превращается в зеаксантин. После этого имеет место прямая дезактивация возбужден-
ного синглетного состояния хлорофилла с помощью зеаксантина. В то же время зеаксантин
может непосредственно не вовлекаться в процесс дезактивации, однако способствовать ему,
влияя на конформационное состояние LHCII (см. ниже).

Как уже указывалось, в результате поглощения кванта видимого света молекула хлоро-
филла переходит в короткоживущее возбужденное синглетное состояние (‘хлорофилл*).
Возвращение в основное состояние (‘хлорофилл* —> ‘хлорофилл) может произойти одним
из нескольких способов (Muller et al., 2001).

Первый способ — это выделение энергии возбуждения в виде кванта флуоресценции
(hvF).

Второй способ — это преобразование энергии возбуждения в свободную энергию низ-
копотенциального донора электронов, входящего в состав фотосинтетического реакционно-
го центра (фотохимическое тушение флуоресценции).

Третий способ — это безызлучательная конверсия возбужденного синглетного состоя-
ния в возбужденное триплетное состояние (‘хлорофилл* —> Зхлорофилл*). Так может дезак-
тивироваться энергия 5-25% поглощенных фотонов. В свою очередь, триплетный хлоро-
филл передает энергию возбуждения триплетному кислороду с образованием его активной
синглеТной формы (уравнение 24). Индуцированное светом, или фотодинамическое, обра-
зование синглетного кислорода — одна из причин окислительного стресса.

Четвертый способ — это нефотохимическое тушение флуоресценции (англ, поп-'
photochemical quenching, NPQ), или тепловое рассеивание избыточной энергии возбужден-
ного синглетного состояния хлорофилла.

Последний способ приобретает особое значение в тех случаях, когда поступающая све-
товая энергия не может быть целиком утилизирована путем создания PMF и восстанови-
тельной ассимиляции СО2 (Li et al., 2000). Помимо «долгосрочных» адаптационных меха-
низмов, которые связаны с изменением ориентации или молекулярной структуры антенного
комплекса, оксигенные фототрофы используют механизм NPQ для рассеивания уже погло-
щенной избыточной энергии. Таким путем удается сбалансировать процессы поглощения и
использования энергии и избежать фотоповреждения в условиях светового стресса.

Известно несколько вариантов механизма NPQ, причем самый быстрый из них основан
на увеличении ДрН в результате переноса электронов по фотосинтетической цепи с интен-
сивностью, которая превышает потребности в восстановителе для ассимиляции СО2. Закис-
ление люменального компартмента вызывает избыточное протонирование мембранных по-
липептидов и одновременно с этим активирует синтез одного из ксантофиллов — чаще все-
го зеаксантина. Протонирование полипептидов и связывание зеаксантина со специфически-
ми локусами внутри LHCII вызывает локальные изменения конформации тилакоидной мем-
браны и как следствие этого стимуляцию NPQ.

Ее конкретный механизм до сих пор неизвестен. По-видимому, в нем участвуют ми-
норные антенные белки PSII— СР26 и СР29 (см. разд. 3.3.1). Недавно установлено, что
важную роль в стимуляции NPQ играет одна из субъединиц PSII — PsbS (подробнее об этом
см. в разд. 3.5).

Что касается зеаксантина, то теоретически защитное действие этого ксантофилла может
быть опосредованным или прямым. Прежде всего он способен выступать в роли аллостери-
ческого регулятора LHCI, переключающего светособирающий комплекс с поглощения на
рассеивание энергии. Не исключено и прямое участие зеаксантина в дезактивации возбуж-
денных синглетных состояний молекул хлорофилла (’хлорофилл*). В любом случае ключе-
вое значение имеет специфическая ориентация зеаксантина по отношению к хлорофиллу
(Muller et al., 2001).

Реакции pH-зависимого превращения ксантофиллов образуют «виолаксантиновый»
цикл (англ, violaxanthin cycle). У Phaeophyceae, Chlorophyceae и высших растений он вклю-
чает деэпоксидацию трансмембранного ксантофилла — виолаксантина, имеющего две эпок-
сидные группы. Через промежуточный этап синтеза антераксантина (ксантофилла с одной
эпоксидной группой) происходит образование зеаксантина, который вообще не содержит
эпоксидных групп. Обратные реакции эпоксидации замыкают виолаксантиновый цикл
(рис. 15).

Рис. 15. Виолаксантиновый цикл.

VDE - виолаксантин-деэпоксидаза; ZE - зеаксантин-эпоксидаза.
У представителей Bacillariophyceae и других классов водорослей вместо виолаксанти-
нового цикла имеется «диадиноксантиновый» цикл (англ, diadinoxanthin cycle), в котором
моноэпоксидный ксантофилл— диадиноксантин превращается в анэпоксидный ксанто-
филл — датоксантин. В некоторых случаях реакции указанных циклов могут протекать од-
новременно. Наконец, у С. reinhardtii, Arabidopsis thaliana и паразитического вьюнка
Cuscuta reflexa функционирует, по-видимому, третий— «лютеиновый» цикл (англ, lutein
cycle), в котором происходит превращение лютеин-5,6-эпоксида в лютеин (Muller et al.,
2001).

В люмене хлоропласта содержится кодируемая ядром виолаксантин-деэпоксидаза
(англ, violaxanthin de-epoxidase, VDE; Мг 43 кДа; оптимум pH -5,2). При снижении pH до 6,5
фермент частично активируется в результате протонирования Glu-богатого домена, связы-
вается с мембраной тилакоида и катализирует деэпоксидацию виолаксантина. Для восста-
новления эпоксидной группы в качестве донора электронов используется аскорбат, который
окисляется до дегидроаскорбата, а затем снова восстанавливается в аскорбат с помощью
глутатиона и NADPH (Hager, Holocher, 1994). Обратное ферментативное превращение зеак-
сантина в виолаксантин через антераксантин происходит на слабом свету или в темноте.
Зеаксантин-эпоксидаза (англ, zeaxanthin epoxidase, ZE; pH-оптимум -7,5) представляет со-
бой конститутивно активный мультикомпонентный ферментный комплекс. Он расположен
на стромальной стороне тилакоида, использует FAD в качестве простетической группы и
восстановленный Fd как донор электронов в комбинированной моноксигеназной реакции
(Havaux, 1998).

VDE и ZE относятся к семейству липокалинов (англ, lipocalin; от греч. Алло^ — свиной
жир и лат. calix — горшок) — гетерогенной группы белков с бочковидной структурой. Они
содержат восемь интегральных доменов, принимающих /3-конфигурацию, и связывают мел-
кие липофильные молекулы.

Защитная роль каротиноидов при фотоповреждении этим не ограничивается. По совре-
менным представлениям, они действуют как фотопротекторы множественного действия.
При недостаточной эффективности других защитных механизмов каротиноиды сами стано-
вятся антиоксидантами — субстратами для окисления синглетным кислородом. Образую-
щиеся ксантофиллы подвергаются «темновому» ферментативному восстановлению (Havaux,
1998).

Зеаксантин уменьшает текучесть билипидного слоя, что препятствует поступлению ак-
тивных форм кислорода внутрь тилакоида (см. разд. 3.7.2).

Наконец, у цианобактерий часть каротиноидов входит в состав клеточной оболочки
(Hirschberg, Chamovitz, 1994), где они наряду с другими соединениями играют роль фильт-
ра, защищающего клетку от облучения ультрафиолетовым светом (см. разд. 3.5.2).

3.1.5. Биосинтез каротиноидов

Путь биосинтеза полиизопреноидов, по-видимому, имеет не менее древнее происхож-
дение, чем путь биосинтеза тетрапирролов. Полиизопреноиды и их производные универ-
сальны: они входят в состав мембранных структур представителей глобальных доменов
Bacteria, Archaea и Еисагуа.

Окрашенные полиизопреноиды — незаменимые компоненты фотосинтетического ап-
парата как «родопсинового», так и «хлорофиллового» типа (см. разд. 1.4). Исходным мета-
болическим предшественником полиизопреноидов служит ацетил-СоА. Под действием двух
синтетаз три молекулы ацетил-СоА последовательно конденсируются в ацетоацетил-СоА и
З-гидрокси-З-метил-глутарил-СоА, который может быть получен альтернативным путем из
лейцина или валина. При участии NADPH это Сб-соединение восстанавливается с образова-
нием специфического предшественника полиизопреноидов — 3,5-диоксо-3-метил-пента-
новой, или мевалоновой кислоты (англ, mevalonic acid). Она декарбоксилируется в АТР-
зависимой реакции с образованием стартового субстрата биосинтеза полиизопреноидов —
изопентенилпирофосфата (англ, isopentenyl pyrophosphate, IPP).

Магистральный путь образования каротиноидов изображен на рис. 16, а участвующие в
нем ферменты и кодирующие их гены приведены в табл. 5. Как и в случае тетрапирролов,
модельными объектами при изучении реакций биосинтеза полиизопреноидов служат пред-
ставители субфилы Alphaproteobacteria (см.: Hirschberg, Chamovitz, 1994). Результаты гене-
тических исследований, проведенных на цианобактериях, Chlorophyceae и высших растени-
ях, показали, что основные ферменты пути биосинтеза каротиноидов универсальны для жи-
вых организмов. Некоторые гены, кодирующие реакции образования интермедиатов и про-
дуктов пути биосинтеза каротиноидов, входят в состав геномов бактерий или пластидных
геномов, другие — принадлежат к числу ядерных генов.

Таблица 5. Ферменты и гены биосинтеза каротиноидов

Обозначение фермента ( = синоним) Ген
1РР-изомераза* -
DMA-трансфераза -
Изопренилтрансфераза I (синтаза I) = GGPP-синтаза спЕ
Изопренилтрансфераза III (синтаза И) - фитоинсинтаза crtB
Фитоиндесатураза (десатураза I) crtP/crtl
6 каротин-десату раза (десатураза II) crtQ
jd-ликопин-циклаза = /3-циклаза crtlJcrtY
£-ликопин-циклаза = £-циклаза -
/?-каротин-гидроксилаза = гидроксилаза crtZ
£-каротин-гидроксилаза = гидроксилаза -
/?-С-4-оксигеназа crtWIctrO
Зеаксантингликозилаза crtX
Зеаксантин-эпоксидаза = /3-циклогексинил-ксантофилл-эпоксидаза -

* IPP - изопентенилпирофосфат; DMA - диметилаллилпирофосфат; GGPP - геранилгеранил-
пирофосфат.

- Не выявлен.

Первым шагом на пути конденсации С5-единиц является изомеризация IPP в димети-
лаллилпирофосфат (англ, dimethylallyl pyrophosphate, DMAPP), который служит затравкой
для наращивания полиизопреноидной цепи. DMAPP конденсируется с молекулой IPP со
сдвигом двойной связи, что приводит к образованию монотерпена — геранилпирофосфата
(англ, geranyl pyrophosphate, GPP). Реакция катализируется диметилаллилтрансферазой
(DMA-трансферазой).
СН2О-( РР

IPP

IPP-изомераза

СН2О-(РР,

DMAPP

IPP

DMA-трансфераэа

GPP

IPP

чсинтаза I

СН2О-ё»

FPP

IPP

синтаза I

СН2О РР(

GGPP

Н СН;

РРРР

С40> Сд5> С50

-каротиноиды

десатураза I
фитофлуин

десатураза I

десатураза II

^-каротин

нейроспорин

^-циклаза

ликопин

/3-циклаза

^каротин

лютеин

зеаксантин

Рис. 16. Путь биосинтеза каротиноидов.

IPP - изопентенилпирофосфат; DMA - диметилаллил; DMAPP - диметилаллилпирофосфат;
GPP - геранилпирофосфат; FPP - фарнезилпирофосфат; GGPP - геранилгеранилпирофосфат;
РРРР - префитоинпирофосфат.
Дальнейшие этапы заключаются в наращивании Сю-цепи GPP с помощью элонгирую-
щих ферментов — изопренилтрансфераз, или «синтаз». При этом могут образовываться как
cis-, так и trans-изомеры каротиноидов. В настоящее время охарактеризовано до 16 типов
изопренилтрансфераз, относящихся к четырем основным группам. В соответствии с типом
фермента реакция приводит к образованию полиизопренойдной цепи с различной стереохи-
мией и длиной — от С10 (гераниол) до €„>5000 (натуральный каучук). Изопренилтрансферазы
I синтезируют trans-полиизопреноиды с относительно короткой цепью, трансферазы II —
trans-цепи средней длины (до С35), тогда как изопренилтрансферазы III дают длинноцепо-
чечные trans-продукты. Изопренилтрансферазы IV типа образуют мульти-с18-стереоизомеры
длинноцепочечных каротиноидов. Функционирование элонгирующих ферментов всех трех
типов требует присутствия катионов Mg2+ и Mn2+ (Cunningham, Gantt, 1998; Ogura, Koyama,
1998).

Изопренилтрансфераза I (синтаза I) отвечает за удлинение цепи в последовательности
Сю —» С15 —> С20, от GPP через фарнезилпирофосфат (англ, farnesyl pyrophosphate, FPP) до
GGPP. Присоединение изопентильной группы к полиизопреноидной цепи происходит спо-
собом «голова к хвосту».

Образование С40-каротиноидов осуществляется не путем наращивания С2о-цепи, а в ре-
зультате соединения двух С2о-структур способом «хвост к хвосту» (рис. 16). При помощи
изопренилтрансферазы III (фитоинсинтазы, или синтазы II) из двух молекул GGPP образу-
ется бесцветный С40-каротиноид— 15,15'-с15-фитоин. Промежуточным продуктом реакции
является префитоинпирофосфат (англ, prephytoene pyrophosphate, PPPP).

Последующие четыре реакции дегидрирования фитоина приводят к образованию розо-
вого ликопина. Реакции катализируются десатуразами I и II, которые у растений относятся к
мембраносвязанным ферментам (Cunningham, Gantt, 1998; Garcia-Asua et al., 1998).

Ациклическая полиизопреноидная структура с помощью ликопинциклазы, или просто
«циклазы», замыкается по концам в иононовые кольца. Существуют два типа ликопинцик-
лаз, образующих соответственно fl- и Е-иононовые кольца. Продуктом первой /3-циклазной
реакции является у-каротин, затем из него в результате fl- или е-циклизации образуется fl-
каротин или cz-каротин.

Биосинтез а-каротина может идти альтернативным способом через 5-каротин, т.е. сна-
чала образуется Е-иононовое, а затем /3-иононовое кольцо.

Ксантофиллы синтезируются путем введения в каротины разнообразных кислородсо-
держащих групп. Так, гидроксилирование С-3 и С-3' в обоих иононовых кольцах а-каротина
или /3-каротина приводит к образованию /3-криптоксантина, зеаксантина и лютеина. Эти
реакции катализируют гидроксилазы, для действия которых необходимо присутствие ки-
слорода и ионов Fe2+.

Образование кето-каротиноидов происходит при участии /З-С-4-оксигеназ, которые так
же, как и гидроксилазы, требуют наличия кислорода и ионов Fe2+.

Гликозидные производные каротинов синтезируются с помощью соответствующих гли-
козилаз. Например, зеаксантингликозилаза способна трансформировать зеаксантин в моно-
и дигликозиды (Armstrong, 1997).
3.2. СВЕТОСОБИРАЮЩИЕ АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ

3.2.1. Антенны с интегральными апопротеинами

Интегральные антенны Cyanobacteria и пластид мультивариантны, что наблюдается
как у разных организмов, так и у одного организма, в том числе при адаптивной экспрессии
(Pinevich et al., 1997). При этом, по данным молекулярного секвенирования, большинство
апопротеинов интегральных антенн имеют консервативные последовательности. Они унас-
ледованы от одного из двух прототипов: гидрофобного полипептида, связывающего хлоро-
филл^!), и гидрофильного полипептида, связывающего фикобилин(ы) (Larkum, Howe,
1997).

Необходимо отдельно рассмотреть два примера апопротеинов интегральных антенн.

Хлорофилл а(Ь)-апопротеины. Они занимают обособленное положение, поскольку
образуют кор-антенны RCI и RCII. Именно в этом заключается их принципиальное отличие
от апопротеинов групп 1-5 (см. ниже), входящих в состав светособирающего комплекса. К
числу хлорофилл а(Ь)-апопротеинов относятся хлорофилл а-белки PSI — PsaA/PsaB (сокр.
англ, photosystem а), а также хлорофилл п-белки PSII — СР43/СР47 (сокр. англ, chlorophyll-
protein). Теоретически можно допустить, что существуют еще не выявленные (критиче-
ские) организмы, у которых не только кор-антенны, но и внутренние антенны, а также све-
тособирающие комплексы простроены на основе апопротеинов, содержащих сайты связы-
вания только одного хлорофилла — хлорофилла а. Разумеется, по первичной структуре они
должны отличаться от хлорофилл а-белков группы 5 (см. ниже). Наконец, не исключено,
что существуют криптические организмы со светособирающими антеннами, в состав кото-
рых не входит хлорофилл а и которые содержат только хлорофилл b (не считая каротинои-
дов).

Протохлорофиллид а/Л-апопротеины (англ, light-harvesting protochlorophyllide
protein, LHPP). Эти адаптивные белки тоже занимают обособленное положение, поскольку
их существование строго не доказано. По некоторым данным, они синтезируются в этио-
пластах (Armstrong et al., 2000).

Остальные апопротеины интегральных антенн можно разбить на пять групп (табл. 6):

1. Хлорофилл а/^-апопротеины прохлорофитов (англ, prochiorophyte chlorophyll b,
Pcb). Эти полипептиды (Mr 32-38 кДа) кодируются генами pcb. Установлено, что они гомо-
логичны индуцибельному белку СР431, обнаруженному7 у цианобактерий. Второе обозначе-
ние этого белка — IsiА (сокр. англ, iron stress-induced). Как следует из названия, он экспрес-
сируется в условиях голодания по железу. Молекулярным гомологом Pcb служит и вышу-
помянутый кор-белок PSII — СР43 (La Roche et al., 1996; van der Staay et al., 1998).

Молекулярные свойства хлорофилл a/d-апопротеинов, имеющихся у прохлорофита А.
marina (англ. Acaryochloris marina chlorophyll а/d protein, Acd), еще не охарактеризованы, и
эти белки лишь условно могут быть помещены в одну общую группу с РсЬ-белками.

2. Хлорофилл а/6-апопротеииы хлоробионтов (англ, chlorophyll a/b, САВ). У выс-
ших растений «САВ»-семейство кодируется ядерными генами и объединяет взаимно гомо-
логичные полипептиды Lhcal-4 и Lhcbl-6 (Мг 22-29 кДа).В соответствии с данными рент-
геновой кристаллографии с уровнем разрешения ЗА, мономеры белков Lhcbl и Lhcb2 име-
ют по три интегральных а-спиральных домена. Домены I и III, аминокислотные последова-
тельности которых взаимно гомологичны, расположены под углом ~60° к плоскости мем-
браны (см. рис. 17). Каждый мономер связывает в сумме до 12 молекул хлорофиллов аиЬ,
две молекулы лютеина и по одной молекуле лсйколипидов — фосфатидилглицерина и ди-
галактозилдиацилглицсрина.

Таблица 6. Апопротеины антенных систем оксифотобионтов

Индекс и номер группы* Таксон Хромофор Мол. масса. кДа Ген Гомолог*
Интегральные антенны
Pcb (1) Prochlorothrix hollandica chi alb** 32-38 pcbA-G CP43. IsiA
Pcb (1) Prochlorococcus sp. chi a-Jbi 32-38 pcb IsiA
Pcb (1) P. marinus chi adbdc 32-38 pcb IsiA
Pcb (1) Prochloron didemni chi a/b/c 30-34 pcb IsiA
Acd (1) Асаryochloris m a rina chi aid — - —
CAB (2) Хлоробионты chi alb 22-29 Ihcal^k lhcbl-6 BLIP
САВС (3) Prasinophyceae, chi a/b/c - - CAB
САС (4) Хромобионты-СЛгошДтп chi a/c. fuc 15-24 Lhca
ram ХрОМООИОШ'ЬЬЛШЖ! Chi ale, per 10-24 - CAC
СА (5) Eus li gmatophyceae, Chrysophyceae* * *, Rhodophyceae*** chi a — — CAC
Эпимембранные антенны
FCP (6) Хромобиопты- Chromista*** chi a/c. fuc 15-24 fcp Uhca
уРСР (7) Хромобионты- Dinozoa*** chi a/c. per 15-35 - -
ПуОоРВР (8) Cyanobacteria (кроме прохлорофитов) PEB.PCB, PUB, PBV 20-22**** cpeA,B; pecA,B; cpcA, B; ape A, В
rz/wPBP (8).. P. marinus PEB 31 ppeC apr>C-PE
ароРЁР (8) A. marina PCB 15-18 - ri/wR-PE. apoR-PC
ароРВР (8) Rhodophyceae PEB.PCB, PUB, PBV 20-22 cpeA,B; pec A,В; cpcA, B; ape A, В лроС-РЕ
rzpoPBP (8) Cryptophyceae PCB,PEB; DVB,MB V; билин-584, билин-618 20-22 cpe.B

* Объяснение в тексте.

** Здесь и ниже не указаны а- и Д-каротин, а также каротиноиды ксантофиллового цикла.

*** Некоторые представители.

**** Здесь и ниже не указаны «анкерные» полипептиды.

— Данные отсутствуют.
Порфириновые кольца молекул хлорофиллов ориентированы почти перпендикулярно к
плоскости мембраны, причем половина размещается ближе к стромальной, а другая — бли-
же к люменальной поверхности (Kuhlbrandt, 1994).

Хлорофилл a/h-белки Chlorophyceae высоко гомологичны САВ-белкам, однако у них
сильнее варьируют молекулярная масса, число хромофорных групп и набор связываемых
каротиноидов.

Сравнительно недавно в пластидах красной водоросли Porphyridium cruentum найден
ассоциированный с PSI антенный комплекс LHCI, который содержит хлорофилл а и каро-
тиноиды. Он реагирует с антителами к LHCI ячменя, а также к фукоксантин-хлорофилл а/с-
LHC бурой водоросли Phaeodacticiim triticorum (Wolfe et al.. 1994). Подобно САВ-белкам
апопротеины этого комплекса проявляют низкую гомологию с хлорофилл а/Ъ-
апопротеинами прохлорофитов и, по-видимому, имеют общего предка с представителями
группы адаптивно синтезируемых низкомолекулярных НЫР-белков (сокр. англ, high light-
inducible proteins; Mr 7.7 кДа). которые экспрессируются у цианобактерий при ярком осве-
щении (Miroshnichenko et al., 1995).

Помимо этого к САВ-семейству относятся хлорофилл я/Л-белки, непосредственно не
входящие в состав светособирающей антенны. Так, в пропластидах ячменя адаптивно син-
тезируются белки ELIP (сокр. англ, early light-inducible proteins). Они имеют М, 13-14 или
18-19 кДа и связывают хлорофиллы а и Ь, а также каротиноиды. Возможно, что эти белки
используются как переносчики молекул хлорофилла или каким-то иным образом участвуют
в биогенезе фотосинтетического аппарата (Paulsen, 1995). Они гомологичны САВ-белкам и
сходны с ними как по третичной структуре, так и по характеру расположения в мембране
тилакоида (Green, Durnford, 1996);

3. Хлорофилл а/Ь/с-аиопротсины (англ, chlorophyll a/b/c, САВС). Имеются у водо-
рослей из класса Prasinophyceae', результаты молекулярного секвенирования свидетельст-
вуют об эволюционной связи между этими белками и представителями САВ-семейства
(Wilhelm, 1990; Schmitt et al., 1994). '

4. Хлорофилл д/с-апонрогеипы (англ, chlorophyll а/с, САС). Характерны для хромоби-
онтов Chromista и входят в семейство взаимно гомологичных полипептидов (Мг 5-24 кДа),
перекрестно реагирующих с антителами против САВ-белков (Grossman et al., 1995; Larkum,
Howe, 1997).

Результаты молекулярного секвенирования подтверждают родство между САС- и
САВ-белками (Paulsen, 1995). Гены /ср, кодирующие С АС-белки, гомологичны //ггд-генам,
которые кодируют апопротеины внутренней антенны PSI высших растений (Green,
Durnford, 1996).

Группа перидинин-хлорофилл д/с-апопротсинов (англ, peridinin chlorophyll protein,
РСР), характерных для хромобионтов Dinozoa, эволюционно не однородна (Grossman et al.,
1995). В ее составе имеются апопротеины двух различных типов— интегральные (англ.
inner peridinin chlorophyll protein, /РСР) и эпимембранные (англ, surface peridinin
chlorophyll protein, sPCP).

Интегральные /РСР (Mr 19-24 кДа) гомологичны членам САВ- и САС-семейств. Что
касается sPCP (см. ниже), то у них нет гомологов среди известных в настоящее время ан-
тенных апопротеинов (Green, Durnford, 1996).

5. Хлорофилл д-апопротеины (англ, chlorophyll а, СА). Типичны для водорослей из
класса Eustigmatophyceae, а также имеются у некоторых Chrysophyceae и Rhodophyceae
(Wilhelm, 1990). В результате молекулярного секвенирования этих полипептидов установ-
лено, что они гомологичны САС-белкам (Grevby, Sundqvist, 1992).
С целью устранения синонимики и номенклатурных разночтений разработана рацио-
нальная классификация интегральных апопротеинов (Jansson et al., 1999). Для САВ-белков
высших растений сохранены традиционные названия Lhcal-4 и Lhcbl-б. Для САВ-белков
Chlorophyceae новым обозначением стало Lhcg («g» — сокр. англ, green algae).

Апопротеины хромобионтов разбиты на три группы в соответствии с типом связывае-
мого каротиноида (аллоксантин в случае Cryptophyceae, перидинин — Dinozoa, фукоксан-
тин — Chromista). Соответствующие апопротеины обозначаются в алфавитном порядке как
Lhcc, Lhcd и Lhcf.

В свою очередь, для интегральных САВ-подобных апопротеинов водорослей из класса
Rhodophyceae предложено ообозначение Lhcr («г» — сокр. англ, red algae).

Не считая случая, связанного с хлоробионтами, вышеуказанные индексы присвоены
апопротеинам, которые на основе взаимной гомологии объединяются в кластеры и принад-
лежат организмам, входящим в самостоятельные филогенетические таксоны. Указанная
классификация не распространяется на интегральные апопротеины прохлорофитов, а также
на адаптивно синтезируемые HLIP- и ЕЫР-белки.

В настоящее время на основе обширного аналитического материала можно в общих
чертах реконструировать эволюцию хлорофилл a/b-апопротеинов САВ-типа (рис. 17).

Внутримолекулярная гомология доменов I и III объясняется дупликацией гена-
предшественника, который кодировал полипептид с двумя трансмембранными доменами.
Последующая редукция домена IV привела к образованию 3-доменного белка (Kiihlbrandt,
1994). ’

Особый интерес представляет полипептид СР22 (продукт гена psbS), входящий в со-
став PSII высших растений. Он имеет четыре трансмембранных домена, из которых домены
II и IV обнаруживают взаимную гомологию (Paulsen, 1995).

В свою очередь, единственная трансмембранная спираль HLIP-белка гомологична до-
менам I и III. Предполагается, что этот полипептид произошел от родоначальника суперсе-
мейства хлорофиллсвязывающих белков эукариотных оксифотобионтов (Partensky et al.,
1999).

Таким образом, наиболее близким к реальности сценарием эволюции САВ-белков
можно считать их дивергентное происхождение от полипептида, имевшего два трансмем-
бранных домена. Скорее всего, в результате дупликации гена-предшественника возник 4-
доменный полипептид СР22-типа. Последующая делеция домена IV инициировала образо-
вание группы хлорофиллсвязывающих белков, в том числе полипептидов САВ/САС и ELIP.
Делеция одного из доменов полипептида-предшественника, по-видимому, стала причиной
появления HLIP-подобного белка (Paulsen, 1995).

Отсутствие гомологии между САВ- и Pcb-белками при явном сходстве последних с
кор-белками PS1I свидетельствует о том, что эти семейства апопротеинов имели независи-
мое эволюционное происхождение. Незначительные изменения первичной структуры при-
дали им способность связывать новые хромофорные группы. Подтверждением этом}7 может
служить пестрый состав хромофоров у прохлорофитов и других представителей филы
Cyanobacteria, которые отличаются от цианобактерий sensu stricto набором вспомогатель-
ных пигментов (La Roche et al., 1996).

Подчеркиваем, что первичная структура PcbC-белков Prochloroihrix hollandica ближе к
СР43, в то время как PcbА и РсЬВ обнаруживают преимущественную гомологию с СР431
(IsiА). Это может свидетельствовать о более раннем происхождении гена рсЬС от гена-
предшественника (з ап der Staay et al.. 1998).
a

строма

люмен

Рис. 17. Схема эволюции хлорофилл я/6-апопротеинов САВ-типа.

Объяснение в тексте. [-IV - интегральные домены полипептидной цепи, а - продукт гипотетического гена-
предшественника; б - HLIP-белок; в - продукт дуплицированного гипотетического гена-предшественника и бе-
лок СР-22; г - САВ-белки, САС-белки и ELlP-белок.
3.2.2. Антенны с эпимембранными апопротеинами

Эпимембранные антенные системы Cyanobacteria и пластид так же, как и интеграль-
ные антенны, поливариантны (Pinevich et al., 1997). Их апопротеины имеют протяженные
гидрофильные участки. Сравнительный анализ первичной структуры свидетельствует о
том, что они принадлежат к гетерологичным типам (Larkum, Howe, 1997):

- белкам САВ-семейства;

- глобиноподобным белкам;

- белкам с уникальными последовательностями.

Апопротеины эпимембранных антенн относятся к группам 6-8 (см. табл. 6), которые
можно выделить в дополнение к уже охарактеризованным группам интегральных апопро-
теинов (1-5).

6. Фукоксантин-chl а/с-апопротеины (англ, fucoxanthin chlorophyll protein, FCP).
Распространены у морских хромобионтов, принадлежащих к классам Phaeophyceae и
Bacillariophyceae. Умеренно гидрофильные белки этой группы имеют М, 15-24 кДа и объе-
диняются в надмолекулярный агрегат, который расположен на стромальной поверхности
тилакоида и по аналогии с фикобилисомой назван «ксантосомой». Эпимембранная антенна,
состоящая из FCP, имеет диаметр ~10 нм и Мг ~0,7 мгДа. В ее состав входит около 160 мо-
лекул хлорофиллов а и с, а также 70 молекул фукоксантина (Katoh et al., 1993). Установле-
но, что гены fcp, кодирующие FCP-белки, гомологичны Z/zca-генам (Paulsen, 1995; Green,
Durnford, 1996).

7. Эпимембранные перидинин-chl а/с-апопротеины ($РСР). Эти белки (Мг
15-35 кДа) характерны для Dinozoa. На их основе образуются эпимембранные структуры,
для обозначения которых также используется термин «ксантосома». Однако это едва ли
оправданно, поскольку sPCP-белки не гомологичны FCP-белкам.

8. Апопротеины фикобилипротеинов (англ, phycobiliprotein apoprotein, ароРВР).
Представители этой группы входят в семейство гидрофильных антенных апопротеинов
Cyanobacteria, цианелл Glaucocystophyceae, родопластов — пластид Rhodophyceae, а также
хромопластов - пластид Cryptophyceae.

Монодисперсный раствор РВР состоит из аД-гетеродимеров (М, 15-20 и 17-22 кДа). К
числу главных РВР относятся РЕ, PC, аллофикоцианин (англ, allophycocyanin, АРС) и фико-
эритрбцианин (англ, phycoerythrocyanin, РЕС), которые отличаются друг от друга типом,
количеством и локализацией ковалентно связанных билинов (см. рис. 9).

Тетрапиррольные хромофоры (в основном РСВ, РЕВ и PUB) приобретают линейнутб
конформацию в результате образования тиоэфирных связей с глобиноподобными апопро-
теинами. Это взаимодействие существенно увеличивает удельное светопоглощение хромо-
форов в области 480-630 нм (Simpson, Knoetzel, 1996).

РВР образуют модульные агрегаты — тримеры и гексамеры, которые, в свою очередь,
объединены в фикобилисомы (англ, phycobilisome, PBS). Последние располагаются на ци-
топлазматической поверхности тилакоидов цианобактерий и Rhodophyceae или — у не
имеющей тилакоидов цианобактерии G. violaceus — на внутренней поверхности СМ (см.
разд. 3.3.2).

Уникальная особенность криптомонад состоит в том, что РВР у них локализованы в
люменальном компартменте и не образуют морфологически выраженнных агрегатов (в от-
личие от PBS, имеющихся у цианобактерий и Rhodophyceae). Такой тип эпимембранной
антенны можно обозначить как «квази»-РВ8 (англ, quasi-phycobilisome). При разрушении
клеток экзоплазматические ^РВР (сокр. англ exoplasmic) дезагрегируются, переходя в рас-
твор (Wedemayer et al.. 1996).

В клетках прохлорофитов Р. marinus и A. marina (см. разд. 5.1.2) надмолекулярные аг-
регаты РВР располагаются на цитоплазматической поверхности тилакоида так же, как на-
стоящие PBS. Однако из-за более простой архитектуры и меньшего размера эти антенны
можно обозначить как «мини»-РВ5 (англ, mini-phycobilisomes).

Представители семейства РВР характеризуются высокой взаимной гомологией. Сте-
пень сходства между а- и /(-субъединицами РВР у одного и того же объекта меньше, чем
между одноименными субъединицами разных объектов (Apt et al., 1995).

В настоящее время ссквенировано свыше 100 индивидуальных субъединиц РВР и для
многих из них определена 3-мерная пространственная структура. В результате «выравнива-
ния» (англ, alignment — равнение в военном строю) аминокислотных последовательностей
окончательно доказано, что между а- и /(-субъединицами существует универсальное сход-
ство и. таким образом, они произошли от одного и того же полипептида-родоначальника.

В составе полипептидной цепи РВР имеются консервативные сайты, которые обеспе-
чивают:

- ковалентное связывание билиновых хромофоров:

- стабилизацию «растянутой» конформации хромофоров:

- образование гетеродимеров;

- поддержание четвертичной структуры комплекса.

Так, например, для а- и /(-субъединиц наиболее консервативными являются остатки
Cys-88 (в случае субъединицы АрсЕ их роль берет на себя остаток Cys-128). В составе глав-
ных субъединиц всегда присутствуют консервативные остатки Arg-90 и Asp-91 и именно
они придают билиновым хромофорам принудительную линейную конформацию. За под-
держание 3-мерной структуры индивидуальных субъединиц ответственны консервативные
остатки Gly-1 16, Gly-118, Pro-130 и Asp-194. Наконец, спаривание субъединиц в гетероди-
мср осуществляют разноименно заряженные консервативные остатки Asp-14 и Arg-97.
Взаимодействие субъединицы АрсЕ с «/(-гетеродимером вместо Asp-14 обеспечивает
имеющийся в се полипептидной цепи остаток Glu-14.

При наличии высокой взаимной гомологии между а- и /•’-субъединицами они содержат
уникальные сайты. Последние обеспечивают специфическую связь апопротеинов с хромо-
форами, стабилизацию гетеродимеров и ассоциацию гетеродимеров с линкерными поли-
пептидами (см. разд. 3.3.2). В случае а-субъединицы сайтами связывания хромофоров слу-
жат Рго-110 и Arg-18, в случае /3-субъсдиницы — Arg-80, Arg-81 и А1а-85. Консервативные
замены аминокислотных остатков характерны для конкретных подтипов а- и /9-субъединиц.

На дендрограмме, отражающей молекулярную гомологию РВР (Apt et al., 1995), а- и /(-
субъединицы располагаются порознь и образуют две самостоятельные ветви. Внутри этих
ветвей а- и /(-субъединицы кора PBS обособлены от а- и /(-субъединиц периферических
стержней (см. разд. 3.3.2). Субъединицы пигментных компонентов периферических стерж-
ней — РЕ и PC располагаются в отдельных участках дендрограммы. В свою очередь, субъе-
диницы PC дивергировали с одноименными субъединицами РЕС. Наконец, апопротеины
дистальной части кора (а- и /(-субъединицы АРС) обнаруживают четко выраженную дивер-
генцию с апопротеинами его проксимальной части (а- и //-субъединицами АРС-В). Особое
положение на дендрограмме занимает высокомолекулярная субъединица АрсЕ, однако ее
«фикобилипротеиновый» домен группируется вместе с tz-субъединицами кора. Структура
филогенетического древа РВР говорит о том, что все апопротеины, в том числе и фикоби-
липротеиновый домен высокомолекулярной субъединицы АрсЕ, произошли от общего про-
тотипа. Скорее всего им был глобиноподобный белок с одним хромофором, однако по пер-
вичной структуре он отличался от собственно глобинов. «Стандартный» а/3-гетеродимер
сформировался, по-видимому, через гипотетическую стадию гомодимера, в образовании
которого участвовал независимо возникший линкерный полипетид.

Разнообразие РВР интерпретируется как результат последовательных генных дуплика-
ций (рис. 18). Первая из них привела к возникновению а/3-гетеродимера. В результате вто-
рой генной дупликации появились два подтипа а- и ^-субъединиц, входящих в состав двух
частей PBS — соответственно кора и периферических стержней. Последующие дупликации
послужили основой для образования PC (гены срсА и срсВ\ РЕ (гены среА и среВ) и РЕС
(гены ресА и ресВ}.

[Pbp]
прототип

[рЬрД^У[рЬрВ]

линкер
"кор-мембрана”

Рис. 18. Схема эволюции генов, кодирующих апопротеины фикобилипротеинов.

Объяснение в тексте. В квадратные скобки заключены обозначения гипотетических генов-пред-
шественников. Сплошные стрелки - наиболее вероягный путь эволюции; пунктирные стрелки - невыясненный
путь эволюции; темные блоки - гены окрашенных полипептидов; светлые блоки - гены бесцветных полипеп-
тидов.

Независимо возникшие линкерные полипептиды обеспечили сборку модульных эле-
ментов высшего порядка — тримеров и гексамеров, которые осуществляют канализирован-
ный перенос энергии к реакционным центрам (Apt et al., 1995). По-видимому, в результате
объединения гена, кодирующего а-субъединицу АРС, с геном петлевого домена, а также с
генами линкерных и плечевых доменов (см. разд. 3.3.2) сложным путем возник ген субъе-
диницы АрсЕ.

Среди всех известных РВР особое место занимают у-субъединицы Rhodophyceae (Apt et
al., 2001). Результаты молекулярного секвенирования свидетельствуют об отсутствии гомо-
логии этого полипептида с другими компонентами PBS, в частности с линкерными поли-
пептидами цианобактерий. Предполагается, что у-субъединицы очень сильно дивергирова-
ли от цианобактериальных линкеров или произошли независимо от них. В составе полипеп-
тидной цепи у-субъединиц имеются два взаимно гомологичных домена, которые скорее
всего возникли в результате генной дупликации (Apt et al., 2001).

3.3. ОСНОВНОЙ СВЕТОСОБИРАЮЩИЙ КОМПЛЕКС

Наиболее подробные сведения о структуре и закономерностях функционирования ос-
новного светособирающего комплекса получены на примере LHCII хлоропластов высших
растений и Chlorophyceae (Jansson, 1994), а также PBS цианобактерий (Grossman et al.,
1993).

В первом случае хлорофилл а/Л-содсржащий LHC интегрирован в гидрофобную серд-
цевину тилакоида. За редким исключением (см. разд. 5.1.2), он морфологически не выра-
жен, причем не только на ультратонких срезах, но и на криосколах тилакоидных мембран.

Во втором случае РВР-содержащий комплекс, или фикобилисома, представляет собой
гидрофильную структуру, которая на электронных микрофотографиях имеет вид частицы,
расположенной на цитоплазматической поверхности тилакоида. При соблюдении опреде-
ленных предосторожностей, в частности, при использовании растворов с высокой ионной
силой интактная структура PBS сохраняется в бесклеточных препаратах даже после много-
стадийной очистки.

Морфологическая и биохимическая организация «промежуточного» варианта основно-
го светособирающего комплекса — умеренно гидрофильного хлорофилл я/с-содержащсго
LHC. который назван ксантосомой, еще мало охарактеризована (Katoh et al., 1993).

3.3.1. Хлорофилл a/Z>-LIIC

Внутренние и периферические антенны фотосистем высших растений и Chlorophyceae
состоят из САВ-белков. Согласно модели, предложенной на основе данных рентге-
ноструктурного анализа (рис. 19), внутренняя хлорофилл п/й-антенна PSI построена из мо-
номерных САВ-белков Lhcal-4 (Мг 22-26 кДа), которые закодированы в клеточном ядре.
Каждый из них представлен двумя копиями (Golbeck, 1992; Jansson, 1994; Chitnis, 1996).

Антенна PSI содержит 100 молекул хлорофиллов а и Ь, 24 молекулы лютеина и девять
молекул виолаксантина. В ее составе не обнаружен /3-каротин, хотя не исключено, что он
связан с этой фотосистемой лабильно (Baroli, Niyogi, 2000).

Внутреннюю антенну PSII образуют мономеры Lhcb3, а также Lhcb4-6 (рис. 19). По-
следние часто обозначают как СР29, СР26 и СР24 (от сокр. англ, chlorophyll-protein). Каж-
дый из них связывает девять молекул хлорофилла а, 4-5 молекул хлорофилла Ь, одну моле-
кулу неоксантина, 1-2 молекулы виолаксантина и две молекулы лютеина.

Установлено, что субъединицы Lhcb3-6 входят в состав голокомплекса PSII в одной
копии, однако их локализация точно не определена. Вероятно, они регулируют миграцию
энергии от периферической антенны по направлению к ядру PSII. Во внутренней антенне
PSII протекают реакции ксантофиллового цикла (Barber, Kuhlbrandt, 1999). Ассоциацию
Lhcb3 с внутренней антенной PSII нельзя считать окончательно доказанной. Не исключено,
что в действительности эта субъединица образует гетеротримеры с Lhcbl/Lhcb2, локализо-
ванными в периферической антенне PSII (Jansson, 1994).
Периферические антенны хлоропластов сформированы из САВ-белков Lhcbl/Lhcb2
(рис. 19), которые объединены в гомо- и гетеротримеры всех четырех типов— (Lhcbl )3,
(Lhcbl )2Lhcb2, Lhcbl(Lhcb2)2 и (Lhcb2)3. Показано, что количество тримеров, находящихся
в ассоциации с PSI или PSII, может варьировать (Thornber et al., 1993; Jansson, 1994; Barber,
Kiihlbrandt, 1999).

Рис. 19. Схема внутренней антенны и светособирающего комплекса
хлоробионтов - горизонтальная проекция.

Светлые пронумерованные блоки (1-4, 3-6) - мономеры внутренней антенны, темные непронумерован-
ные блоки - тримеры светособирающего комплекса.

При ассоциации Ы1сЬ1/Ы1сЬ2-тримеров с PSII они выполняют функцию перифериче-
ской антенны этой фотосистемы и одновременно с этим — функцию основного светособи-
рающего комплекса (LHCII). Меньший размер кор-антенны PSII по сравнению с размером
кор-антенны PSI (~50 молекул хлорофилла а против —100) компенсируется тем, что основ-
ной сЬетособирающий комплекс преимущественно ассоциирован с PSII.

В условиях, когда интенсивность света не достигает порога насыщения, LHC1I обеспе-
чивает смену адаптивных состояний 1*->2. Благодаря этому осуществляется «кратковремен-
ная» (англ, short-term) регуляция баланса энергии между PS1 и PSII (Allen, 1992).

Механизм этого адаптационного процесса в общих чертах заключается в следующем.
Если PSII избыточно возбуждается по сравнению с PSI, то фотосинтетический аппарат пе-
реходит в «состояние 2» (Jansson, 1994). При этом акцепторный участкок PSI1 все время
восстановлен (QH2) и, соотответственно, цитохром b/f-комплекс переходит в восстановлен-
ную форму. В свою очередь, восстановленное редокс-состояние цитохром ^//-комплекса
выступает в роли регуляторного фактора, активирующего протеинкиназу, и она фосфори-
лирует Lhcbl и Lhcb2 по остаткам Thr-З. Из-за увеличения поверхностного отрицательного
заряда тримеров Lhcbl/ЫтсЬ2 они под действием кулоновых сил взаимного отталкивания
перемещаются от PSII к PSI, и соответственно из гранальных участков хлоропласта — в
стромальные. При избыточном возбуждении PSI по сравнению с PSII фотосинтетический
аппарат переходит в адаптивное «состояние 1». В этом случае конститутивная протеинфос-
фатаза удаляет фосфатные группы у части тримсров Lhcl/Lhc2, что уменьшает величину их
заряда, связь с PSI ослабляется и они вновь перемещаются к PSII.

3.3.2. Фикобилисома

Основным светособирающим комплексом цианобактерий, Rhodophyceae и Cdauco-
cystophyceae является PBS.

«Стандартная» PBS представляет собой гемидискоид или гемиэллипсоид (12х32-24Х
70 нм, Мг 7-10 мгДа). Многочисленные PBS обращены друг к другу своей главной проек-
цией и образуют параллельные ряды на цитоплазматической поверхности тилакоида (Бека-
сова, 1993; Grossman ct al., 1993; Sidler, 1994).

PBS последовательно построены из модульных элементов первого, второго и третьего
порядка (MacColl, 1998) — соответственно тримеров (а/0з? гексамеров 2(«/?)3 и цилиндров
[(«/Т)з]4 или стержней [2(а/7)3]2-б- У некоторых штаммов цианобактерий и Rhodophyceae гек-
самеры РЕ, состоящие из белковых субъединиц а и fl, связывают дополнительную у-
субъсдиницу (Grossman ct al., 1993).

У Cryptophyceae (Glazer, Wedemaycr, 1995), а также тех представителей прохлорофи-
тов, которые содержат небольшое количество РВР (Hess el al., 1999; Hu et al., 1999), стан-
дартные PBS не обнаружены. В первом случае установлено, что высшие агрегаты РВР на-
ходятся в интратилакоидном пространстве, однако архитектуру таких квази-PBS до сих пор
не удается реконструировать из-за методических трудностей.

Стандартная PBS состоит из двух морфологически оформленных доменов: кора из 2-3
центральных цилиндров и периферии из шести стержней (рис. 20). Каждый цилиндр содер-

(PSI)3

(PSII)2

Рис. 20. Схема фикобилисомы - вертикальная проекция.

a, fl - фикобилипротеиновые субъединицы; скобки - линкерные полипептиды («ножницы» - линкер
АрсЕ).
жит четыре тримера АРС, в то время как стержни образованы 2-6 гексамерами. Прокси-
мальные гексамеры всегда содержат «длинноволновую» форму PC. Дистальные гексамеры
у разных организмов состоят из РЕ, РЕС или «коротковолновой» формы PC. Такое распре-
деление пигментов внутри основного светособирающего комплекса способствует безызлу-
чательной миграции энергии к реакционным центрам (Grossman et al., 1993) по пути:

РЕ —> РЕС —> PC —> АРС —> хлорофилл а.

(27)

Состав стержней может варьировать и при фотоакклиматизации, причем в случае циа-
нобактерий этот феномен основан на использовании трех стратегий:

- общей для всех фототрофов «геометрической» стратегии, когда площадь сечения ан-
тенны находится в обратной зависимости от плотности потока квантов (стержни укорачи-
ваются на более ярком свету);

- свойственной многим оксигенным фототрофам «кинетической» стратегии, связанной
с переходом состояний 1<->2;

- уникальной «пигментной» стратегии — комплементарной хроматической адаптации
(англ, complementary chromatic adaptation, CCA).

Последняя из этих стратегий представляет собой модуляцию периферического участка
PBS, которая регулируется на транскрипционном уровне и обеспечивает эффективное по-
глощение квантов доминирующей цветовой группы. Так, при избытке в спектре освещения
красной компоненты преимущественно синтезируется PC, а зеленой — РЕ (Grossman et al.,
1993).

Помимо а- и /Ссубъединиц в состав PBS входят бесцветные «линкерные» полипептиды
(англ, link — связь), имеющие Мг 10-40 кДа. Линкеры сокращенно обозначаются заглавной
буквой L. Иногда она снабжена надстрочной цифрой, указывающей округленное значение
молекулярной массы (кДа). С помощью подстрочного индекса определяется локализация
линкера в PBS. В частности, стержневые линкеры LR (сокр. англ, rod — стержень) обеспе-
чивают сборку гексамсров и их объединение друг с другом, входящие в состав кора линке-
ры Lc (сокр. англ, core) — сборку его тримеров, а линкеры LRC (сокр. англ, rod-core) — при-
крепление стержней к кору.

Наряду с бесцветными существуют еще по крайней мере два типа окрашенных (хро-
мофилированных) линкеров. Из них более известен минорный высокомолекулярный линкер
АрсЕ (Мг 120 кДа). Этот хромопротеин обеспечивает агрегацию тримеров кора в цилиндры,
а также ассоциацию кора с димером PSII и поэтому его часто обозначают как ЬСм (сокр.
англ, core-membrane), или «анкерный» (англ, anchor — якорь) линкер. АрсЕ имеет много-
компонентную доменную структуру и соответственно сложную пространственную конфи-
гурацию. Он состоит из петлевого домена, погруженного в ядро PSII, фикобилипротеиново-
го домена, встроенного в тример кора, трех линкерных доменов, связывающих соседние
тримеры кора друг с другом, а также трех плечевых доменов, один из которых соединяет
тримеры цилиндра, а два других — цилиндры (рис. 20). Линкер LCM служит терминальным
каналом, по которому' ~75% энергии, поглощенной основным светособирающим комплек-
сом, послушает к PSII (Bald et al.. 1996).

Вторым примером окрашенного линкера служит у-субъединица, тесно ассоциирован-
ная со стержнями РЕ у некоторых Rhodophyceae. В частности. Aglaothanmion neglectuin
имеет две различные у-субъединицы (Мг 31 и 33 кДа). связывающие 2(а/?)3-гексамеры. т.е.
выполняющие такую же функцию, что и «бесцветные» линкеры цианобактерий (Apt et al.,
2001).

PBS пространственно ассоциирована с PSII и находится с ней в состоянии тесного
энергетического сопряжения. Тем не менее основной светособирающий комплекс этого
типа может участвовать в регуляторном процессе, который основан на феномене мобильной
антенны и аналогичен переходу энергетических состояний 1<—>2 в хлоропластах (Bald et al.,
1996).

До сих пор неясно, является ли PBS латерально мигрирующей антенной, или ее сопря-
жение с PSI увеличивается в результате действия протеинкиназной системы, разрыхляющей
связь кора с димерами PSII (Allen, 1992; Grossman et al., 1993; Bald et al., 1996; MacColl,
1998).

На одной из ранних стадий формирования гетероцист цианобактерий (в так называе-
мых прогетероцистах) РВР подвергаются индуцированному протеолизу. Поэтому в терми-
нально дифференцированных гетероцистах морфологически выраженные PBS, как правило,
не обнаруживаются. Тем не менее у некоторых штаммов при образовании зрелых гетеро-
цист PBS не разрушаются, а остаются интактными и перманентно ассоциируются с PSI (Ке
et al., 1983).

Помимо гемидискоидных и гемиэллипсоидных PBS у цианобактерий описаны цилинд-
рические PBS, рассматриваемые как примитивный архаичный вариант. Такие антенны
имеются у лишенной тилакоидов Gloeobacter violaceus, принадлежащей к наиболее рано
сформированной ветви эволюционного древа Cyanobacteria (см. рис. 30). Цилиндрические
PBS плотно упакованы на внутренней поверхности СМ и образованы пучком стержней,
каждый из которых, в свою очередь, состоит из 8-10 гексамеров (Guglielmi et al., 1981).

Аналогичные, хотя и значительно меньшего размера, мини-PBS обнаружены у
A. marina. Они содержат PC наряду с небольшим количеством АРС, имеют форму тороида
(Mr ~ 1 мгДа. что соответствует четырем гексамерам) и прикреплены к цитоплазматической
поверхности тилакоида (Hu et al., 1999).

3.4. ФОТОСИСТЕМА!

Светособирающие антенны осуществляют канализированный перенос возбуждения по
«стоксовому» (G. Stokes) пути — в сторону увеличения максимума поглощения у обмени-
вающихся энергией молекул. Возбуждение передается посредством резонансного взаимо-
действия электронных облаков без поочередного испускания и поглощения квантов флуо-
ресценции. Действие антенн носит физический характер и не сопровождается химическими
окислительно-восстановительными превращениями.

В отличие от этого комплексы реакционных центров фотосистем функционируют как
электронтранспортные цепи, которые используют свободную энергию возбужденного со-
стояния терминального участка антенн (см. главу 2).

Экспериментальное изучение первичных химических процессов фотосинтеза началось
в 1937 г., когда Робин Хилл (R. Hill) открыл реакцию, позже названную его именем. Она
протекает на свету в препаратах, содержащих изолированные хлоропласты. Смысл реакции
Хилла заключается в восстановлении искусственного акцептора электронов, например ио-
нов Fe3+, за счет единственно возможного в такой системе донора электронов — воды. В
результате образуется молекулярный кислород:

Н2О + А АН2 + 1/2О2. (28)
Для понимания сущности окислительно-восстановительных процессов, скрывающихся
за этим эмпирическим уравнением, потребовалось свыше 20 лет интенсивных исследова-
ний. На протяжении 1950-1960-х годов были выявлены основные промежуточные перенос-
чики электронов и установлено их взаимное расположение. Однако концептуальным про-
рывом стало открытие серии из двух окислительно-восстановительных реакций, последова-
тельно протекающих в соответствии с так называемой Z-схемой (см. рис. 4). В итоге проис-
ходит окисление воды и образуется сильный восстановитель, который, в частности, расхо-
дуется при ассимиляции СО2

В конце 1950-х годов Роберт Эмерсон (R. Emerson) и его сотрудники показали, что
дальний красный свет (англ, infra-red light, X >700 нм) не проявляет фотосинтстичесой ак-
тивности, однако увеличивает эффективность ближнего красного света (англ, red light. X
<700 нм). Для объяснения эмерсонова эффекта «усиления фотосинтеза» Робин Хилл и Ри-
чард Бендалл (R. Bendall) постулировали в 1960 г. существование двух фотохимических
реакций, которые соответственно катализируются двумя фотосистемами.

Как показали детальные исследования, проведенные в начале 1960-х годов на водорос-
ли Р. cruentum, дальний красный свет избирательно активирует фотосистему, окисляющую
цитохром /. В свою очередь, ближний красный свет преимущественно используется другой
фотосистемой, восстанавливающей цитохром /. «Длинноволновая» и «коротковолновая»
фотосистемы получили названия соответственно первой и второй фотосистем — PSI и PSII
(см.: Duysens, 1989).

Впоследствии их удалось экспериментально изолировать и показать, что дальний крас-
ный свет не способен вызывать реакции, катализируемые PSI1. однако активно поддержива-
ет реакции PSI. Было также показано, что ближний красный свет нс активен по отношению
к PST, зато специфически активирует PS11.

В итоге долгих исследований окончательно сформировалось представление о том, что
при поглощении квантов ближнего красного света PSII электроны передаются от компонен-
та «У» компоненту' «Q». После накопления четырех эквивалентов положительного заряда
происходит восстановление компонента Y в результате окисления молекулы воды. Восста-
новленный компонент Q через цепь переносчиков, одним из которых является цитохром /, в
конце концов восстанавливает компонент «Р700». В свою очередь, при поглощении квантов
дальнего красного света электроны переносятся от компонента Р700 к компоненту7 «X», а он
через цепь переносчиков восстанавливает NADP.

3.4.1. Структура PSI

В физиологических условиях PSI функционирует как светозависимая Рс (цитохром с6):
Fd-оксидоредуктаза. Иными словами, она передает электроны от растворимого переносчи-
ка, непрочно связанного с экзоплазматической, или люменальной, поверхностью мембраны
(Рс или цитохром ЬР), другому растворимому переносчику (Fd), который слабо взаимодей-
ствует с цитоплазматической, или стромальной, поверхностью мембраны (рис. 21).

У представителей различных групп оксигенных фототрофов PSI имеет высоко консер-
вативную структуру. Так, у цианобактерий и хлоропластов аминокислотные последова-
тельности интегральных полипептидов PSI совпадают на 70-75%. В отдельных участках
полипептидной цепи наблюдается еще больший уровень гомологии. В отличие от PSII, ко-
торая гомологична реакционным центрам пурпурных бактерий и зеленых несерных бакте-
рий, а также имеет одинаковый с ними состав переносчиков и кофакторов, PSI проявляет
высокое сходство с реакционными центрами гелиобактерий и зеленых серных бактерий (см.
ниже). Гены, кодирующие белки RCI, содержатся в геноме пластид, что служит одним из
подтверждений эндоцитобиотического происхождения этих энергоассимилирующих цито-
плазматических органелл ядерных клеток.

Ц17)

С(9)

М(3)

QQQ

ООО

Рис. 21. Реакционный центр фотосистемы I цианобактерии.

Р700 - первичный донор; и А! - первичный и вторичный акцепторы; Fx, FA и FB - проме-
жуточные акцепторы; Fd - ферредоксин; Ре - плаетоцианип; А-М - полипептидные субъединицы,
в скобках истинные значения Мг (кДа). Не изображены связанные с субъединицами PsaA/PsaB мо-
лекулы хлорофилла а и каротиноидов. Сверху - цитоплазматическая, снизу - экзоплазматическая
сторона мембраны.

PS1 представляет собой интегральный пигмент-белковый комплекс приблизительно
сферической формы диаметром 7-8 нм. Молекулярная масса мономера PSI с учетом хромо-
форов составляет -340 кДа. В состав голокомплекса входят 11 полипептидов, около 100 мо-
лекул антенного хлорофилла а и 10-25 молекул /У-каротина (Chitnis, 1996). Редокс-
активность проявляют шесть спектроскопически идентифицируемых переносчиков (рис. 21):

- первичный донор Р700 («димер» хлорофилла а, роль которого у прохлорофита А.
marina выполняет Р740 — «димер» хлорофилла d);

- первичный акцептор Ао («мономер» хлорофилла а);

- промежуточный акцептор А] (молекула филлохинона);

- вторичные акцепторы Fx, FA и FB (Ре434-кластеры).

Препараты, полученные из цианобактерии Synechococcus sp., содержат тримеры PS1,
что первоначально считали артефактом, возникающим по причине использования «жест-
ких» детергентов. Однако в настоящее время существование тримеров in situ не вызывает
сомнений, хотя минимальной функциональной единицей является монокомплекс (Карапе-
тян, 2001). Характерно, что PSII существует in situ преимущественно в виде димеров.

В начале 1990-х годов из цианобактерий были получены высококачественные кристал-
лы PSI, что дало возможность провести рентгеноструктурный анализ с уровнем разрешения
6А и на его основе реконструировать пространственную модель комплекса этой фотосисте-
мы. Помимо собственно цианобактерий она применима к прохлорофитам (van der Staay et
al., 1993) и условно может быть распространена на эукариотных оксифотобионтов.

Усовершенствованная методика получения кристаллических препаратов PSI позволила
повысить разрешающую способность анализа до 4,5А (Krau0 et al., 1996; Fromme, Witt,
1998). Если вначале для солюбилизации мембран Synechococcus sp. использовали сравни-
тельно жесткий детергент сульфобетаин-12 (что приводило, в частности, к потере субъеди-
ницы PsaF), то в более поздних работах он был заменен высокоочищенным до деци л-/i-
мальтозидом. В результате были получены нативные препараты PSI в виде темно-зеленых
гексагональных игольчатых или пластинчатых кристаллов, дающих на рентгенограммах
рефлексы с максимальным разрешением 3,5А (Fromme et al., 1996).

К настоящему времени выделены и секвенированы все гены /лга-группы, которые ко-
дируют полипептиды, входящие в состав PSI цианобактерий и высших растений
(Miihlenhoff et al., 1993). В этом отношении активно изучаются представители Cyanobacteria
с нестандартным пигментным составом, в частности прохлорофиты, содержащие хлоро-
филл b (Staehelin, van der Staay, 1996).

Каркас RCI образован гетеродимером больших субъединиц— PsaA/PsaB. Истинные
значения их молекулярной массы определены на основе данных секвенирования генов и
транскриптов и равны соответственно 83 и 82,4 кДа. Кажущиеся значения (рассчитанные по
электрофоретической подвижности денатурированного белка в сравнении с подвижностью
стандартных маркеров) значительно ниже----66 кДа. Эти полипептиды имеют взаимную

45%-ную гомологию, а их консервативные участки обнаруживают до 95% гомологии у раз-
личных представителей оксифотобионтов (Golbeck, 1992). Оба мономера имеют по 11
трансмембранных петель. Петля X содержит высоко консервативные His-сайты, которые
определяют пространственное положение Р700, тогда как Су s-сайты петель VIII и IX ли-
гандируют Fx (Krau0 et al., 1996). Помимо первого из трех вторичных акцепторов (Fx) гете-
родимер связывает первичный и промежуточный акцепторы — Ао и Aj.

PSI имеет мощную светособираюшую систему, или кор-антенну, в состав которой вхо-
дят до 100 молекул антенного хлорофилла а. Ядро реакционного центра, а также кор-
антенна прохлорофита A. marina содержат хлорофилл d.

Помимо хлорофилла в структуру кор-антенны PSI входят 14 молекул /3-каротина (сле-
дует напомнить, что в отличие от нее внутренние и периферические антенны преимущест-
венно связывают ксантофиллы). Если локализация и ориентация антенного хлорофилла в PSI
точно определены методом рентгеновой диффрактомстрии, то аналогичные данные для /?-
каротина до сих пор нс получены.

Малые гидрофильные субъединицы (PsaC, PsaD и PsaE) локализованы на цитоплазма-
тической поверхности тилакоида (рис. 21). Субъединица PsaC связывает два терминальных
Ее484-кластера — Ел/Ев. в то время как субъединица PsaD несет площадку (англ, docking
site) для Fd. Предполагаемой функцией субъединицы PsaE является обеспечение ориента-
ции PsaC и PsaD по отношению к гетеродимеру PsaA/PsaB (Golbeck, 1994; Fromme, 1996).

Четвертая малая субъединица — PsaF связана с люменальной стороной RCI. Ее экзо-
плазматический домен выполняет роль площадки для размещения Рс или цитохрома с6. Тем
не менее мутант Synechocystis sp. с блокированным синтезом субъединицы PsaF сохранил
способность к нормальному фотоавтотрофному росту (Golbeck, 1992)

Было бы ошибкой ограничивать функцию малых полипептидов статическим участием
в организации RCI. Как показывает структурный анализ транспозонных мутантов
Synechococcus sp. РСС 7002 (Yu et al., 1993), субъединица PsaE служит незаменимым ком-
понентом системы циклического транспорта электронов вокруг PSI (подробнее об этом см.
в разд. 3.7.2).

Дополнительными компонентами PSI являются пять низкомолекулярных гидрофобных
полипептидов — Psal (Мг 4 кДа), PsaJ (4 кДа), PsaK (8 кДа), PsaL (17 кДа) и PsaM (3 кДа).
По-видимому, они обеспечивают стабилизацию голокомплекса, а также его агрегацию в
тримеры (Fromme, 1996).

В состав PSI хлоропластов высших растений дополнительно входят полипептиды PsaG
и PsaH (Мг 10 кДа). Считается, что они обеспечивают взаимодействие RCI с внутренней
антенной, построенной из мономерных хлорофилл-белков Lhcal-4. Как уже указывалось,
хлоропластная PSI помимо внутренней антенны снабжена периферической антенной —
LHC1, которая образована тримерами хлорофилл-белков Lhcbl/Lhcb2 (см. рис. 19).

3.4.2. Инактивация PSI

В условиях фотоавтотрофного существования физиологическая роль PSI как источника
поступления низкопотенциального восстановителя (Fdreci) и макроэргического интермедиата
(АТР) чрезвычайно велика. Даже частичная инактивация или деградация этого комплекса у
одноклеточных оксифотобионтов, как правило, приводит к резкому снижению жизнеспо-
собности, а полная инактивация — к летальному эффекту. Мутации по PSI довольно редки
и в основном изменяют структуру кор-антенны.

Способность цианобактерии Synechocystis sp. РСС 6803 к трансформации позволила
исследовать ряд генетически детерминированных нарушений, в том числе затрагивающих
комплекс PSI.

В результате дслеции генов psak и psaB удалось получить мутанты без PSI, способные
к фотогетеротрофному росту на глюкозе и содержащие не более 20% хлорофилла по срав-
нению с диким типом (Shen et al., 1993).

По непроверенным данным, у мутантов Synechocystis sp. РСС 6803, не имеющих PSI,
терминальным акцептором электронов служит цитохром с-оксидаза (Vermaas et al., 1994). В
случае аналогичных мутантов Chlorella sorokiniana или С. reinhardtii, поток электронов на-
правлен от PSII через цитохром Ь6//-комплекс к неидентифицированному высокопотенци-
альному акцептору (Lavergne, 1983; Lee et al., 1996).

Принципиально иная ситуация наблюдается в случае PSII (см. разд. 3.5.2). Эта фото-
система выполняет функцию основной, но не единственно возможной донорной системы
для цитохром ^//-комплекса (см. разд. 3.5.3 и 3.7.2). В этом смысле PSII не является абсо-
лютно незаменимой, несмотря на то, что условие нормального функционирования оксиген-
ного фотосинтетического аппарата — это одновременное и согласованное действие обеих
фотосистем (Shestakov et al., 1994).

3.5. ФОТОСИСТЕМА II

В физиологических условиях PSII функционирует как светозависимый ферментатив-
ный Н2О: пластохинон-оксидоредуктазный комплекс. Он катализирует перенос электронов
с люменальной стороны мембраны от воды к молекулам пластохинонового пула (PQ-пул).
локализованного в стромальном полумембранном листке (рис. 22).

3.5.1. Структура PS1I

PSII состоит из двух функциональных компонентов (Rochaix, Erickson, 1988). Первым
из них является реакционный центр, с которым у Chlorophyceae. и высших растений взаимо-
действует внутренняя антенна, образованная хлорофилл-белками Lhcb3-6. Второй, тесно
взаимодействующий с реакционным центром функциональный компонент — это кислород-
выделяющий комплекс (англ, oxygen-evolving complex, ОЕС), который одновременно мож-
но рассматривать как часть электрон-протонофорной цепи.

В настоящее время пространственная модель PSIT в основном реконструирована, что
потребовало сопоставления данных лазерной спектрофотометрии и электронной кристалло-
графии (Mattoo et al., 1989; Vermaas, 1993; Bald et al., 1996, Barber, Kiihlbrandl, 1999). Ана-
лизируемым материалом были очищенные препараты PSII, выделенные из пластид С.
reinhardtii и клеток цианобактерий, в том числе фотогетеротрофных штаммов Synechocysiis
sp. РСС 6803, полученных путем направленного мутагенеза. Для сравнения использовались
данные рентгеновой дифрактометрии макрокристаллов реакционного центра Rhodopseudo-
monas viridis и других аноксигенных пурпурных бактерий.

RC1I цианобактерий и пластид существует в виде монокомплскса, а также может обра-
зовывать функциональные дублеты, однако еще дискутируется вопрос о том, какая из этих
форм реально преобладает in situ (Tsiotis et al., 1996; Barber et al., 1999).

В состав комплекса PSII входят до 25 индивидуальных белковых компонентов
(PsbA-W, Lhcbl-6). В основном это полипептиды с 1-6 интрамембранными петлями
(Barber, Kiihlbrandl, 1999). Каркас RCII (рис. 22) образован гстеродимером PsbA/PsbD. Мо-
лекулярный размер мономеров равен соответственно 38 и 39,4 кДа (кажущиеся значения —
32 и 34 кДа). Эти полипептиды обычно обозначаются как D1 и D2 (сокр. англ, diffuse —
размытый, поскольку при SDS-элсктрофорезе они мигрируют с образованием нечетких по-
лос). Оба имеют по пять трансмембранных петель и совместно связывают большинство
простетических групп, выполняющих функцию электронофоров (Barber et al., 1999). К чис-
лу7 последних относятся (Barber, Kiihlbrandl, 1999):

- первичный донор Р680 («мономер» хлорофилла а);

- первичный акцептор Ph (молекула феофитина а);

- вторичные акцепторы QA и QB (молекулы менахинона).

Помимо первичного донора в состав ядра PSII входит квазисимметричный ему «моно-
мер» хлорофилла а (рис. 22). По последним данным, к ним добавляются еще две квазисим-
метричные молекулы хлорофилла а, одна из которых рассматривается как первичный ак-
цептор электронов от возбужденной молекулы первичного донора (Р680*). Кроме того, в
составе ядра PSII имеются две дополнительные «периферические» молекулы хлорофилла а,
что доводит их общее число до шести (Schubert et al., 1998).

В качестве лигандов для Р680, по-видимому, выступает остаток His-197 субъединицы
D2, а также His-198 субъединицы D1. В передаче электрона от Ph к QA непосредственно
участвует остаток Тгр-253 субъединицы D2. Дивалентный ион негеминового железа (Fe2+)
обеспечивает взаимодействие между QA и QB, подобно последнему он ассоциирован с по-
липептидом D1 (Vermaas, 1993).
E(9) F(4)

Рис. 22. Реакционный цсшр фотосистемы П зеленых растений.

Р680 - первичный донор; Pl.t - феофитии; QA и QB - первичный и вторичный хиноны;
Ре - иол негеминового железа; Мпд - марганцевый кластер кислородвыделяющего комп-
лекса; Yz и Yd - редоксактивпые остагки тирозина; A-Q - полипептидные субъединицы, в
скобках истинные значения М, (кДа); не изображены минорные субъединицы Psbll-N, R-Т и
W. а также связанные с субъединицами PsbC/I’sbD молекулы хлорофилла а и каротиноидов.
Сверху - цитоплазматическая, снизу - эктоплазматическая сторона мембраны.

Посредником между Мп-содержащим кластером ОЕС и окисленным первичным доно-
ром Р680+ служит остаток Tyr-161 (Yz) субъединицы DI (Barry et al., 1994). Функцию ос-
новного Мп-связывающего полипептида также выполняет DI (Seidler, 1996).

Кор-антенна RCII образована гидрофобными полипептидами PsbC и PsbB (Мг 50.1 и
56,3 кДа; кажущиеся значения 43 и 47 кДа. на основании чего эти хлорофилл-белки также
обозначаются как СР43 и СР47). Каждый из них имеет по шесть трансмембранных петель,
причем N- и С-концевыс участки полипептидной цепи выходят на стромальную поверх-
ность тилакоида. Они присоединяют по 20-25 молекул хлорофилла а, 4-5 молекул /?-
каротина и субстсхиометрическос количество лютеина — одну молекулу на несколько ре-
акционных центров (Green, Durnford, 1996). Хлорофилл-белок СР47 выполняет важную до-
полнительную функцию, которая заключается во взаимодействии с полипептидом PsbO,
стабилизирующим Мп-содсржащий кластер ОЕС. Что касается СР43, то он обеспечивает
устойчивое закрепление PSII в двойном липидном слое — инактивация гена psbC приводит
к удалению PSII из мембраны.

Помимо полипептидов D1/D2 и СР43/СР47 в состав RCII входят интегральные субъе-
диницы PsbE и PsbF (а- и Д-апоцитохромы Ь559), а также несколько периферических поли-
пептидов, расположенных на люменальной поверхности тилакоида.

Прежде всего к ним относятся субъединицы PsbO, PsbP и PsbQ (Мг соответственно
26,5; 20 и 17 кДа), которые определяют функционирование ОЕС, хотя непосредственно не
являются его каталитическими компонентами (Pistorius, 1993). В конкретном случае С.
reinhardtii белки PsbO-PsbQ обозначены как ОЕЕ I—III (сокр. англ, oxygen-evolving
enhancer). Субъединица PsbO, или Mn-стабилизирующий белок (англ, manganese stabilizing
protein, MSP), имеется у всех оксигенных фототрофов.

Периферические полипептиды PsbP/PsbQ кодируются ядерными генами и их гомологи
не выявлены у Cyanobacteria. Однако цианобактерии содержат полипептиды с Мг 9-12 кДа,
которые отсутствуют в пластидах, а также цитохром с55О (Seidler, 1996).

К дополнительным компонентам голокомплекса PSII относятся не менее девяти субъе-
диниц с Мг <10 кДа (PsbH-N, PsbR, PsbT и PsbW). Функциональная роль большинства из
них до сих пор не выяснена. Интегральный полипептид PsbJ (Мг 4 кДа), ген которого транс-
крибируется вместе с генами psbE, psbF и psbL, принимает участие в сборке и поддержании
стабильности голокомплекса PSII у цианобактерии Synechocystis sp. РСС 6803 (Lind et al.,
1993).

Еще один малый полипептид PSI1 — PsbS (Мг 22 кДа) гомологичен белку Lhcb. При
наличии гомологии с LHC-белками он отличается от других членов этого суперсемейства
позициями сайтов связывания пигментов и состоит из четырех интегральных трансмем-
бранных доменов вместо трех (Li et al., 2000). Участие этого белка в светособирающих про-
цессах маловероятно. Существует мнение, что он может играть роль переносчика хлоро-
филла при биогенезе тилакоидов (Barber, Kiihlbrandt, 1999).

В последнее время при изучении хлоропластов шпината были получены данные, со-
гласно которым полипептид PsbS может участвовать в защитном механизме нефотохимиче-
ского тушения флуоресценции (NPQ, см. разд. 3.1.4). На ярком свету он протонируется и,
по-видимому, связывается с зеаксантином — продуктом виолаксантинового цикла. Обра-
зующийся комплекс способствует тепловому рассеиванию избыточной энергии. По послед-
ним данным, полипептид PsbS располагается между «суперкомплексами» LHCII-PSII, кото-
рые сосредоточены в грана ль ных участках ламеллярной системы и представляют собой ди-
меры PSII размером 11x16,5x33 нм (Mr -1 мгДа). В сумме они содержат -150 молекул хло-
рофилла а и -50 молекул хлорофилла b (Nield et al., 2000).

3.5.2. Инактивация Р8П

PSII может быть мишенью для ряда воздействий, которые выводят оксигенных фото-
трофов за рамки физиологической нормы и делают их дефектными в метаболическом от-
ношении. При наличии репарационных или компенсаторных механизмов общий негатив-
ный физиологический эффект может быть уменьшен, и жизнеспособность организма со-
храняется в течение продолжительного времени.

Инактивация и деградация PS1I может быть следствием четырех основных причин:

- генетических повреждений;

- эндогенного процессинга;

- влияния физических факторов;

- действия химических ингибиторов.

Во всех указанных случаях терминальные доноры и акцепторы уже не участвуют в
транспорте электронов, и он становится циклическим, т.е. протекает на уровне PSI при уча-
стии периферических медиаторов этой фотосистемы (Chitnis, 1996).

Несмотря на существование внутри комплекса PSII множественных мишеней, пораже-
ние которых приводит к его инактивации и деградации, наиболее лабильными участками
оказываются полипептид D1 и ОЕС.
' Мутанты по PSIL Нарушения фотосинтетического аппарата, вызванные мутационны-
I ми изменениями PSII, критически влияет на физиологическую активность пластид или жиз-
< неспособность Cyanobacteria, хотя во втором случае у штаммов, способных к фотогетеро-
I трофии, соответствующие мутации могут и не иметь фенотипического проявления. Му-
I тантные клоны легко отселектировать на средах, содержащих сахара, и они успешно ис-
' пользуются при изучении организации PSII, а также функционального взаимодействия ме-
| жду ней и основным светособирающим комплексом — PBS.

Модельным объектом при исследовании организации PSII традиционно служит одно-
клеточная цианобактерия Synechocystis sp. РСС 6803, для которой получены штаммы с то-
чечными мутациями в генах, кодирующих главные субъединицы PSII (psbA, psbB и psbD).
Интересно, что потеря отдельных субъединиц не обязательно вызывает дестабилизацию
остальных. Так, например, деления трех генов psbA (psbAl, psbA2 psbA3) приводит к исчез-
новению субъединиц DI, D2 и СР47, однако субъединица СР43 по-прежнему сохраняется
(Nilsson et al., 1990). Напротив, деления генов psbB и psbC приводит к одновременной поте-
ре субъединиц DI, D2, СР43 и СР47.

Анализ таких мутантов позволяет прежде всего определить локализацию аминокислот-
ных остатков, которые выполняют функцию лигандной сферы для Mn-кластера ОЕС. С по-
мощью направленного мутагенеза установлено, что каталитическая активность и стабили-
зация Mn-кластера определяется остатками Asp-170, Asp-342, His-332, His-337, Glu-189 и
Glu-333 в полипептидной цепи субъединицы D1; мутации по этим сайтам приводят к пол-
ному ингибированию фотоавтотрофного роста. Поскольку такое же фенотипическое прояв-
ление дает мутация по His-190, предполагается, что данный аминокислотный остаток слу-
жит донором электрона для Туг-161 (Yz). В результате анализа мутантов по Asp-59 и Asp-61
выяснено, что они прямо или косвенно участвуют в связывании катионов Са2+, необходи-
мых для нормального функционирования ОЕС. Свободная карбоксильная группа А1а-344,
которая после процессинга оказывается на С-конце полипептида D1, скорее всего служит
лигандом для марганца; при удалении этого аминокислотного остатка образуется нефунк-
ционирующий Mn-кластер (Валу et al., 1994).

Фотоавтотрофный рост ингибируется и при замене Glu-68 в составе полипептида D2 на
Vai или Gin. В первом случае мутантный штамм полностью теряет способность к выделе-
нию кислорода из-за нарушенного биогенеза реакционного центра PSII. Во втором случае
комплексы PSII образуются, однако их количество втрое меньше, чем у дикого типа, и му-
тант более чувствителен к фотоингибированию. Повышенная чувствительность к фотоин-
гибированию обнаружена и у точечного мутанта по Pro-161, причем добавление в пита-
тельную среду ионов Мп2+ не компенсирует указанного дефекта. Предполагается, что ос-
татки Glu-68 и Pro-161 участвуют в пространственном координировании Мп-кластера
(Barry et al., 1994).

Мутанты с инсерционной инактивацией или делецией гена psbB оказались неспособ-
ными включать полипептиды D1 и D2 в состав тилакоидов, что свидетельствует об участии
субъединицы СР47 в сборке функционального комплекса PSII. В результате делеции ами-
нокислотной последовательности Gly-351...Thr-365 на участке между V и VI трансмембран-
ными спиралями белка СР47 была потеряна способность к формированию комплекса PSII и
соответственно к фотоавтотрофному росту. Делеция на участке Arg-384 ... Val-392 также
вызвала блокирование сборки этого комплекса; у таких мутантов была снижена активность
ОЕС, что свидетельствует о дестабилизации Mn-кластера (Barry et al., 1994).
Хлоропласты стареющих листьев меньше, чем в молодых и зрелых листьях, и их форма
близка к эллипсоидной или сферической. На поздних этапах старения тилакоиды стромы
сегментируются, что приводит к дезорганизации остающихся гранильных участков. Потеря
фотохимической активности при старении связана с резким уменьшением содержания фо-
тосинтетических пигментов, специфическими изменениями состава ЕТС и различной сте-
пенью дезорганизации реакционных центров. Установлено, что транспорт электронов инак-
тивируется прежде всего в результате деградации цитохром /У^-комплекса, а также сниже-
ния содержания Рс (Woolhousc. 1984).

Биохимические данные свидетельствуют о том, что PSII более чувствительна к процес-
сам старения по сравнению с PSI. В результате снижения активности ОЕС наступает дисба-
ланс каталитической активности двух фотосистем, что приводит к уменьшению интенсив-
ности фотосинтеза (Biswal. Biswal, 1988).

Физические факторы: ультрафиолетовое излучение. По степени повреждающего
действия на биологические системы выделяют три участка UV-спсктра: коротковолновый
UV-C (X <280 нм), промежуточный UV-B (280-320 нм) и длинноволновый UV-A
(320-400 нм).

Известно, что UV-С вызывает глубокие изменения фотосинтеза, и они в первую оче-
редь связаны с повреждением PQ и ОЕС. В современных экосистемах повреждающие эф-
фекты UV-С в значительной степени снижены из-за общего загрязнения атмосферы. Напро-
тив, разрушение озонового слоя в результате антропогенного воздействия активно способ-
ствует проникновению UV-В к земной поверхности.

С действием UV-В, как правило, связан процесс фотодеструкции пигментов. Интерес-
но, что у цианобактерий РЕ подвержен фотодеструкции в меньшей степени, чем РС и АРС.
Болес того. UV-В даже может индуцировать синтез РЕ и одновременно с этим приводить к
снижению уровня РС и АРС (Araoz, Набег, 1999).

У оксигенных фототрофов существует много разных мишеней для действия UV-В. Это
нуклеиновые кислоты, белки, ароматические аминокислоты, хиноны, жирные кислоты и
пигменты. Однако главной из них является PSH, и ее чувствительность к UV-излучению
примерно в 200-300 раз больше, чем чувствительность к повреждающему действию света
видимой части спектра (Glatz et al., 1999).

Основное нарушение происходит на уровне процесса разделения зарядов и связано с
избыточным накоплением окисленных форм переносчиков в составе RC1I. Предполагают,
что наиболее чувствительным участком PS11 является ее донорная часть (Renger et al.,
1989). Помимо воздействия на транспорт электронов UV-В повреждает структуру субъеди-
ниц D1 и D2. Это приводит к ослаблению координационных связей Мп-кластера и блокиру-
ет восстановление каталитического центра ОЕС.

Второй механизм воздействия UV-В на PSII может заключаться в поглощении элек-
тромагнитного излучения PQ-пулом. При этом нарушается структура сайтов связывания QA
и QB, которые расположены на полипептидах D1/D2, о чем свидетельствует изменение чув-
ствительности фотосинтетического аппарата к некоторым гербицидам.

На примере Synechocystis sp. РСС 6803 показано, что клетки цианобактерий могут уст-
ранять повреждения PSII с помощью репарационного механизма, который основан на син-
тезе полипептидов D1 и D2 de novo (Friso et al., 1994). Этот механизм аналогичен репараци-
онному процессу, происходящему при фотоингибировании (см. ниже). В составе генома
Synechocystis sp. РСС 6803 имеются три копии гена psbA. Две из них (psbA2 и psbA3) коди-
руют идентичные полипептиды D1, но отличаются друг от друга по структуре нетрансли-
руемого 5^домена. Третий ген (psbAl) имеет гетерологичную структуру и, вероятно, не
Делеционный мутант Synechocystis sp. РСС 6803, у которого отсутствуют гены, коди-
рующие полипептиды D2 и СР43, одновременно с этим потерял способность включать
субъединицы Din СР47 в состав тилакоидных мембран (Mullineaux, 1994).

Выделены мутанты Synechocystis sp. РСС 6803 с комбинированным фенотипом
PSI7D1-, у которых помимо инактивации PSI в результате нарушений в опсроне psaApsaB
делегированы все три копии гена psbA. Для штамма с инактивированным геном psaA полу-
чен мутант по обеим копиям гена psbD (комбинированный фенотип PSI7D2 ). Такие штам-
мы растут при импульсном освещении на среде с глюкозой и используются в качестве ре-
ципиентов для трансформации плазмидами с точечными мутациями по генам psaA2 и psbDl
(Smart et al., 1994).

При изучении штаммов цианобактерий с мутациями по PSII было окончательно уста-
новлено, что переходы энергетических состояний 1 <-У2 возможны только в том случае, если
сохраняются оба реакционных центра; отсутствие одной из двух фотосистем приводит к
энергетическому разобщению между PBS и мембранными комплексами.

Эндогенный процессинг: специализированные клетки. Инактивация и деградация
PSI1 может происходить нс только по внешним причинам, но и под воздействием эндоген-
ных факторов. В частности, гетероцисты — терминально дифференцированные клетки нит-
чатых цианобактерий из субсекций IV и V прекращают выделять кислород и теряют пиг-
ментные системы, ассоциированные с PSII (Wolk, 1996).

Указанные изменения являются частью комплексной морфогенетической и физиолого-
биохимической стратегии, которая позволяет защитить нитрогеназу от молекулярного ки-
слорода путем изоляции фермента внутри компартмента, малопроницаемого извне. Кроме
того в нем из-за необратимого перехода к аноксигенной фототрофии не происходит образо-
вания эндогенного кислорода. Диффузия кислорода в цитоплазму гетероцисты ограничива-
ется гидрофобными слоями клеточной оболочки, которые синтезируется de novo и состоят
из уникальных гликолипидов. Интересно, что диазотрофные компартменты, или «везику-
лы», актиномицета Frankia окружены аналогичным барьером из гопаноидов (см. Заключе-
ние). С целью обеспечения максимальной изоляции от кислорода гетероцисты соединены с
соседними вегетативными клетками узким каналом, который дополнительно блокирован
цианофициновой «пробкой». В основе создания микроаэробных условий внутри гетероцист
лежит частичная деградация PSII, хотя они сохраняют интактную PS1 и синтезируют АТР в
результате циклического фосфорилирования (см. разд. 3.7.2). Согласно результатам вес-
терн-блоттинга гетероцисты содержат все главные субъединицы RCII — за исключением
цитохрома Z?559, в отношении которого получена противоречивая информация (Wolk et al.,
1994).

Дифференциация гетероцист начинается вскоре после наступления азотного голодания
(-2 ч) и связана с индукцией гена hetR. В структурной реорганизации вегетативной клет-
ки — будущей гетероцисты — принимают участие по крайней мере, две индуцибельныс
протеазы.

Содержание РВР в зрелых гетероцистах варьирует практически от нуля до 40% средне-
го уровня в вегетативных клетках. В редких случаях показано, что гетероцисты сохраняют
интактные PBS. Однако в отличие от PBS, содержащихся в вегетативных клетках, они снаб-
жают энергией не PSII, a PSI (Wolk et al., 1994).

Эндогенный процессинг: старение. Другим примером эндогенного процессинга фо-
тосинтетического аппарата служит старение листьев высших растений, которое сопровож-
дается структурными и функциональными изменениями хлоропластов.
экспрессируется. В свою очередь, ген psbD представлен двумя копиями (psbDl и psbD2),
которые также кодируют идентичные полипептиды D2 и отличаются друг от друга по
структуре нетранслируемого домена. Синтез полипептида D1 регулируется на транскрип-
ционном уровне - при умеренной интенсивности света в основном экспрессируется про-
дукт гена psbA2. На ярком свету возрастает общая экспрессия полипептида Die преимуще-
ственным увеличением транскрипции гена psbA3. Общая (но не дифференциальная) стиму-
ляция наблюдается и в случае двух копий гена psbD. По имеющимся данным, UV-В специ-
фически индуцирует синтез транскриптов генаpsbA3 и генаpsbD2 (Glatz et al., 1999).

В отличие от цианобактерий хлоропласты высших растений не имеют мультигенных
семейств генов psbA и psbD, а содержат в составе своего генома по единственной копии
этих генов. Надо думать, что защитная или регуляторная роль продуктов дифференциаль-
ной экспрессии различных генов отлична от таковой у продукта дифференциальной экс-
прессии одного единственного гена.

У цианобактерий известны два типа специфических пигментов, поглощающих ультра-
фиолетовое излучение и выполняющих фотопротекторную функцию. Это сцитонемин, на-
капливающийся в чехлах, и микоспоринподобные аминокислоты, растворенные в цито-
плазме (Garcia-Pichel, Castenholz, 1993). Образование сцитонемина характерно для тех циа-
нобактерий, которые по результатам сравнительного анализа нуклеотидных последователь-
ностей 16S рРНК могут рассматриваться как архаичные формы. По-видимому, способность
накапливать фотопротекторные пигменты была приобретена еще в Докембрии, и уже тогда
они использовались для защиты от ультрафиолетового излучения, что могло быть особо
существенно в отсутствие озонового слоя (Dillon, Castenholz, 1999).

Физические факторы: фотоиигибирование. В начале XX в. внимание исследовате-
лей привлекло резкое подавление процессов оксигенного фотосинтеза под действием види-
мого света высокой интенсивности — эффект, который позднее получил название «фотоин-
гибирование» (англ, photoinhibition). В период с 1920 по 1950-е годы было показано, что
фотоингибирование определяется длительностью световой экспозиции и включает обрати-
мую фазу, за которой следуют необратимые процессы. Выяснилось также, что спектр дей-
ствия (зависимость эффекта от длины волны) фотоингибирования совпадает со спектром
поглощения хлорофилла а и что, таким образом, в этом процессе ведущую роль играют фо-
тосинтетические мембраны и осуществляемые ими светозависимые реакции. Естественно
было предположить, что фотоингибирование связано с нестабильной структурой граналь-
ных участков ламеллярной системы хлоропластов, а способность пигмент-белковых ком-
плексов к репарации обеспечивает обратимый характер повреждения.

С конца 1950-х годов фотоингибирование стали определелять как фотохимическую
инактивацию, или фотоинактивацию (англ, photoinactivation), пигментных суперкомплек-
сов — фотосинтетических единиц (см.: Ball, Wild, 1993).

Сейчас известно, что фотоингибирование — это не просто широко распространенный,
но и универсальный для оксигенных фототрофов физиологический эффект. Первичной ми-
шенью для ингибирования избыточным светом, т.е. при световом стрессе, служит PSII. Фо-
тоингибирование представляет собой комбинированный процесс фотоинактивации нецик-
лического транспорта электронов и деградации субъединицы D1. Примечательно, что PSI
проявляет намного большую устойчивость к фотоингибированию, чем PSII (Fork, Herbert,
1993).

Для преодоления фотоингибирования оксигенные фототрофы используют сложную,
требующую высоких метаболических затрат стратегию репарации, которая включает в себя
протеолитическое расщепление поврежденных белков и их синтез de novo.
Известно, что D1 является наиболее активно возобновляемым мембранным полипепти-
дом в условиях нормального освещения. Экспрессия кодирующего его гена psbA зависит от
света на всех уровнях регуляции синтеза белка. У цианобактерий контроль осуществляется
на уровне транскрипции, в то время как у водорослей и высших растений он действует на
уровне трансляции. Темп обновления D1 стимулируется ингибирующим светом (Аго et al.,
1993).

Интенсивный свет вызывает фотоповреждение (т.е. становится опасным) только в том
случае, если скорость деградации фотосинтетического аппарата превышает скорость его
репарации. Стрессовая ситуация внешне выражается в ингибировании фотосинтетических
процессов и замедлении роста организма. Устойчивость к ингибированию светом данной
интенсивности варьирует в широких пределах и зависит от генетической природы организ-
ма, его физиологического состояния и предшествующего развития. При наличии таких до-
полнительных стрессовых факторов, как температурный, водный и метаболический шок, а
также при лимитированном поступлении СО2 фотоингибирование может происходить даже
на свету умеренной интенсивности (Аго et al., 1993).

Фотоинактивация PSII связана прежде всего с нарушением транспорта электронов
внутри этого комплекса. В результате экспериментов, проведенных в системах in vitro, бы-
ли выявлены, по меньшей мере, два механизма повреждения, один из которых инициирует-
ся акцепторным, а другой - донорным участком PSII.

Цепь предполагаемых событий в первом случае начинается с нарушения взаимодейст-
вия между7 вторичными акцепторами электронов RCII — QA и QB. При высокой интенсив-
ности света QB переходит в восстановленную форму, и вскоре весь пул QbH2 теряет связь с
D1. В результате этого происходит полное восстановление QA и отсоединение QAH2 от по-
липептида D2. Блокирование передачи электронов вторичным акцепторам приводит к пере-
ходу первичного донора в долгоживущее триплетное состояние (3Р680*). Последний всту-
пает во внутрисистемную реакцию с кислородом, который находится в основном (триплет-
ном) энергетическом состоянии (3О2), что приводит к образованию синглетного возбужден-
ного кислорода (*О2*). Синглетный кислород, в свою очередь, способен атаковать компо-
ненты RC — либо сам Р680, либо стабилизирующие его остатки His, что в конечном счете
повреждает полипептид DI (Barber, Andersson, 1992; Аго et al., 1993).

Второй механизм фотоинактивации связан с нарушением взаимодействия между Мп-
кластером ОЕС и Р680+. В результате этого накапливаются долгоживущие катион-радикалы
тех молекул, которые в норме выполняют функции интермедиатов транспорта электронов в
донорном участке RCII (Р680+и Yz+). Они обладают сильными окислительными свойствами
и вступают в побочные реакции, в ходе которых разрушаются другие редокс-компоненты и
пигменты кор-антенны PSII (хлорофилл а и /7-каротин). Помимо этого катион-радикалы
выступают в качестве триггеров для активной деградации полипептида DI (Barber,
Andersson, 1992).

В отличие от первого механизма фотоинактивации механизм фотоингибирования, ин-
дуцированный донорным участком PSII, может функционировать как при высокой, так и
при низкой интенсивности света. Он был исходно обнаружен в препаратах тилакоидов по-
сле обработки трис-буфером или в условиях дефицита анионов хлора. Данный механизм,
по-видимому, действует у мутанта Scenedesmus obliquus, неспособного к образованию ки-
слорода, а также у мутанта Synechocystis sp. РСС 6803 с делецией, захватывающей ген psbO.
Растения, у которых под воздействием низких температур утрачивались элементы ОЕС,
также очень чувствительны к фотоингибированию (Аго et al., 1993).
Дополнительные аргументы в пользу локализации первичного повреждения в донор-
ном участке PSII получены при изучении штаммов цианобактерии Synechocystis sp. РСС
6803 с точечными мутациями полипептида D2 (по сайтам Glu-69, Pro-161, His-197 и Gly-
215). У таких мутантов значительно увеличена скорость фотоинактивации транспорта элек-
тронов и для них характерен слабый рост в фотоавтотрофных условиях или его полное от-
сутствие(уап der Bolt, Vermaas, 1992).

Несмотря на большое количество экспериментов, проведенных на различных модель-
ных системах, до сих пор окончательно не выяснено, какой из двух механизмов преоблада-
ет in vivo и существуют ли какие-то другие, еще нс выявленные причины фотоингибиро-
вания.

При фотоинактивации происходят необратимые изменения в структуре полипептида
D1 и он должен быть удален из PS1I для замены новой копией. Этот процесс связан с раз-
рушением полипептида специфической эндопротеазой, локализованной вблизи D1 и, веро-
ятно, входящей в состав кор-комплекса PSII. Деградация D1 специфически блокируется
ингибиторами сериновых протеаз. Ферментативная реакция стимулируется добавлением
катионов Mg2+ и для нее не требуется энергии АТР. Расщепление белка D1 при фотоинак-
тивации, инициированной акцепторным участком RCII, начинается в той части полипеп-
тидной цепи, которая расположена на стромальной поверхности тилакоидной мембраны
между IV и V трансмембранными доменами по соседству с локусом связывания Qp. Затем
расщепление D1 происходит в тех его участках, которые находятся на люмснальной по-
верхности — соответственно между трансмембранными доменами 1/11 и III/IV (Barber.
Andersson, 1992; Aro et al., 1993).

Репарация фотоповреждения осуществляется путем частичной разборки и последую-
щей сборки комплекса PS11. Замена деградированного полипептида D1 на вновь синтезиро-
ванную копию у Chlorophyceae и высших растений, по всей вероятности, происходит в ла-
меллах стромы и требует латеральной передислокации туда комплексов PSII из гранальных
участков. При этом осуществляется фосфорилирование LHCII, и он отсоединяется от кор-
комплекса PSII. Образование новой копии D1 происходит сопряженно с се встраиванием в
PSII, причем для завершения процесса трансляции небходимо присутствие хлорофилла а.
Синтез D1 идет на полисомах, прикрепленных к неагрегированным стромальным тилакои-
дам. Восстановление нормальной структуры PSI1 связано с постгрансляционным процес-
сингом С-концсвого участка, а также с ацилированием D1, после чего к нему присоединя-
ются Другие полипептиды и небелковые факторы PSII (Ph, Д-каротин и Fe2+). Вновь уком-
плектованный кор-комплекс PSII мигрирует обратно в гранальный домен хлоропласта, где
происходит посттрансляционная модификация полипептида D1 и присоединение к нему
ОЕС. Полный репарационный цикл завершается ассоциацией LHCII с кор-комплексом PSII
(Aro et al., 1993).

В гранах хлоропластов при наличии мембранной адгезии деградация полипептида D1
замедлена, и он не образуется de novo. Быстрая деградация и эффективное возобновление
D1, происходящие у цианобактерий при отсутствии гранальных структур, предполагают
наличие таких механизмов репарации, при которых комплекс полисом с /wZzA-мРНК равно-
мерно ассоциирован с тилакоидами в пределах всей ламеллярной системы.

Чтобы избежать фотоингибирования или, по крайней мере, свести к минимуму его по-
следствия, оксигенные фототрофы выработали ряд специфических защитных механизмов.
Главнейший из них связан с реставрацией PSII путем замещения разрушенных белков реак-
ционного центра. Другие механизмы можно рассматривать как профилактические, и они
предназначены для того, чтобы максимально уменьшить возможность избыточного возбу-
ждения комплекса PSII. Такие процессы обеспечивают обратимые изменения в размере ан-
тенны PSII - как кратковременные, так и долговременные.

Как уже указывалось, в отличие от хлоропластов цианобактерии имеют не по одной, а
по 2-4 копии генов, кодирующих полипептиды D1 и D2 (psbA и psbD). Экспрессия этих
генов дифференциально регулируется в зависимости от окружающих условий, в частности,
существенное влияние на нее оказывает интенсивность света (Golden, 1994). На примере
мутантов Synechococcus sp. РСС 7942 показано, что отсутствие той или иной формы D1 и
D2 сопровождается изменением чувствительности к фотоингибированию. Поэтому не ис-
ключено, что фоторе гул ируемая экспрессия генов PSII обеспечивает изменение соотноше-
ния разных форм D1 и D2 у клеток дикого типа и каким-то образом способствует более эф-
фективной репарации, а также адаптации их к свету высокой интенсивности (Golden, 1994).

Защита от фотоингибирования, по-видимому, достигается и путем преобразования из-
быточной энергии в тепло, хотя конкретный механизм терморслаксации остается не ясным.
Возможно, что это явление основано на неутилитарном использовании PMF (которая созда-
ется в результате циклического транспорта электронов через PSI), о чем свидетельствуют
результаты исследования фотоингибирования у С. reinhardtii и высших растений. По-
видимому, рассеивание избыточной энергии может осуществляться и при участии зеаксан-
тина — компонента виолаксантинового цикла (Fork., Herbert, 1993).

Химические ингибиторы. Химическими ингибиторами PSII являются классические
гербициды: производные триазина — атразин (англ, atrazine), промстрин (англ, pronietryne),
метрибузин (англ, metribuzin), урацила — ленацил (англ, lenacil) и мочевины. Среди по-
следних особое место занимает дихлорфснилдиметилмочсвина (англ, dichlorophenyl-
dimethylurea, DCMU). Гербициды блокируют транспорт электронов на уровне QB — второго
стабильного акцептора RCI1. который получает электроны от QA и, будучи восстановлен,
покидает сайт связывания в полипептиде D1. Когда QB находится в частично восстановлен-
ной форме семихинона, его сродство к полипептиду D1 очень велико, и эффективность воз-
действия гербицидов снижается.

Действие атразина изучено на модельной системе с использованием структурного ана-
лога Qb — б-азидо-Qjo (Moreland, 1980; Sandmann, Boger, 1986; Brusslan, Haselkorn, 1988).

Устойчивость к действию гербицидов наблюдается у цианобактерий, Chlorophyceae и
высших растений, имеющих точечные мутации в гене psbA (по Ser-264, Phe-255 и Val-219).
Например, мутант Amaranthus hybridus, который в 1000 раз более устойчив к атразину по
сравнению с диким типом, несет единственную аминокислотную замену в полипептиде D1
(Ser-264 на Gly). Вероятно, этот аминокислотный остаток играет ключевую роль в механиз-
ме связывания гербицидов. Установлено, что наличие Phe в позиции 255 определяет чувст-
вительность к атразину7, a Vai в позиции 219— чувствительность к DCMU (Brusslan,
Haselkorn, 1988).

Примером природного ингибитора PSII может служить цианобактерии — вторичный
метаболит, который синтезируется нитчатой цианобактерией Scytonema sp. UTEX 2349. Это
соединение идентифицировано как арилзамещенный у-бутиролактон, хлоринированный по
одному из двух ароматических колец (Gleason, Wood, 1987; Mallipudi, Gleason, 1989). Циа-
нобактерии токсичен для цианобактерий, Chlorophyceae и высших растений в концентрации
-5-10 6 М, но совсем не действует на хемотрофные организмы.

Установлено, что цианобактерии является естественным функциональным аналогом
искусственных гербицидов и блокирует транспорт электронов внутри PSII. Хотя между
цианобактерином и другими ингибиторами PSII нет структурного соответствия, в обоих
случаях это гидрофобные галогенизированные молекулы, имеющие сродство к определен-
ным участкам тилакоидной мембраны (Gleason, Wood, 1987).

Мутант Synechocystis sp. R2, высоко устойчивый к атразину и другим искусственным
гербицидам, оказался чувствительным к цианобактерину в концентрации ~110-9 М. В то же
время рост устойчивого к цианобактерину мутанта этого же штамма ингибировался DCMU.
Таким образом, цианобактерии, как и многие другие гербициды, блокирует транспорт элек-
тронов между Qa и Qb, однако имеет свою собственную специфическую мишень (Mallipudi,
Gleason, 1989).

3.5.3. Факультативно аноксигенная фототрофия

Оксигенные фототрофы могут сталкиваться с такими физиологическими ситуациями,
при которых происходит частичная или полная инактивация PSII. Это сказывается на ин-
тенсивности биосинтетических процессов из-за снижения образования низкопотенциально-
го восстановителя и внешне проявляется в уменьшении— вплоть до полного прекраще-
ния — выделения молекулярного кислорода.

В то же время лабильность функциональной организации оксигенного фотосинтетиче-
ского аппарата позволяет ему адаптивно переходить к использованию альтернативных до-
норов электронов, окисление которых не требует участия PSII. На этой основе реализуется
комплексный энергетический и конструктивный процесс, получивший название факульта-
тивно аноксигенного (англ, falcutatively oxygenic) фотосинтеза. Среди всех оксифотобион-
тов только некоторые цианобактерии sensu stricto и некоторые прохлорофиты могут осуще-
ствлять аноксигенную фототрофию, при которой функционирует одна фотосистема (PSI), а
донором электронов служит сульфид.

Сульфид известен как высокоэффективный ингибитор оксигенной фототрофии. Ос-
новной точкой приложения его действия является донорная часть PSII, а точнее сказать -
ОЕС. Анион сульфида неспособен преодолевать барьер СМ, однако находящийся с ним в
равновесии недиссоциированный сероводород свободно достигает внутриклеточных мише-
ней.

Хотя первопричиной факультативно аноксигенной фототрофии служит ингибирование
PSII сульфидом, все последующее развитие событий можно рассматривать как нормальный
физиологический процесс, связанный с адаптивным переходом к использованию сульфида
в качестве альтернативного донора электронов (Friedrich, 1998).

В отличие от многих прокариотных и эукариотных объектов некоторые Cyanobacteria
не только переносят сульфидный стресс, но и могут окислять сульфид. При этом у одних
штаммов полностью подавляется активность PSI1 и они используют PSI совместно с белко-
выми факторами, индуцированными сульфидом, тогда как другие штаммы могут сочетать
аноксигенную фототрофию с оксигенной при относительно высоком содержании сульфида
в окружающей среде (Post, Arieli, 1997).

Классическим примером факультативно аноксигенной цианобактерии служит
Oscillatoria limnetica, впервые изолированная из обогащенного сульфидом анаэробного слоя
гиполимниона оз. Солар-Лейк в районе залива Элат на Синайском полуострове (Cohen et al.,
1975). Она способна использовать сульфид как донор электронов и образовывать побочный
метаболический продукт — элементную серу, которая в виде глобул откладывается на по-
верхности клетки.

В опытах с добавлением сульфида к аэробно растущей культуре О. limnetica регистри-
ровалось быстрое ингибирование PSII, сопровождавшееся снижением скорости фотофос-
форилирования и ассимиляции СО2. В дальнейшем эти процессы почти полностью восста-
навливались, но при этом теряли чувствительность к ингибитору PSII — DCMU, что указы-
вало на их связь с PSI (Cohen et al., 1975).

Электроны сульфида в конечном счете передаются Fd. Последний, в зависимости от
физиологических условий, используется в цикле Кальвина, в нитрогеназной реакции или
реакции выделения водорода, которая катализируется «обратимой» гидрогеназой (Friedrich,
1998).

Аноксигенная фототрофия начинается после кратковременного (2-3 ч) подготовитель-
ного периода на свету при низком парциальном давлении кислорода в присутствии сульфи-
да. Условием адаптации к сульфиду служит синтез белка de novo. Показано, что хлорамфе-
никол, ингибитор трансляции на 70S рибосомах, препятствует переходу О. limnetica к анок-
сигенной фототрофии (Arieli et al., 1991). Таким образом, аноксигенная фототрофия осуще-
ствляется с участием сульфидиндуцируемых белковых факторов. В первую очередь это
сульфид: пластохинон-оксидоредуктаза (англ, sulfide: plastoquinone oxidoreductase, SOR; Mr
57 кДа), которая активна в мембраносвязанной форме. В результате секвенирования N-
концевого участка в составе ее полипептидной цепи выявлен консервативный мотив, харак-
терный для представителей суперсемейства NAD/FAD-содержащих ферментов (Arieli et al.,
1991). Спектральные характеристики очищенного препарата SOR оказались типичными для
флавопротеина. Фермент содержит сайты связывания сульфида и хинона, и роль медиатора
между ними играет флавиновая простетическая группа (Arieli et al., 1994).

Для понимания механизма функционирования SOR принципиальное значение имеет
локализация сегмента электронтранспортной цепи, с которым непосредственно взаимодей-
ствует этот фермент. Согласно результатам ингибиторного анализа, проведенного на ин-
тактных клетках, аноксигенная фототрофия нечувствительна к DCMU, однако ингибирует-
ся блокатором цитохром /?/с(/)-комплекса — дибромтимохиноном (англ, dibromothymo-
quinone, DBMIB). Таким образом, электроны, полученные от сульфида, вливаются в ЕТС на
уровне Q-пула и цитохром ^//-комплекса (Belkin et al., 1987). В опытах с бесклеточными
препаратами, полученными из индуцированных клеток О. limnetica, сульфид проявляет вы-
сокое сродство именно к этому участку электрон-протонофорной цепи (Кт 2-4-10’5 М).
Окисление сульфида сопряжено с транслокацией протонов через тилакоидную мембрану
(Arieli et al., 1991).

Реакция, катализируемая SOR, сильнее подавляется аналогами хинонов, которые про-
являют высокую специфичность по отношению к сайту связывания окисленного хинона в
цитохром b/c(f)-комплексе (см. разд. 3.7.1). Согласно предложенной модели (Arieli et al.,
1991), фермент присоединяется к цитохрому Ь6 в области высокопотенциального гема Ьни
участвует в формировании сайта связывания окисленного хинона. В результате окисления
сульфида электроны передаются PQ-пулу. При окислении восстановленных молекул хино-
на в сайте связывания восстановленного хинона электроны переносятся к акцепторному
участку PSI, где синтезируется восстановитель (FcUa и NADPH).

Помимо О. limnetica способность к факультативно аноксигенной фототрофии с исполь-
зованием сульфида в качестве донора электронов документирована у нитчатых штаммов
Lyngbya и Phormidium, одноклеточных штаммов Synechocystis (Padan, 1979), а также у пред-
ставителя нитчатых прохлорофитов — Prochlorothrix hollandica (Post, Arieli, 1997). В отли-
чие от хлоропластов и большинства цианобактерий, для которых ингибирующая концен-
трация сульфида не превышает 2-10-4 М, клетки Р. hollandica сохраняют до 50% активности
ОЕС при концентрации сульфида свыше 1 мМ. Установлено, что не только сульфид, но и
гидроксиламин подавляют ассимиляцию СО? в концентрации 0,5-5 мМ, что свидетельству-
ст о высокой резистентности донорного участка PSII прохлорофитов к этим ингибиторам.
Как уже указывалось, MSP Р. hollandica более гидрофобен и глубже погружен в мембрану
по сравнению с MSP цианобактерий и Chlorophyceae (Mor et al., 1993), что делает его менее
доступным для воздействия со стороны люменальной полости тилакоида

Способность цианобактерий sensu stricto и прохлорофитов (в особенности последних)
преодолевать сульфидный стресс обеспечивает им селективные преимущества в фито-
планктоне мелких эвтрофицированных озер (Post, Arieli. 1997).

Показано, что помимо сульфида донорами электронов при факультативно аноксиген-
ной фототрофии могут быть и другие соединения, в частности димеркаптопропанол (Belkin
et al., 1984).

3.6. ЭВОЛЮЦИЯ ФОТОСИСТЕМ

Вопрос об эволюции фотосистем выходит за рамки обсуждения вопросов строения ок-
сигенного фотосинтетического аппарата. Это более широкая тема, которая связана с анали-
зом различных вариантов строения реакционных центров у анокси- и оксигенных фото-
трофных бактерий (Schubert et al., 1998).

В соответствии с комплексом фенотипических признаков, к которым в первую очередь
относятся структурно-функциональные особенности фотосинтетического аппарата, все фо-
тотрофные бактерии подразделяются на семь групп (Кондратьева, 1996):

- аноксигенные пурпурные серные (1);

- аноксигенные пурпурные несерные (2);

- аноксигенные квазифототрофныс (3);

- аноксигенные зеленые серные (4);

- аноксигенные зеленые несерные (5);

- аноксигенные гелиобактерии (6);

- оксигенные (7).

На филогенетическом древе Bacteria эти группы сильно дивергируют и распределены
по пяти филам. Представители группы 2 относятся к филе Chloroflexi (BV1), группы 7 — к
филе Cyanobacteria (ВХ), группы 4 — к филе Chlorobi (BXI), групп 1-3 — к филе Proteo-
bactefia (ВХП), группы 6 — к филе Firmicutes (ВХ1П).

Кроме того, что они по-разному относятся к абиотическим факторам среды (pH, темпе-
ратуре, солености воды и т.д.), представители вышеуказанных групп отличаются друг от
друга пигментным составом и морфологией, а также способностью к углерод- и азотавто-1
трофии. Одни из них принадлежат к облигатным, другие — к факультативным анаэробам,
третьи — к аэробам. Негативное отношение к кислороду прежде всего связано с его инги-
бирующим влиянием на биогенез фотосинтетического аппарата.

Наиболее вариабельной фотосинтетической структурой этих бактерий являются свето-
собирающие антенны, что понятно, если принять во внимание их адаптивную роль в конку-
ренции за световую энергию (см. разд. 3.1).

Реакционные центры, напротив, консервативны. В результате комплексного физико-
химического, генетического и физиолого-биохимического анализа установлено, что все они
относятся к одному из двух типов, которые обозначаются как RCI и RCII (табл. 7).

Точная 3-мерная структура реакционного центра типа II реконструирована на примере
пурпурной бактерии Rhodopseudomonas viridis. Для этого потребовались высокоразрешаю-
щий рентгеноструктурный анализ микрокристаллических препаратов и компьютерная обра-
ботка полученных результатов (Deisenltofer et al., 1985). Аналогичные данные для реакци-
онного центра типа I были впервые получены на примере цианобактерии Synechococcus sp.
(KrauB et al., 1996).

Таблица 7. Реакционные центры, фотосистемы и их апопротеины

Фила Реакционный центр Фотосистема Апопротеин
реакционного кор-антетпя
центра
тип I | тип П тип I | тип 11 ТИП1 | типП тип I | тип П

Аноксигенные фототрофы

Firmicutes (ВХШ) RCI - PSH* - (PshA)2 - (PsliA)2 -
Chloroflexi (J3VI) - RC11 - GbRC** - UM*** - -
Chlorobi (В XI) RCI - PS(3**** - (PscA)2 - (PscA)2 -
Proleobacteria (ВХП) - RCn - £"***** - UM - -

Оксигенные фототрофы

Cyanobacteria (BX) RCI RCII PSI PSII PsaA/ PsaB D1/D2 PsaA/ PsaB СР43/ CP47

* «Фотосис тема гелиобактерий» (photosystem of lieliobacteria, PSII).

** «Комплекс реакционного центра зеленых нитчатых бактерий» (green filamentous bacteria reaction centre
complex, GbRC).

*** «Легкая» (light, L) и «средняя» (medium, M) субъединицы.

**** «фотосистема зеленых серных бактерий Chlorohium» (pholosystem of Chlorobium, PSCj.

***** «Комплекс реакционного центра пурпурных несерных бактерий» (purple non-sulfur bacteria reaction
centre complex, PbRC).

Реакционные центры типа I, или «железо-серного» типа (RCI, FeS-RC), образованы
«тяжелым» гетеродимером интегральных полипептидов (2х ~80 кДа), каждый из которых
состоит из И трансмембранных петель-доменов. Экзоплазматичсская сторона функциони-
рующего реакционного центра типа I имеет высокий электропозитивный редокс-потенциал
(-+500 мВ), а цитоплазматическая сторона — высокий электронегативный рсдокс-потен-
циал (—500 мВ). Терминальными акцепторами электронов служат Ред34-кластеры, а с та-
бильным восстановленным продуктом реакционного центра типа I — восстановленный
ферредоксин (Fdreci)-

Реакционные центры типа II, или «хинонового» типа (RCI1, Q-RC), представляют собой
«легкий» гетеродимер интегральных полипептидов (2х ~40 кДа), состоящих из 5 трансмем-
бранных петель-доменов. Экзоплазматическая сторона реакционного центра типа II имеет
высокий электропозитивный редокс-потенциал (от ~ +500 мВ до ~ +1 В), а цитоплазматиче-
ская сторона— низкий электронегативный редокс-потенциал (—100 мВ). Терминальным
акцептором электронов и одновременно с этим стабильным продуктом реакционного цен-
тра типа II является PQH2.

Реакционный центр типа I играет роль единственного реакционного центра гелиобак-
терий, которые относятся к филе Firmicutes (BXIII), и зеленых серных бактерий из филы
Chlorobi (ВXI) (см. табл. 7).
Реакционный центр типа II служит единственным реакционным центром зеленых не-
серных бактерий из филы Chloroflexi (BVI), а также пурпурных серных, пурпурных несер-
ных и квазифототрофных бактерий, которые вместе с хемотрофными «родственниками»
(англ, relatives) входят в филу Proteobacteria (ВХП).

Сочетание реакционных центров типа I и типа II является уникальной особенностью
филы Cyanobacteria (ВХ), к которой принадлежат цианобактерии и их фототрофные родст-
венники.

Взаимно гомологичные тяжелые апопротеины реакционных центров типа I (в случае
PSI это PsaA и PsaB) связывают не только две фотохимически активные молекулы, или
«димер», хлорофилла, но и до 100 светособирающих молекул этого пигмента. Функцию
кор-антенны в реакционных центрах типа I выполняют шесть периферических трансмем-
бранных N-концевых петель-доменов. Центрально ориентированные С-концевые петли-
домены, число которых равно пяти, непосредственно участвуют в формировании реакцион-
ного центра (рис. 23).

В отличие от этого взаимно гомологичные легкие апопротеины реакционных центров
типа II (для PSII это PsbA и PsbD) имеют по пять трансмембранных петель-доменов и не
связывают светособирающих хлорофиллов. Роль апопротеинов кор-антенны в данном слу-
чае играют взаимно гомологичные субъединицы с шестью трансмембранными петлями-
доменами каждая. Для PSII оксигенных фототрофов из филы Cyanobacteria это субъедини-
цы PsbB и PsbC (фотосистемы зеленых нитчатых и пурпурных бактерий вообще не имеют
кор-антенн).

N-концевые и С-концевые участки этих апопротеинов экспонированы на стромальной
поверхности мембраны. Субъединицы кор-антенны расположены по обе стороны от ядра
реакционного центра и совместно связывают до нескольких десятков молекул хлорофилла
(рис. 23).

Как уже отмечалось (см. разд. 3.5), реакционный центр PSII имеет в основе димер субъ-
единиц D1/D2, дополненный кор-антенной из субъединиц СР43/СР47. У хлоробионтов
такая кор-антенна структурно независима от внутренней и периферической антенн, содер-
жащих хлорофиллы а!Ь\ в частности, она независима от основного светособирающего ком-
плекса LHCII (см. разд. 3.3.1). По аналогии с PSII цианобактерий и других оксифотобионтов
фотосистемы типа II зеленых нитчатых бактерий (GbRC) и пурпурных бактерий (PbRC)
также не выполняют антенной функции.

Между субъединицами этих реакционных центров (L/M) и субъединицами PSII
(D1/D2) существует гомология аминокислотных последовательностей. На основе этого
предполагается, что ядро PSII эволюционировало от единственной фотосистемы пурпурных
бактерий.

Пространственная структура субъединиц ядра реакционного центра типа II, а также его
кор-антенны сходна со структурой соответствующих доменов тяжелых апопротеинов реак-
ционного центра типа I. Это подтверждается сравнением данных молекулярного секвениро-
вания (Schubert et al., 1998; Barber et al., 1999). Весьма вероятно, что предковый ген psaA-
типа, который кодировал полипептид с 11 трансмембранными доменами, в ходе эволюции
фрагментировался с образованием гена субъединицы D2 реакционного центра и гена субъе-
диницы СР47 кор-антенны (рис. 23,а). Аналогичным образом, предковый ген р.шВ-типа мо-
жет рассматриваться как эволюционный предшественник генов субъединиц D1 и СР43
(рис. 23,6).
PsaA

PsaB

NH3+

Рис. 23. Схема доменного строения и эволюционная взаимосвязь
главных интегральных субъединиц фотосистем I и II.

Объяснение в тексте, а - эволюция мономера PsaA; б - эволюция мономера PsaB; темные
блоки - домены реакционного цен тра; светлые блоки - домены кор-антенны.
Вопрос об эволюции фотосистем тесно связан с проблемой происхождения оксигенно-
го фотосинтеза. Как показывают результаты сравнительного анализа, фотосистемы Proteo-
bacteria и Chloroflexi более примитивны по сравнению со сложным комплексом PS11
Cyanobacteria и пластид. В то же время фотосистемы Firmicutes и Chlorobi немного архаич-
нее PSI (Schubert et al., 1998). '

Однако этих фактов еще недостаточно для далеко идущих выводов о происхождении
оксигенного фотосинтетического аппарата, работа которого основана на совместном дейст-
вии двух фотосистем. Сравнительные данные молекулярного секвенирования в настоящее
время получены только для субъединиц PSI и PSII, а полный набор «фотосинтетических»
генов, в частности ответственных за синтез апопротеинов реакционных центров, цитохро-
мов, (бактсрио)хлорофилла и каротиноидов, проанализирован только для R. capsulatus,
Heliobacillus mobilis и Synechocystis sp. РСС 6803.

Выдвинуты три основные гипотезы о происхождении фотосистем оксигенного фото-
синтетического аппарата. Они основаны на результатах определения гомологии полипепти-
дов реакционных центров, а также на данных о составе переносчиков и значениях их ре-
докс-потенциала; в меньшей степени — на результатах комплексного филогенетического
анализа генных структур.

Согласно первой гипотезе, на раннем этапе эволюции существовали Cyanobacteria-
подобные организмы, имевшие реакционные центры обоих типов (Olson, Pierson. 1987). В
результате избирательной потери одного из них сформировались современные аноксиген-
ные фототрофные бактерии, сохранившие реакционные центры типа 1 или типа II. Эта ги-
потеза противоречит данным комплексного филогенетического анализа, согласно которым
фотосинтетические гены у аноксигенных организмов более древние, чем у оксигенных фо-
тотрофов (Xiong et а!.. 1998; 2000).

Вторая гипотеза допускает возможность исходно независимого эволюционного фор-
мирования реакционных центров типа 1 и типа II в различных филогенетических линиях
аноксигенных фототрофных бактерий. Их общим предком мог быть гипотетический орга-
низм с единственным гомодимерным реакционным центром (Mathis, 1990). В результате
латерального переноса генов произошло объединение двух фотосистем, а приобретение в
дополнение к этому кислородвыделяющего комплекса привело к появлению первых
Cyanobacteria. В пользу такого сценария говорят результаты комплексного филогенетиче-
ского анализа (Xiong et al., 1998; 2000), но с ним не согласуются данные о гомологии поли-
пептидов СР43/СР47 и выполняющего функцию кор-антенны N-концевого домена в составе
мономера реакционного центра типа I.

По третьей гипотезе PSI и PSII произошли от фотосистемы типа I, напоминающей'
единственную фотосистему Firmicutes и Chlorobi (Vermaas, 1994). В результате генной дуб-
ликации и последующей дивергенции на основе гомодимера возник гетеродимерный реак-
ционный центр типа I. В свою очередь, реакционный центр типа RCII произошел путем
фрагментации предкового гена, дупликации оперона и потери способности кодируемого
апопротеина связывать FeS-кластеры. Если допустить такой ход событий, то филы
Firmicutes и Chlorobi должны быть архаичнее фил Cyanobacteria и Proteobacteria. Хотя ре-
зультаты комплексного филогенетического анализа не согласуются с последним выводом
(Xiong et al., 1998; 2000), подтверждающим аргументом служит сходство одного из доменов
тяжелого апопротеина реакционного центра типа I и ядра реакционного центра типа II
(рис. 23). На современном этапе изучения оксигенной фототрофии именно эта гипотеза мо-
жет считаться рабочей (Mulkidjanian, Junge, 1997).
3.7. МЕДИАТОРЫ ЭЛЕКТРОН-ПРОТОНОФОРНОЙ ЦЕПИ

3.7.1. Цитохром />//-комплекс

Если считать конечным результатом работы фотосинтетического аппарата ассимиля-
цию энергии, то такой тип генератора PMF можно интерпретировать как цитохром /Ус(/)-
комплскс (см. разд. 1.3), дополненный пигментными системами, которые поглощают свето-
вую энергию и преобразуют ее в химическую.

Рассматривая фотосинтетический аппарат под иным углом зрения, мы можем считать
цитохром Ь/с(/)-комплекс главным медиатором (посредником) электрон-протонофорной
цепи. Она создаст PMF, а в случае оксигенной фототрофии образует низкопотенциальный
восстановитель (в акцептороном участке PSI) за счет поступления электронов от воды (что
обеспечивает PSII).

Цитохром й/с-комплексы аноксигенных фототрофов и цитохром ^//'-комплексы окси-
генных фототрофов имеют сходную 3-мерную структуру, и их компоненты обнаруживают
высокую гомологию с соответствующими компонентами цитохром /?/с-комплексов дыха-
тельной цепи хемотрофных организмов (Schutz et al., 2000). Общим признаком цитохром
/?/с(/)-комплексов служит наличие четырех простстичсских групп, переносящих электроны.
Две из них имеют высокий редокс-потснциал (>+250 мВ), две другие — относительно низ-
кий редокс-потенциал (<0 мВ).

До сих пор открыт вопрос о том, в какой форме — мономерной или димерной — функ-
ционирует in situ цитохром /?//-комплекс Cyanobacteria и пластид (Anderson, 1992; Kallas,
1994). ’

Мономерный цитохром Л/Д ко мп ле кс (рис. 24) состоит из четырех полипептидных
субъединиц:

- апоцитохрома/(/557; Мг31,2-33 кДа; гснреМ);

- белка Риске (англ. Rieske protein; Mr 19,2-20 кДа; ген petC)',

- апоцитохрома (Z?563; Mr 23-24,3 кДа; ген petB\,

- субъединицы IV (Mr 17-17,5 кДа; ген petD).

Все они представлены в голокомплексе единственной копией. Помимо этого в составе
цитохром ^//-комплекса хлоропластов кукурузы и ряда других Viridiplantae, а также циа-
нелл обнаружена дополнительная субъединица V (М, 4,1—4,5 кДа; ген pe.tF) (Anderson, 1992;
Malkin, 1992; Kallas, 1994).

В хромосоме цианобактерии Nostoc sp. гены, кодирующие полипептидные субъедини-
цы цитохром ^//’-комплекса, объединены в два оперона (релСА и petBD). У хлоропластов
гены petB и petD входят в состав генома органеллы и образуют общий оперон
(psbBNHpetBD') с тремя генами, кодирующими минорные полипептиды PSII (Kallas, 1994).
Что касается гена белка Риске, то он принадлежит к числу' ядерных.

Молекулярный механизм функционирования цитохром &/с(/)-комплекса, известный
под названием «Р»-цикла, был в деталях прогнозирован Питером Митчелом (Р. Mitchell) в
1975-1976-х годах. Впоследствии этот гипотетический путь создания PMF получил исчер-
пывающее экспериментальное подтверждение. В настоящее время показано, что на поверх-
ности цитохром Ь/с(/)-комплекса, преимущественно на апоцитохроме &6, имеются два по-
лярно расположенных сайта связывания хинона, один из которых — QOK-cahr (сокр. англ,
oxidation), или Qp-сайт (сокр. англ, positive), локализован вблизи экзоплазматической, более
электропозитивной поверхности мембраны. В нем происходит окисление восстановленно-
го хинона (QH2). Другой из них — Qred-canr (сокр. англ, reduction), или Qn-cairr (сокр. англ.
Рис. 24. Цитохром £>//-комплекс.

b - цитохром b; IV - субъединица IV; R - белок Риске; f - цитохром /; Н и L - высокопотенциальный и
низкопотенциальный гемы цитохрома/, Q - полностью окисленный хинон; QH2- полностью восстановленный
хинон; (Q)n - хиноновый пул. Сверху - цитоплазматическая, снизу - экзоплазматическая сторона мембраны.

negative), расположен вблизи цитоплазматической, более электронегативной поверхности
мембраны. В этом сайте происходит восстановление окисленного хинона (Q).

Восстановленный хинон (QH2) связывается Оох-сайтом, после чего последовательно
донирует два электрона (рис. 24). Первый электрон передается Ге282-кластеру белка Риске,
от него — гему связанного цитохрома f, который, в свою очередь, восстанавливает низко-
потенциальный эпимембранный акцептор (Рс или цитохром с-типа). В результате первого
акта окисления восстановленный хинон превращается в более низкопотенциальный семи-
хинон (QH), который немедленно восстанавливает расположенный по соседству от QM-
сайта первый, низкопотенциальный, гем bL цитохрома b (сокр. англ, low potential). Гем bL
быстро восстанавливает второй, высокопотенциальный, гем Ьн цитохрома b (сокр. англ,
high potential), находящийся на противоположной стороне мембраны поблизости от Qred-
сайта. Затем гем Ьн восстанавливает молекулу окисленнного хинона (Q) до семихинона
(QH ), который остается в Qred-сайте. После второго оборота Q-цикла семихинон превраща-
ется в полностью восстановленный хинон (QH2). Он имеет низкое сродство к Qre<j-cafiTy и
высвобождается в липидную фазу мембраны, где вливается в состав смешанного пула окис-
ленных и восстановленных молекул хинона («хиноновый», или Q-пул).
Таким образом, полное восстановление одной молекулы хинона достигается за два
полных оборота Q-цикла. При этом окисляются две молекулы QH2, два электрона переда-
ются растворимому низкопотенциальному акцептору (Рс или цитохрому с-типа) и четыре
протона переносятся в экзоплазматическое пространство. Пополнение расходуемых моле-
кул QH2 осуществляется в результате 2-электронного восстановления молекул Q, которые
случайным образом заимствуются из Q-пула. При фототрофии образование QH2 произво-
дится неферментативным путем в акцепторном участке реакционного центра. При хемо-
трофии QH2 образуется в результате ферментативной оксидоредуктазной реакции, и доно-
рами электронов служат субстраты дыхательной цепи.

Самая крупная субъединица цитохром W/-комплекса — цитохром f имеет асиммет-
ричную форму. С-концевой участок экспонирован на цитоплазматической (стромальной)
поверхности мембраны тилакоида. Основная часть молекулы относительно гидрофильна и
ассоциирована с электропозитивной люменальной поверхностью, что способствует взаимо-
действию с низкопотенциальным акцептором электронов (Рс или растворимым цитохромом
с-типа), локализованным в интратилакоидном пространстве. Простетическая группа цито-
хрома f представляет собой гем с-типа, характеризующийся высоким редокс-потенциалом
(от +365 до +318 мВ). Он соединен с апопротеином двумя тиоэфирными связями через ос-
татки Cys, входящие в состав консервативной последовательности Cys-x-x-Cys-His, распо-
ложенной в N-концевом участке полипептидной цепи (Malkin, 1992; Kallas, 1994).

Цитохром Ьь и субъединица IV представляют собой наиболее гидрофобные компонен-
ты комплекса и имеют соответственно четыре и три трансмембранных а-спиральных доме-
на. Простетические группы цитохрома Ь6 - это гемы b-типа (bL и Ьн), которые характеризу-
ются относительно низкими значениями редокс-потснциала (-150 и -45 мВ в случае хлоро-
пластов шпината). Оба гема ковалентно связаны с двумя остатками His (Kallas, 1994). Та-
ким образом, в составе апопротеина цитохрома Ьв есть четыре консервативных His-сайта,
находящиеся в трансмембранном домене II в положениях 86 и 101, а также домене IV в по-
ложениях 187 и 202.

Цитохром Ь6 вместе с субъединицей IV формируют -два каталитических центра (Qox и
Qred). Как уже указывалось, в них происходит окисление и восстановление хинона, что обес-
печивает транс локацию Н+ и е” через мембрану тилакоида.

Цитохром Ь6 и субъединица IV гомологичны соответственно N- и С-терминальным
участкам цитохрома Ь, входящего в состав дыхательной цепи бактерий и митохондрий.
Предполагается, что предковый ген, кодировавший полипептид с семью трансмембранны-
ми доменами, в ходе эволюции был фрагментирован на ген апоцитохрома Ь6 и ген субъеди-
ницы IV. «Усеченная» форма апоцитохрома b характерна для Cyanobacteria и пластид, то-
гда как модифицированные варианты белка-прототипа сохранились у архей, пурпурных и
зеленых бактерий, а также митохондрий (Castresana et al., 1995). В частности, у зеленых
серных бактерий (Chlorobi) цитохром b имеет семь трансмембранных доменов, что эквива-
лентно структурному объединению цитохрома Z?6 и субъединицы IV (Schutz et al., 2000).

Белок Риске, или железо-серный белок (англ, iron-sulfur protein, ISP), характеризуется
высоким редокс-потенциалом (от +280 до +320 мВ). В его составе есть гидрофобный фраг-
мент, расположенный близко от N-конца полипептидной цепи, — это единственный транс-
мембранный домен данной субъединицы. Локализация простетической Fe2S2-rpynnbi опре-
деляется двумя консервативными последовательностями (Cys-Thr-His-Leu-Gly-Cys-Val и
Cys-Pro-Cys-His-Gly-Ser), находящимися в С-концевом участке и разделенными вариабель-
ной последовательностью из 14 аминокислотных остатков (Malkin, 1992). Для связывания
простетической группы, по-видимому, используются остатки His и Cys, входящие в выше-
указанные консервативные последовательности (в случае цианобактерии Nostoc sp. это со-
ответственно His-llO/Cys-ИЗ и Cys-126/His-129). Использование остатков His в качестве
компонентов лигандной сферы отличает ISP от ферредоксинов, у которых лигандирование
FeS-кластеров осуществляется только через Cys-остатки. Простатическая группа ISP ассо-
циирована с рох-сайтом и локализована вблизи люменальной поверхности мембраны
(Kallas, 1994).

Согласно данным рентгеноструктурного анализа пурпурной несерной бактерии R.
capsulatus, С-концевой участок молекулы ISP обладает механической подвижностью, что
способствует передаче электрона от рох-сайта к цитохрому с. Механизм подвижности непо-
средственно связан с конформационными изменениями в том участке молекулы, который
ассоциирован с аминокислотными остатками в позиции 43/49 и соединяет зафиксирован-
ный в мембране гидрофобный N-концевой домен с наружным С-концевым. Мутации по
этому участку полипептидной цепи приводят к значительному7 снижению или полной поте-
ре активности цитохром 6/с-комплекса (Darrouzet et al., 2000).

Цитохром b6//-ко мп леке хлоропластов располагается во всех областях ламеллярной
системы— в тилакоидах стромы и гран, в пограничных участках на изгибе гранальных
мембран, в концевых гранальных мембранах и в местах соединения тилакоидов гран с ти-
лакоидами стромы (Норс, 1993). Такое гомогенное латеральное распределение цитохром
b(Jf-комплекса отличается от гетерогенной локализации других интегральных мультиполи-
пептидных комплексов в тилакоидных мембранах хлоропластов.

Как уже было отмечено, цитохром bjf-комплекс занимает центральное положение в
фотосинтетической цепи, обеспечивая транспорт электронов от молекул воды к окисленно-
му Fd, а также циклический транспорт электронов вокруг PSL Помимо этого цитохром bjf-
комплскс регулирует переход состояний 1Н2, поскольку его рсдокс-статус влияет на акти-
вацию LHCII-киназы.

По некоторым данным, цитохром £6//-комплекс способен к латеральному перемеще-
нию вместе с LHCII (Anderson, 1992). Однако нс исключено, что он может образовывать
эфемерные ассоциации с PSI, сосредоточенной в стромальных участках (Kallas, 1994). По-
добные «суперкомплсксы» привлекают к себе повышенный интерес в связи с участием ци-
тохром b6lf- комплекса в распределении энергии между двумя фотосистемами.

3.7.2. Медиаторы, ассоциированные с фотосистемой I

Активированный дальним красным светом (>700 нм) реакционный центр PSI выполня-
ет функцию донора электронов для медиаторов, или вспомогательных переносчиков элект
тронов, которые расположены на цитоплазматической поверхности тилакоида. Получает же
он электроны от медиаторов, расположенных на противоположной, экзоплазматической,
поверхности (см. рис. 4).

Медиаторы, ассоциированные с акцепторным участком PSL Акцепторный участок
PS1 взаимодействует с цитохром ^//-комплексом с помощью двух взаимозаменяемых эпи-
мембранных медиаторов — пластоцианина (англ, plastocyanin, Рс) и цитохрома с6 (с553). В
функциональном отношении оба они эквивалентны цитохрому с2 пурпурных бактерий, ци-
тохромам с-типа хемотрофных бактерий, а также цитохрому с2 митохондрий (Laudenbach et
al., 1990).

В клетках цианобактерий цитохром с553 служит компонентом бифункциональной фо-
тосинтетической и дыхательной цепи. Этим он отличается от Рс, который играет роль ис-
ключительно фотосинтетического медиатора. По-видимому, в процессе эволюции хлоро-
пластов Chlorophyceae и высших растений произошла замена цитохрома с-типа на Рс
(Geerts et al., 1994).

Рс — это содержащий медь, окрашенный в голубой цвет белок (Мг 10,2 кДа), кодируе-
мый геном petE. Растворимый пул молекул Рс сосредоточен в люменальном пространстве и
служит резервом медиатора, вступающего во взаимодействие с Р700+ (см. рис. 4). Как и в
случае цитохрома с553, связь между Рс и реакционным центром определяется электриче-
ским зарядом, однако неизвестно, какова ее прочность (Geerts et al., 1994).

Благодаря валентному переходу, происходящему в активном центре Рс (Си2+ <-> Си+),
этот белок выполняет роль лабильного переносчика электронов, которые непосредственно
поступают от цитохрома/ 557 и передаются Р700+.

Функциональной альтернативой Рс выступает цитохром с6. Он представляет собой ло-
кализованный в люменальном компартменте белок (Мг 9 кДа), кодируемый геном petJ, Его
аналогом у цианобактерий служит цитохром с553 (ген сугА). По разным данным, рсдокс-
потенциал с553 составляет от +350 до +400 мВ (Laudenbach et al., 1990).

Рс и цитохром с553 не одинаково представлены у оксифотобионтов. В частности, Рс
распространен у всех высших растений, однако отсутствует у эукариотных водорослей —
исключение составляют Chlorophyceae, у которых он может адаптивно замещаться цито-
хромом с553. Различные представители Cyanobacteria содержат Рс и/или цитохром с553,
причем уровень дифференциальной экспрессии соответствующих генов регулируется со-
держанием ионов Сп2+ в окружающей среде (Sandman, 1986). Дефицит меди стимулирует
синтез мРНК, кодирующей апоцитохром с553. В результате этого происходит смена донора
электронов для Р700+ (Laudenbach et al., 1990; Geerts et al., 1994).

Медиаторы, ассоциированные с донорным участком PSL В роли эпимембраиного
акцептора электронов от PS1 выступает растворимый белок ферредоксин I, или просто
«ферредоксин» (англ, ferredoxin, Fd). Этот медиатор содержит низкопотенциальный Fe2S2-
ценгр, который получает электрон от Fc4S4-кластера, связанного с субъединицей PsaC и
выполняющего функцию одного из вторичных акцепторов реакционного центра PSI (см.
рис. 21). Восстановленный ферредоксин используется как донор электронов в ферредоксин:
NADP-оксидоредуктазной реакции (Morand et al., 1994).

На раннем этапе изучения биосинтетических процессов, происходящих в хлоропла-
стах, не раз высказывались предположения о том, что эти органеллы неспособны к фотоза-
висимому восстановлению пиридиновых нуклеотидов. В модельных системах с изолиро-
ванными хлоропластами наблюдалось только восстановление искусственных акцепторов
(реагентов Хилла) с редокс-потенциалом порядка +50 мВ.

Восстановление NADP, индуцированное светом, впервые было продемонстрировано
лишь в начале 1950-х годов, и тогда же стало ясно, что для этого необходим какой-то низ-
копотенциальный посредник. Соответствующий редокс-агент был обнаружен только в кон-
це 1960-х годов. Он оказался аналогичен ферредоксину анаэробной азотфиксирующей бак-
терии Clostridiumpasteurianum (см.: Arnon, 1988).

Ферредоксин I (Мг 10,6 кДа; ген petFI) обладает сильно выраженными кислотными
свойствами и в отличие от своих партнеров — донора (Ее484-кластера субъединицы PsaC) и
акцептора (Fd: NADP-оксидоредуктазы) — очень слабо связан с тилакоидом. По-видимому,
такое свойство ферредоксина имеет глубокий физиологический смысл и обеспечивает ди-
намическое взаимодействие этого переносчика не только с Fd: NADP-оксидоредуктазой, но
также с нитритредуктазой, сульфатредуктазой, тиоредоксинредуктазой и другими физиоло-
гическими акцепторами электронов.
В результате анализа различных представителей оксифотобионтов к настоящему вре-
мени выделено и секвенировано более 40 представителей Ре232-феррсдоксинов. У циано-
бактерий и растений они оказались высоко гомологичными (Morand et al., 1994). Ферредок-
сины в эволюционном плане консервативные белки— они имеют сходное строение не
только внутри группы бактерий или группы архей; сходство этих белков обнаруживается и
на интердоменном уровне (Меуег, 1988).

По имеющимся данным, Fd цианобактерий и хлоропластов высших растений представ-
лен множественными формами, которые обозначаются римскими цифрами I, II и т.д. в со-
ответствии с последовательностью элюции с хроматографической колонки, причем только
для Fdl дополнительно известно 16 вариантов, а для Fdll - два варианта. Они отличаются
друг от друга особенностями первичной структуры, величиной редокс-потенциала, относи-
тельным содержанием в клетке и рядом других признаков. Так, у одного из штаммов
Spirulina sp. редокс-потенциал Fdl и Fdll составляет -390 и -310 мВ, тогда каку Nostoc sp.
штамм МАС он равен соответственно -350 и -455 мВ. На примере кукурузы показано, что
у высших растений гены для Fdl-IV дифференциально экспрессируются в зависимости от
условий освещения и локализации в различных тканях и органах растения. По-видимому,
индивидуальные формы Fdred специфически участвуют в различных биосинтетических ре-
акциях, например в глутаматсинтазной, гемоксигеназной и протохлорофиллидредуктазной
реакциях (Morand el al., 1994).

В условиях голодания по железу у цианобактерий наблюдается ускоренная деградация
апопротеина Fdl, и он замещается флавопротеином — флаводоксином (англ, flavodoxin,
Flvd). Однако известны штаммы цианобактерий, которые вообще не синтезируют Flvd, в то
время как в гетероцистах и пластидах Rhodophyceae он может образовываться конститутив-
ным путем. Установлено, что условия стресса влияют на образование Flvd на уровне транс-
крипции при том, что количество мРНК, транскрибируемой с гена petFI, совершенно не
зависит от изменения содержания ионов Fe3+. Замещение Fd этим функциональным анало-
гом никогда не может быть полным — делеционные мутанты цианобактерий по гену petFI
нежизнеспособны (Morand et al., 1994).

Flvd— это кислый белок (Мг 18 кДа; ген isiB), его простетической группой служит
FMN. Редокс-потенциал промежуточной восстановленной (до семихинона) формы состав-
ляет от -50 до -244 мВ, а редокс-потенциал полностью восстановленной (до гидрохинона)
формы по разным сообщениям варьирует в пределах от -370 до -450 мВ.

Восстановленные формы двух медиаторов — Fdred и Flvdred — альтернативно выполня-
ют одну и ту же функцию, участвуя в каталитическом переносе электронов от физиологиче-
ского донора (PSI) к акцептору, роль которого играет Fd/Flvd: NADP-оксидоредуктаза
(англ, ferredoxin/flavodoxin: NADP-oxidoreductase, FNR). Оба медиатора получают электро-
ны от Ре484-кластера субъединицы PsaC. Помимо FNR они могут передавать электроны ря-
ду других физиологических акцепторов.

FNR осуществляет каталитическое восстановление NADP за счет Frred или Flvdred- У
цианобактерий в состав голофермента входит полипептид с Мг 43-55 кДа (ген petH) и кова-
лентно присоединенная к нему простетическая группа - FAD. Для различных объектов ре-
докс-потенциал реакции 2-электронного переноса составляет от -320 до -370 мВ (Morand et
al., 1994).

Связь FNR с мембраной тилакоида не прочна. Пластиды, а также, по-видимому, про-
хлорофиты. имеют особый FNR-связывающий docking-белок— Petl. У цианобактерий же
взаимодействие FNR с тилакоидом осуществляется через дистальные участки перифериче-
ских стержней PBS (Бекасова, 1993; Morland et al., 1994). По-видимому, заякоривание FNR
на PBS происходит с помощью N-концевой последовательности полипептидной цепи. Фи-
зиологическое значение этой ассоциации не выяснено, хотя можно допустить, что таким
образом достигается стабилизация FNR и оптимизируется перенос электронов от PSI к ка-
талитическому центру фермента.

Интересно, что у цианобактерий FNR частично существует в виде ацилированного про-
изводного. Предполагается, что это обеспечивает специфический таргетинг, в результате чего
фермент взаимодействует с СМ, выполняя роль дегидрогеназы для дыхательной цепи.

Восстановительные процессы, инициируемые донорным участком PSI: цикличе-
ский путь. Помимо рассмотренной реакции ферментативного восстановления NADP, кото-
рая завершает прямой — линейный (англ, linear), или нециклический (англ, попсуclic), путь
электронов от воды к Fd (см. рис. 4), существует еще так называемый циклический (англ,
cyclic) путь электронов вокруг PSI (рис. 25).

В нем, как и в линейном пути, участвуют цитохром ^//-комплекс и PQ-пул. Однако
транспорт электронов идет в обход PSII, которая в случае нециклического пути выполняет
роль источника электронов для образования низкопотенциального восстановителя. Поэтому
единственным непосредственным результатом циклического пути становится создание PMF.

Синтез АТР, вторичный по отношению к этому процессу, по традиции неудачно назы-
вают циклическим фотофосфорилированием (англ, cyclic photophosphorylation). На самом
деле мембранное фосфорилирование служит одним из способов утилизации ассимилиро-
ванной свободной энергии и, вопреки своему названию, представляет собой векторную ре-
акцию, к тому же индифферентную к свету.

Циклический путь может быть продемонстрирован in vivo или в инкубационных сис-
темах с изолированными хлоропластами, а также на мембранных препаратах, содержащих
фрагменты тилакоидов. В двух последних случаях необходимо добавление экзогенных ре-
докс-агентов. Каков удельный вес этого процесса по отношению к нециклическому пути и
реакции Мелера (см. ниже), до сих пор не ясно. По имеющимся данным, максимальный
уровень циклического транспорта не превышает 10% уровня транспорта по нециклическо-
му пути. В некоторых ситуациях, например приуроченных к таким специализированным
клеткам, как гетероцисты цианобактерий или клетки обкладки С4-растений, участие цикли-
ческого пули в суммарном процессе транспорта электронов существенно возрастает (Raven
et al., 1999).

Перенос электронов от Fdred (или Flvdred) к пластохиноновому пулу может осуществ-
ляться как по полному, так и по сокращенному варианту (см. рис. 25). В первом случае в
нем участвует Н+-транслоцирующая NAD(P)H: PQ-оксидоредуктаза, или NAD(P)H-
дегидрогеназа (англ. NAD(P)H dehydrogenase, NDH). В сокращенном варианте восстановле-
ние PQ-пула происходит без участия NDH, при помощи Fd: хинон-редуктазы (англ,
ferredoxin-quinone reductase, FQR), не выполняющей функцию протонофора (Bendall,
Manasse, 1995).

В отличие от FQR, которая до сих пор не охарактеризована на молекулярном уровне,
данные о NDH довольно многочисленны (см. разд. 1.3 и 5.2.1). Гены ndh, кодирующие этот
комплекс, содержатся в геноме цианобактерий и в пластидном геноме хлоробионтов (Raven
et al., 1999). В составе пластидных геномов родобионтов и хромобионтов они не обнаруже-
ны. О том, что гены ndh имеют ядерную локализацию, косвенно свидетельствует функцио-
нирование циклического пути и «хлородыхания» (см. разд. 5.2.1) у организмов, которые не
имеют пластидных ndh-генов.
Рис. 25. Функциональная схема циклического пути электронов вокруг PSI.

PSI - фотосистема I; Р700+ - окисленный первичный донор; Р700* - возбужденный первичный донор; Ао
и А| - первичный и вторичный акцепторы; Fx, FA и FB - промежуточные акцепторы; Fd - ферредоксин; PQ -
пластохиноновый пул; b/f- цитохром ^//-комплекс; 6l и Ьц - низкопотенциальный и высокопотенциальный ге-
мы цитохрома 6563;/- цитохром/557; Fr - железосерный кластер белка Риске; Рс - пластоцианин; FQR - фер-
редоксин: хинонредуктаза; NDH - NAD(P)H: пластохинон-оксидоредуктаза.

Сверху - цитоплазматическая, снизу - экзоплазматическая сторона мембраны.
Для цианобактерий характерен относительно высокий уровень экспрессии лг/й-генов,
что неудивительно, поскольку у них этот фермент активно функционирует в темновом ды-
хании. Напротив, пластидные п^й-гсны слабо экспрессируются по сравнению с генами, ко-
дирующими медиаторы линейного пути. Низкое содержание этого фермента отчасти ком-
пенсируется его высокой удельной активностью.

NDH, несомненно, является компонентом циклической цепи транспорта электронов
вокруг PS1. Однако мутации по /л/й-гснам не влияют на жизнеспособность цианобактерий
при оптимальных условиях роста, что предполагает наличие обходного циклического пути
с наиболее вероятным участием в нем FQR (Raven et al., 1999).

Восстановительные процессы, инициируемые донорным участком PSI: реакция
Мелера и окислительный стресс. Пероксидазная реакция «мелерова» типа (A. Mehler)
состоит из двух этапов — спонтанного и ферментативного. На первом этапе происходит
автоокисление акцепторного участка PSI с одноэлектронным восстановлением молекулы
кислорода. На втором этапе продукт восстановления кислорода — супероксидный анион-
радикал (Оз”-) — с помощью супсроксиддисмутазы (англ, superoxide dismutase, SOD) пре-
вращается в перекись водорода (Н2О2).

Донорами электронов для кислорода могут быть промежуточные переносчики реакци-
онного центра (в частности, FB), а также Fdred- В обоих случаях продуктом реакции оказыва-
ется супероксидный анион-радикал, который проявляет высокую реакционную способность
и высокую стабильность в гидрофобной среде. Напротив, в гидрофильной среде он высту-
пает в роли слабого восстановителя или окислителя, а также быстро подвергается спонтан-
ной дисмутации (Gille, Sigler, 1995).

Неферментативное удаление супероксида происходит с помощью трех различных ре-
акций, протекающих с участием его протонированной формы — гидропероксильного
радикала (НО2-) и свободных протонов:

НО2. + НО2- -э Н2О2 + 'О2,
НО2- + О2’- + Н+ -> Н2О2 + JO2,
О2 • + О2 '• + 2Н+ -> Н2О2 +

(29)

Как следует из приведенных уравнений, во всех реакциях образуется перекись водоро-
да (Н2О2) и синглетный кислород (!О2). Накопление метастабильного синглетного кислоро-
да служит важным элементом «окислительного» стресса.

Будучи нуклеофилом, этот токсический агент легко вступает в оксигеназные реакции,
приводящие к различным функциональным повреждениям в результате образования гидро-
перекисных и перекисных производных молекул, содержащих двойные и особенно конъю-
гированные двойные связи.

На уровне оксигенного фотосинтетического аппарата цепные реакции образования пе-
рекисей начинаются с того, что активные формы кислорода атакуют полинснасыщенные
жирные кислоты, которыми особенно богаты липиды тилакоидных мембран. После ини-
циирования эти реакции приобретают автокаталитический характер, что в конечном счете
может привести к деструкции ламеллярной системы. На пути разрушительного процесса
встают антиоксиданты, роль которых, в частности, могут играть каротиноиды (Edge et al.,
1997).

В присутствии ионов металла с переходной валентностью, прежде всего Fe27Fe3+, су-
пероксидный радикал способствует неферментативному диспропорционированию перекиси
водорода. В реакциях, описываемых суммарным уравнением Габера-Вайса (F. Haber,
J. Weiss), образуется не только синглетный кислород, но и гидроксильный радикал (НО ):

О2"- + Н2О2 JO2 + ОН" + НО-. (30)

Гидроксильный радикал представляет собой сильнейший универсальный окислитель,
имеющий редокс-потенциал порядка +2,7 В и вызывающий множественные неспецифиче-
ские повреждения биологических структур (см.: Touati, 2000). Как уже указывалось (см.
главу 2), синглетный кислород, супероксид, гидроксильный радикал и перекись водорода
относятся к так называемым «активным» формам кислорода (англ, reactive oxygen species,
ROS). Защитный биологический механизм, который предотвращает накопление ROS при
развитии событий по сценариям, суммированным в уравнениях (29) и (30), связан с дейст-
вием трех ферментных систем - супероксиддисмутазной, каталазной и пероксидазной.

Реакция, катализируемая SOD, аналогична реакции (29), однако ее продуктом является
не синглетный, а неактивный триплетный кислород.

Перекись водорода подвергается ферментативной дисмугации под действием каталазы или
восстанавливается до воды с помощью пероксидазной системы. У цианобактерий и хлоропла-
стов восстановителями перекиси водорода служат глутатион или аскорбат, восполнение пула
которых осуществляется в результате окисления NADPH (Niyogi, 2000). Некоторые из этих
ферментов относятся к растворимым, тогда как другие, например супероксиддисмутаза и аскор-
бат-пероксидаза, прикреплены к мембране тилакоида (Raven et al., 1999).

Пероксидазную реакцию Мелера следует рассматривать как конечное ответвление, а не
параллельный вариант линейного пути транспорта электронов, и поэтому использование в
связи с ней термина «псевдоциклическое» фосфорилирование (англ, pseudocyclic
phosphorylation), едва ли оправданно.

Комплекс реакций Мелера иногда называют циклом «вода-вода» (англ, water-waler
cycle), поскольку электроны, получаемые от молекул воды с помощью PSII, используются
для образования воды же, но с помощью PSI (Asada, 1999). Этот цикл поглощает избыточ-
ные низкопотенциальные электроны, что уменьшает ассимилирующую силу и, соответст-
венно, сокращает расход АТР в конструктивных процессах.

3.7.3. Медиаторы, ассоциированные с фотосистемой II

Активированный ближним красным светом (<680 нм) реакционный центр PSII выпол-
няет по отношению к цитохром ^//-комплексу функцию физиологического донора электро-
нов (см. разд. 3.7.1). При этом он получает электроны от кислородвыделяющего комплекса,
который расположен на противоположной — экзоплазматической поверхности тилакоида
(см. рис. 4).

Первым медиатором, ассоциированным с PSII, является интегральный цитохром Ь559.
Он представляет собой гетеродимер двух трансмембранных субъединиц, которые обозна-
чаются как а/Д-апоцитохромы Ь559 или субъединицы E/F (Мг 9 и 4 кДа). Они совместно
связывают простатическую группу. По видимому’, этот цитохром структурно взаимодейст-
вует с интегральными полипептидами D1/D2, а также с периферической субъединицей О,
отсутствие которой вызывает деградацию а-апоцитохрома £559 (Seidler, 1996).

Хотя исследование цитохромов у оксигенных фотобионтов проводится еще с начала
1970-х годов (Bendall, 1982). функциональная роль цитохрома £559 остается не ясной. Его
кинетические свойства определяются центральным положением в димере (PSII)2 (Bald et al.,
1996), и поэтому обратимая диссоциация на мономеры in situ может быть причиной выяв-
ления широкого спектра редокс-форм — от низкопотенциальной (Em= +20 мВ) до высоко-
потенциальной (Ет= +400 мВ).

Трудность измерения редокс-переходов цитохрома Ъ559 при нормальных физиологи-
ческих условиях послужила причиной выдвижения взаимно исключающих гипотез о его
функционировании в роли:

- медиатора между ОЕС и оксидирующей стороной RCII,

- медиатора между PSII и PSI в нециклической электронпротонофорной цепи;

- компонента цепи циклического транспорта электронов через PSII.

В настоящее время считается маловероятным, что цитохром £559 может принимать
участие в выделении кислорода или обеспечивать взаимодействие двух фотосистем. В то же
время наиболее аргументирована его роль в защите субъединицы D1 от фотодинамического
повреждения (Stewart, Brudvig, 1998).

Другой медиатор PSII — автоксидабельный (т.е. непосредственно реагирующий с ки-
слородом) низкопотенциальный цитохром с549, или цитохром с550 (Ет +260 мВ), широко
распространен у цианобактерий (Seidler, 1996). По некоторым данным, он встречается так-
же у Rhodophyceae, Chlorophyceae и В ас Шаг iophy с еае, однако отсутствует у высших расте-
ний. Содержание этого цитохрома существенно варьирует в зависимости от условий роста и
особенно сильно возрастает в стрессовых ситуациях (Krogmann, 1991).

Апоцитохром с550 (Мг 15,5 к Да), к которому присоединена одна простетическая груп-
па (мезогем), кодируется геном psbV. Он локализован на экзоплазматической поверхности
мембраны тилакоида и ассоциирован с RCII (Shen, Inoue, 1993). Предполагается, что в фор-
мировании площадки для цитохрома с550 кооперативно участвуют субъединицы D2 и
PsbO, а также полипептид с Мг 9 кДа (Seidler, 1996).

Функцией цитохрома с550 долгое время считали участие в циклическом транспорте
электронов через PSI или в реакциях, которые катализируются растворимыми ферментами,
ассоциированными с PSI (Hoganson et al., 1990). Однако в настоящее время показано, что
этот цитохром необходим для поддержания интегральной.структуры PSII и вместе с субъе-
диницей 9 кДа модулирует активность ОЕС (Seidler, 1996).

3.7.4. Кислородвыделяющий комплекс

Уникальное свойство PSII состоит в том, что она не только производит трансмембран-
ное разделение зарядов, но и непосредственно участвует в ферментативном процессе окис-
ления воды (Pistorius, 1993). Эта «Н2О-дегидрогеназная» реакция катализируется особым
функциональным компонентом PSII, который носит название кислородвыделяющего, или
водоокисляющего, комплекса (англ, oxygen-evolving complex, ОЕС; water-oxidizing complex,
WOC).

В состав ОЕС входит Мп-содержащий кластер, его лиганды, редокс-активный остаток
тирозина (Yz) субъединицы D1, а также по меньшей мере два неорганических кофактора —
анионы СГ и катионы Са2+.

Ферментативная реакция фотозависимого окисления воды также уникальна. В отличие
от темновых дегидрогеназных реакций, общих для аноксигенной фототрофии и хемотро-
фии, ей предшествует серия фотохимических актов, в результате которых последовательно
накапливаются окислительные эквиваленты. Это связано с тем, что полное окисление воды,
для чего необходимо образование кислород-кислородной связи в молекуле О2, происходит в
результате передачи четырех электронов высокопотенциальному акцептору (Klein et al.,
1993).

Основой для современного понимания механизма окисления воды послужили наблю-
дения Пьера Жолио (Р. Joliot), проведенные в конце 1960-х годов на зеленых водорослях и
изолированных хлоропластах. Он впервые продемонстрировал, что после темновой прсин-
кубации динамика выделения кислорода описывается осциллирующей кривой, причем ее
максимумы приходятся на каждое четвертое импульсное включение света, активирующего
PSII. Теоретическая интерпретация таких нетривиальных результатов получила название
цикла, или «часов», Вессела Кока (В. Kok; см.: Joliot, 1993).

Согласно предложенной модели, прежде чем происходит выделение молекулы кисло-
рода, ОЕС аккумулирует четыре окислительных эквивалента. Последовательно сменяю-
щиеся редокс-состояния ОЕС были условно обозначены как Sn (сокр. англ, state — состоя-
ние; где п 0-4).

Источником энергии для окисления воды служит образование электронной вакансии
через несколько пикосекунд (10-12 с) после возбуждения RCII, что сообщает катион-ради-
калу хлорофилла а (Р680+-) редокс-потенциал ~1В. Это служит термодинамической предпо-
сылкой для использования в качестве донора электронов такого устойчивого к окислению
субстрата, как вода (стандартный редокс-потенциал пары Н2О/О2 составляет +820 мВ).

Переход ОЕС из одного S-состояния в другое обеспечивается редокс-потенциалом,
возникающим в результате разделения зарядов между «специализированной» молекулой
хлорофилла а (Р680) и Ph (см. рис. 22). Первичный фотохимический акт становится необра-
тимым после переноса электрона к вторичным акцепторам (Qa/Qb). а также заполнения ва-
кансии в молекуле Р680+ электроном, поступающим от редокс-активного остатка тирозина
(Yz) субъединицы D1. Этот донор-посредник использует в качестве восстановителя ком-
плекс ОЕС, в свою очередь, получающий электроны от молекул воды. По последним дан-
ным, роль остатка Yz не ограничивается передачей электронов от ОЕС к Р680+ — он актив-
но участвует в реакции дегидрирования (Messinger, 2000).

Таким образом, ОЕС осуществляет серию восстановлений Р680+ по схеме «один элек-
трон на один поглощенный фотон», используя в качестве промежуточного переносчика ка-
тион-радикал тирозина (Yz+), входящий в состав субъединицы D1. В определенных услови-
ях ОЕС может взаимодействовать и с остатком тирозина, локализованным на субъединице
D2 (Yp). Образование соответствующего катион-радикала регистрируется по появлению
«медленного» сигнала при использовании метода электронной парамагнитно-резонансной
спектроскопии (англ, electron paramagnetic resonance, EPR).

В результате заполнения электронных вакансий, последовательно возникающих в мо-
лекуле первичного донора, ОЕС накапливает четыре эквивалента положительного заряда,
которые необходимы для окисления двух молекул воды (Pistorius, 1993; Blankenship,
Hartman, 1998).

Согласно модели, построенной по данным EPR-спектроскопии и рентгеноструктурного
анализа, каталитический центр ОЕС представляет собой 4-атомный Mn-кластер, или двой-
ной «димер» (рис. 26). Оси димеров, или «бинуклеарных пар», ориентированы под углом
-30 к плоскости мембраны. Атомы марганца в димере расположены на расстоянии -2,7 А
друг от друга и связаны между собой двумя кислородными мостиками (Klein et al., 1993;
Britt, 1996; Messinger, 2000). С помощью еще одного кислородного мостика димеры объе-
диняются в тетрануклеарный кластер, расположенный перпендикулярно к поверхности
мембраны. Дистанция между димерами составляет -3,3 А. В лигандную сферу, структура
которой до конца не выяснена, входят, наряду с атомами кислорода карбоксильных групп
Рис. 26. Топологическая модель Mn-кластера кислородвыделяющего комплекса
(по: Messinger, 2000; с изменениями).

Обращенные к наблюдателю связи изображены сплошными, удаленные - пунктирными зреугольпика-
ми. Достоверно не установленная структура лигандной сферы обозначена прямыми линиями.

остатков Asp и Glu, атом азота имидазольной группы остатка His, а также анион хлора
(Renger, 1987; Klein et al., 1993). Ион кальция, расположенный на расстоянии -3,5 А от Мп-
кластера, структурирует его лигандную сферу; замещение кальция лантаноидами блокирует
активность ОЕС. Дополнительной функцией кальция может быть лигандирование молекул
воды (Rutherford, 1989; Yocum, Pecoraro, 1999).

Структура каталитического центра ОЕС высоко консервативна, о чем прежде всего
свидетельствует единообразие его динамического поведения у различных представителей
оксифотобионтов.
В ходе Sn-цикла (рис. 27) происходят четыре быстрых редокс-перехода ОЕС:

So —> Si

Si —> S2
s2 —> s3

S3 —> S4

(-3-1 O'5 c),
(-1-1 O’4 c),
(-3-1СГ4 c),
(~l,5-10~3 c).

(31)

Соответственно ОЕС может существовать в пяти состояниях (Sn), из которых So пред-
ставляет собой наиболее восстановленное, a S4 — наиболее окисленное; индексы промежу-
точных состояний соответствуют числу аккумулированных положительных зарядов.

Н2О

Мп4+

RCI

Рис. 27. Схематическое изображение механизма окисления воды
(по: Messinger. 2000; с изменениями).

Объяснения в тексте. So-S4 - промежуточные состояния Mn-кластера кислородвы-
деляющего комплекса. Выделенный на сером фоне атом кислорода соответствует радика-
лу окисленного лиганда.
Атомы марганца в составе ОЕС функционально гетерогенны (Pistorius, 1993). По дан-
ным EPR-спектроскопии, они непосредственно участвуют в S-переходах, хотя и не являют-
ся единственным источником накопления окислительных эквивалентов (Klein et al., 1993).

Восстановленному состоянию So соответствует валентная структура +2/+3/+4/+4, а пер-
вому окисленному состоянию Si - структура +3/+3/+4/+4 (рис. 27). Однако вопрос о том,
являются ли «димеры» однородными в отношении валентных состояний (+3/+3) или сме-
шанными (+3/+4), окончательно не выяснен. В любом случае в результате перехода Si —> S2
создается валентная структура +3/+4/+4/+4 (Klein et al., 1993; Britt, 1996). Таким образом,
два атома марганца из четырех участвуют в обратимых редокс-переходах. До сих пор не
установлено, происходит ли окисление марганца при переходе S2 —► S3, или окислению
подвергается какой-то компонент лигандной сферы Mn-кластера (Renger, 1987). В роли од-
ноэлектронного донора может выступать имидазольная группа остатка His (Yocum,
Pecoraro, 1999), однако в последнее время появились данные о том, что окислению скорее
всего подвергается один из двух ^-оксо-мостиков, которые соединяют атомы Мп, обла-
дающие гексагональной «бриллиантовой» симметрией связей (см. рис. 26).

На ключевой вопрос о том, на какой стадии 8п-цикла в реакцию вступают молекулы
воды и когда образуется связь кислород-кислород, нет окончательного ответа. Поскольку
субстрат и растворитель в ферментативной реакции в данном случае — одно и то же веще-
ство, определение характеристик его связывания составляет более сложную задачу, чем
обычно. По общему мнению, фиксация двух «субстратных» молекул воды имеет место на
стадии S3. Считается, что обе кислородсодержащие молекулы непосредственно присоеди-
няются к атомам Мп, хотя окончательно не известно, происходит это в оксо-, гидроксо- или
дигидро-форме. Наиболее вероятным в настоящее время считается второй вариант
(Messinger, 2000).

Предполагается, что Mn-кластер аккумулирует окислительные эквиваленты и осущест-
вляет 4-электронное окисление двух молекул воды с образованием молекулы 3О2 при пере-
ходе S3 —► S4 —> So или S4 —> So (Klein et al., 1993; Yocum, Pecoraro, 1999).

По-видимому, на стадии S3 или S4 в качестве интермедиата образуется связанный пе-
роксид (рис. 27).

По современным представлениям, первый акт дегидрирования воды осуществляется с
помощью катион-радикала Yz+ на стадии S3 (Tommos, Babcock, 1998).

Взаимодействие ОЕС с ионами кальция и хлора, незаменимыми кофакторами реакции
окисления воды, регулируется периферическим полипептидом MSP (Seidler, 1996). По-
скольку добавление кальция и хлора компенсирует дефект или полное отсутствие субъеди-
ницы MSP, считается, что наряду с субъединицами PsbP/PsbQ она обеспечивает высокое
сродство активного центра ОЕС к обоим ионам; для кальция константа диссоциации со-
ставляет <1 мМ (Rutherford, 1989; Seidler, 1996). Показано, что инсерционные мутанты циа-
нобактерии Synechocystis sp. РСС 6803 с блокированным геном, кодирующим MSP, сохра-
няют способность к фотоавтотрофному росту, однако они аномально чувствительны к де-
фициту кальция, а также фотоингибированию (Vermaas, 1993).

Отмечаются некоторые особенности ОЕС у представителей различных групп оксифо-
тобионтов. Так, например, в хлоропластах С. reinhardtii генетический блок гена psbO вызы-
вает полное подавление PSII. У аналогичных мутантов цианобактерий ее активность сохра-
няется. В опытах на высших растениях показано, что удаление in vitro всех трех перифери-
ческих единиц ОЕС не приводит к инактивации PSII (Pistorius, 1993). У цианобактерий MSP
амфифилен, а его аналог у Р. hollandica (Мг 37 кДа) гидрофобен, что может быть причиной
повышенной резистентности ОЕС прохлорофитов к гидроксиламину (Мог et al., 1993).
Эволюционное происхождение ОЕС загадочно. Мало вероятно, чтобы два компонента
ОЕС, а именно высокопотенциальный акцептор электронов (Р680+) и необходимая для
окисления воды система накопления положительного заряда (So —* S4), могли одновременно
появиться у предков современных оксигенных фототрофов. Поэтому высказываются пред-
положения, что в роли восстановителя для Р680+ первоначально выступала перекись водо-
рода. В пользу такой гипотезы свидетельствует структурное сходство между бинуклеарным
активным центром Мп-содержащих каталаз и половиной тстрануклеарного Mn-кластера в
составе ОЕС (Blankenship, Hartman, 1998).

Согласно одной из новейших гипотез, роль альтернативного субстрата для ОЕС играл
ион бикарбоната (Dismukes et al., 2001). Как показывают термодинамические расчеты, он
мог быть предпочтительным восстановителем еще до того, как вода стала донором электро-
нов при фототрофии. Предполагается, что Mn-бикарбонатные кластеры впервые появились
еще в Докембрии и подвергались обратимым превращениям при тех значениях редокс-
потенциала, которые реально устанавливаются в оксидирующем участке реакционного цен-
тра PSII. Такие кластеры могли быть среди структурных блоков ОЕС у архаичных форм
зеленых нессрных бактерий (фила Chloroflexi), т.е. еще до того, как появились первые пред-
ставители Cyanobacteria.

3.8. АТР-СИНТАЗА

Одним из основных направлений, по которым утилизируется световая энергия после
ассимиляции в форме PMF, служит фотофосфорилирование. Еще раз необходимо отметить,
что этот термин неудачен, поскольку мембранное фосфорилирование не только нс зависит
от природы источника энергии, при использовании которого создается PMF, но и вообще
индифферентно к свету. Тем не менее фотофосфорилированием обыкновенно называют
реакцию, которая сопутствует фототрофии, заключается в синтезе АТР из ADP и Р, и ката-
лизируется «фактором сопряжения» (англ, coupling factor, CF), включенным в состав фото-
синтетической мембраны. Другие названия и аббревиатуры для обозначения ферментатив-
ного фактора сопряжения— «ATP-синтаза» (англ. АТР synthase), «обратимая Н+-
транслоцирующая FoFi ATP-аза» (англ, reversible proton-translocating FoF^type ATPase) и
«CFqF^ (Hope, 1993).

А,ТР-синтаза входит в суперсемейство структурно консервативных осмоэнзимов, т е.
таких ферментов, которые обратимо или необратимо преобразуют химический потенциал
АТР в осмотический потенциал протонов.

АТР-азы FoFj-типа могут быть «запрограммированы» только на гидролиз АТР. Приме-
рами этого служат АТР-азы ферментирующих бактерий, локализованные в СМ, а также
вакуолярные V АТР-азы, имеющиеся в составе эндомембран клеток Еисагуа (см. разд. 1.3).
Однако в большинстве случаев АТР-азы FoFi-типа предназначаются для реакции синтеза
АТР, т.е. функционируют только как АТР-синтазы.

У бактерий и архей ATP-синтаза ассоциирована с СМ. В случае бактерий она может
быть также локализована в ICM. В энергоассимилирующих органеллах ATP-синтаза связа-
на с гомологами бактериальных ICM — тилакоидами пластид и кристами митохондрий
(Mitchell, 1985).

В недиссоциированном комплексе АТР-синтазы есть три морфологически выраженных
блока— цитоплазматическая головка, соединительный стебелек и мембранное основание
(рис. 28). В структурно-функциональном отношении голокомплекс подразделяется на инте-
гральный домен CF0, или просто Fo (сокр. англ, fraction), транслоцирующий протоны, и пе-
риферический домен CF! (Fi), который связан с Fo на более электронегативной стороне
мембраны и может катализировать синтез или гидролиз АТР (Baird, Hammes, 1979;
Pedersen, Amzel, 1993).

В бесклеточных препаратах домен Fi (Mr ~35О кДа) легко диссоциирует от домена Fo.
Благодаря наличию сайтов связывания нуклеотидов и сохранению гидролитических свойств
он может функционировать как растворимая АТР-аза. Лишенный взаимодействия с Fi инте-
гральный домен Fo (М, -150 кДа) выполняет функцию пассивного канала для прохождения
протонов по градиенту7 концентрации; процесс блокируется таким ингибитором, как неспе-
цифически связывающийся с карбоксильными группами дициклогсксилкарбодиимид (англ,
dicyclohexyl carbodiimide, DCCD).

ATP-синтазы цианобактерий и пластид состоят из девяти различных субъединиц и по
сложности строения занимают промежуточное положение между ATP-синтазами других
бактерий (восемь субъединиц) и митохондриальной ATP-синтазой (>11 субъединиц). АТР-
синтазы оксигенных фототрофов обладают определенной спецификой. В частности, после
диссоциации периферического домена CFi от мембраны он не способен катализировать
гидролиз АТР. в отличие от Fi из других источников.

Эпимембранный домен Fi состоит из пяти субъединиц:

- а (Мг 53-57 кДа; ген а/рАУ,

- // (М,-50-54 кДа; ген atpDy

- у (Мг 30-38 к Да; ген atpG)\

- 8 (М, 15-21 к Да; ген atpHy,

- f(Mr6-15 кДа; ген alpCy

Перечисленные субъединицы находятся в стехиометрическом соотношении 3:3:1:1:1
(Graber, Labahn, 1992). У хлоробионтов гены alpA и atpH кодируются хлоропластным гено-
мом, а гены atpC, atpD и citpG закодированы в ядре.

По данным рентгеноструктурного анализа, домен F] имеет форму почти правильного
сфероида размером 9-9,5 нм. Внутри него располагается асимметричная у-субъединица,
которая содержит два взаимно перевитых спиральных участка. Периферия сфероида пред-
ставляет собой гексамер, построенный из чередующихся а- и //-субъединиц (Dimroth et al.,
1998). Центры связывания нуклеотидов расположены на субъединицах обоего типа, а ката-
литические центры синтеза или гидролиза АТР — на //-субъединицах.

В последнее время получены данные, подтверждающие ранее высказанную гипотезу
(Mitchell, 1985), согласно которой ATP-синтаза представляет собой ротационное устройст-
во, способное превращать PMF в механическую энергию и наоборот. Как известно, вторым
примером устройства такого рода, хотя и обладающего однонаправленным действием, слу-
жат базальные тела жгутиков прокариотной клетки (Macnab, 1999).

Установлено, что при гидролизе АТР у-субъединица вращается против часовой стрел-
ки, если смотреть со стороны мембраны. Поскольку у -субъединица асимметрична, ее ради-
альное смещение искажает конформацию //-субъединиц, что приводит к изменению срод-
ства их каталитических центров к субстрату и продуктам реакции— АТР, ADP и Р,
(Nakamoto et al., 2000). За один полный оборот у-субъединицы гидролизуются три молекулы
АТР, причем эффективность превращения химической энергии в механическую составляет
-100% (Dimroth, 2000).
Указанное стрелкой направление вращения ротора соответствует АТР-
синтазной реакции. Сверху — цитоплазматическая, снизу — эктоплазматическая
сторона мембраны.

Предполагается, что при синтезе АТР у-субъединица вращается в обратном направле-
нии — по часовой стрелке. Движущей силой служит PMF, т.е. вращение у-субъединицы
обеспечивается транслокацией протонов через Р0-домен ATP-синтазы (Dimroth et al., 1998).
Домен Fo состоит из трех субъединиц, находящихся в стехиометрическом соотношении
1:2:9-12, что, в частности, показано для Е. coli (Groth, 2000):

- а (Мг 30 к Да; ген а/рВ);

- b (Мг 17 кДа; ген atpFy,

- с (Мг 8,1 кДа; ген atpE).

Установлено, что у растений все три субъединицы закодированы в хлоропластном ге-
номе. Согласно электронно-микроскопическим данным, домены Fo и Fj соединяются не
одним стебельком диаметром 4 нм, как считалось раньше, а двумя отдельными стебельками
(Wilkens, Capaldi, 1998). Первый из них расположен на центральной оси комплекса и обра-
зован субъединицами £ и у (рис. 28). Второй стебелек более удален от центральной оси и
образован субъединицей 8 и димером субъединиц Ь.

Существование двух стебельков в комплексе АТР-синтазы важно в функциональном
отношении. Предполагается, что центральный стебелек подвижен и играет роль ротора. Он
связывает три каталитических центра на ^-субъединицах с протонным каналом, располо-
женным внутри домена Fo. Дистальный стебелек неподвижен и играет роль статора,, а цен-
тральный стебелек вращается относительно него (Wilkens, Capaldi, 1998).

По данным молекулярного секвенирования субъединица b имеет протяженный гидро-
фобный N-конец, полярный центральный участок и короткий гидрофобный С-конец. Димер
субъединиц b взаимодействует с доменом F] с помощью субъединицы 8, локализованной в
верхней части цитоплазматической головки, снаружи от а3Дз-гексамера. Мембранный уча-
сток димера Ь2 связан с субъединицей а — при препаративном выделении они могут быть
получены в виде стабильного субкомплекса ab2 (Wilkens, Capaldi, 1998).

Роторная часть домена Fo образована диском-цилиндром, который состоит из 9-12
идентичных с-субъединиц. Он погружен в мембрану и к нему прикреплен центральный сте-
белек домена Fb При синтезе или гидролизе одной молекулы АТР субъединицы е и у пово-
рачиваются на 120°, что сопровождается (де)протонированием четырех с-субъединиц. Та-
ким образом, сопряжение между синтезом или гидролизом АТР и транслокацией протонов
достигается в результате взаимодействия между Е- и у-субъединицами домена Fj и с-
субъединицами домена Fo. Молекулярный механизм этого процесса до сих пор не установ-
лен (Altendorf et al., 2000).

Предложены две альтернативные модели механохимического поведения АТР-синтазы.
Согласно первой диск-цилиндр совместно с субъединицами е и у выполняет функцию рото-
ра. Субкомплекс ab2 с субъединицами ст, [3 и Е неподвижен и служит статором (Altendorf et
al., 2000; Deckers-Heberstreit et al., 2000). У всех с-субъединиц карбоксильная группа остатка
Asp-61 протонирована— за исключением той субъединицы, которая противостоит а-
субъединице. Непротонированный остаток Asp-61 сообщается с водной фазой на противо-
положных сторонах мембраны через два канала, находящихся внутри а-субъединицы или в
пространстве между ней и с-субъединицами. Протонирование карбоксильной группы ос-
татка Asp-61, осуществляемое с менее электронегативной стороны мембраны, и выброс
протона на более электронегативную сторону создают торсионное усилие, которое обеспе-
чивает смещение с-олигомера в радиальном направлении (Groth, 2000). Таким образом,
вращательный момент возникает в результате последовательных электростатических взаи-
модействий между а- и с-субъединицами домена Fo (Dimroth, 2000). Как установлено, с-
субъединицы имеют форму шпилек. Каждая из них состоит из двух трансмембранных до-
менов и промежуточного гидрофильного участка, взаимодействующего с субъединицами е
и у. Пространственная структура а-субъединицы точно не определена, что не позволяет
окончательно выяснить роль, которую играет этот полипептид в транслокации протонов.
Как показал мутационный анализ, остаток Arg-210 в составе а-субъединицы имеет ключе-
вое значение для функционирования всего домена Fo. Возможно, что в результате ближнего
электростатического взаимодействия он непосредственно участвует в формировании вре-
менно существующего солевого мостика с остатком Asp-61, входящим в состав с-
субъединицы

Альтернативная ротор-статорная модель ATP-синтазы исходит из того, что теперь уже
субкомплекс Fo вместе с субъединицами а и /3 остается неподвижным. В этом случае функ-
ция ротора отводится субъединицам е и у, которые перемещаются вдоль полярной поверх-
ности с12-олигомера (Altendorf et al., 2000; Deckers-Heberstreit et al., 2000). В межмолекуляр-
ном взаимодействии участвуют аминокислотные остатки с-субъединиц в положении 40 ...
44, а также аминокислотные остатки Е-субъединицы в положении 26 ... 33 и остаток Туг-205
у-субъединицы. Вероятно, субъединицы е и у взаимодействуют с различными субъедини-
цами сj2-олигомера. В контакт с доменом F[ вовлечена группа из 4-5 с-субъединиц. Кон-
формационные изменения в полярном участке с-субъединиц, происходящие в результате
обратимого связывания протона с остатком Asp-61, обеспечивают перемещение Е- или у-
субъединицы от одной с-субъединицы к другой, соседней с-субъединице. В модельных
опытах с использованием флуоресцирующего актинового филамента, прикрепленного к bl-
концу с-субъединицы, получены данные, которые позволяют предположить, что при синте-
зе или гидролизе АТР происходит совместное вращение Е-, у- и с-субъединиц. Очевидно,
что эти результаты свидетельствуют в пользу первой из двух описанных моделей, однако
далеко идущие выводы скорее всего преждевременны и для воссоздания полной картины
динамического поведения ATP-синтазы необходимы дальнейшие исследования.
Глава 4

БИОГЕНЕЗ ОКСИГЕННОГО

ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА

Общие закономерности и детали биогенеза окси генного фотосинтетического аппарата в
настоящее время исследованы преимущественно на примере простых и сложных пластид (оп-
ределение— см. разд. 1.1). Для цианобактерий sensu stricto сведения немногочисленны и
фрагментарны. Причина заключается в отсутствии подходящей экспериментальной модели,
прежде всего делеционных и других мутантов с нарушенным биогенезом ICM. По-видимому,
соответствующие генетические повреждения приводят к появлению мало жизнеспособных
клеточных форм (см. раздел 5.1.1). Кроме того, экспрессия ICM в целом осуществляется кон-
ститутивно — несмотря на долгие поиски модельных систем для анализа биогенеза ламелляр-
ной системы de novo, так и не удалось выявить мутантные фенотипы или онтогенетические
состояния, которые послужили бы цитологическими аналогами пропластид и этиопластов
(Gantt, 1994). Соответствующие данные для прохлорофитов отсутствуют.

Простые пластиды имеют много общих «прокариотных» признаков с бактериями, отно-
сящимися к грамотрицательному морфотипу, что неудивительно, если вспомнить об эволю-
ционном происхождении этих энергоассимилирующих органелл от Cyanobacteria. Собст-
венный генетический аппарат и система трансляции простых пластид сходны с бактериаль-
ными (Ledoigt, Freyssinet, 1982; Sugiura, 1992; Heinhorst, Cannon, 1993).

Многие белки хлоропласта кодируются собственным геномом органеллы и транслиру-
ются на 70S хлоропластных рибосомах; некоторые из них котрансляционно встраиваются в
липидный матрикс тилакоидов. Однако биогенез фотосинтетического аппарата преимуще-
ственно определяется активностью ядерных генов — более половины общего числа (57)
белков фотосинтетического аппарата кодируются ядром клетки-хозяина, в хромосомы кото-
рого в процессе эволюции эндоцитобиотической ассоциации были перенесены соответст-
вующие гены (Martin, Herrmann, 1998). В результате этого различные этапы биогенеза про-
стых пластид зависят от трансляции на цитозольных рибосомах, процессинга и импорта
препротеинов из цитоплазмы клетки-хозяина с окончательной интеграцией функциональ-
ных полипептидов в специализированные мембраны органеллы.

Полипептидный состав тилакоидов, а также посттрансляционный таргетинг изучены
хорошо. Пространственные же аспекты биосинтеза пластидных липидов, а также общие
закономерности биогенеза липидного матрикса тилакоидов известны лишь в общих чертах.

4.1. БИОСИНТЕЗ ПЛАСТИДНЫХ ЛИПИДОВ
И БИОГЕНЕЗ ЛИПИДНОГО МАТРИКСА ТИЛАКОИДОВ

Мембраны тилакоидов и оболочки хлоропласта отличаются по липидному составу от
остальных мембран растительной клетки (Joyard et al., 1998). Они обогащены моногалакто-
зилдиацилглицеридом (англ, monogalactosyl diglyceride, MGDG) и дигалактозилдиацилгли-
церидом (англ, digalactosyl diglyceride, DGDG), причем первый имеет тенденцию формиро-
вать мембранные структуры кубической и гексагональной, а второй — планарной конфигу-
рации. Помимо гликолипидов пластиды содержат много сульфолипидов и небольшое количе-
ство фосфолипидов, главным образом фосфатидилгицерина. Существенно, что именно обо-
лочка хлоропласта является структурой, в которой осуществляется биосинтез глицеролипидов,
специфичных для этой органеллы. Кроме того, на уровне оболочки пластиды вырабатываются
полиизопреноиды. В то время как биосинтез терпенов до стадии GGPP протекает в строме, его
завершающие этапы катализируются мембраносвязанными ферментами. В частности, на внут-
ренней мембране оболочки пластиды образуются такие липиды, как PQ и GGPP (предшест-
венник боковой фитильной цепи хлорофилла), а также окрашенные каротиноиды (виолаксан-
тин, лютеин, зеаксантин, /3-каротин и другие).

В состав внутренней мембраны оболочки хлоропласта входят ксантофиллы, придаю-
щие ей оранжевую окраску (Zerges, Rochaix, 1998). Избирательное накопление каротинои-
дов, видимо, свойственно и для СМ цианобактерий (Gantt, 1994). Хотя обе мембранные
структуры не содержат хлорофилла (апохлоротичны), с ними ассоциированы ферменты,
которые принимают участие в биосинтезе порфиринового ядра протохлорофиллида и хло-
рофиллида, — протопорфириноген-оксидаза, Mg2+-xenaTa3a и протохлорофиллид-оксидоре-
дуктаза (Peschek et al., 1989; Joyard et al., 1991). Однако присоединение боковой фитильной
цепи к порфириновому ядру, катализируемое хлорофиллсинтазой, осуществляется уже на
уровне тилакоидов.

Способ доставки пигментов к сайтам связывания на апопротеинах неизвестен как для
Cyanobacteria, так и для пластид. В этом отношении определенный интерес представляют
так называемые «тилакоидные центры» (англ, thylakoid centres), обнаруженные у Anabaena
sp., Pleurocapsa sp. и ряда других цианобактерий. Они представляют собой цилиндрические
структуры размером 30x300 нм, расположенные у внутренней поверхности СМ и состоящие
из рядов глобулярных частиц. Тилакоиды прикреплены к цилиндру вдоль его продольной
оси (Kunkel, 1982). Анализ молекулярного состава препаративно выделенных тилакоидных
центров Synechocystis sp. РСС 6803 позволил предположить, что они служат каналом, по
которому предшественники хлорофилла а перемещаются из СМ к месту своей окончатель-
ной дислокации в тилакоидах (Hinterstoisser et al., 1993).

При биогенезе фотосинтетического аппарата пластид внутренняя мембрана оболочки
отпочковывает обогащенные липидами везикулярные предшественники ламеллярной сис-
темы (Hoober et al., 1994). Однако детали молекулярного механизма, посредством которого
компоненты липидного матрикса транспортируются в тилакоиды и сливаются с мембраной-
мишенью, долго оставались неясными.

Ситуацию проясняет недавнее сообщение о существовании у Arabidopsis thaliana и
Pisum sativum ранее неизвестного белка, который получил сокращенное название V1PP
(сокр. англ, vesicle-inducing protein in plastids; Mr 37 кДа). Хотя VIPP относится к гидро-
фильным белкам, в хлоропластах он локализован во внутренней мембране оболочки и мем-
бранах тилакоидов (Kroll et al., 2001). Соответствующий белок у цианобактерии
Synechocystis sp. содержится исключительно в CM (Westphal et al., 2001). В обоих случаях
мутации кодирующего VIPP гена vippl (у растений он принадлежит к числу ядерных), при-
водят к потере клеткой способности образовывать организованную ламеллярную систему и
осуществлять оксигенный фотосинтез. Ген vippl имеется только у оксигенных фототрофов,
однако его гомолог pspA входит в состав «шокового» оперона Е. coli, который индуцируется
нитчатым фагом fl или воздействиями, блокирующими транслокацию белков через мем-
брану тилакоида с помощью Sec-системы (см. разд. 4.2). В отличие от продукта гена pspA,
белок VIPP имеет дополнительный С-концевой домен из -30 аминокислотных остатков,
который скорее всего и определяет его специфическое участие в формировании тилакоидов.
В состав генома цианобактерий Synechocystis sp. и Anabaena sp. входят оба гена, и филоге-
нетический анализ указывает на возможность происхождения гена vippl в результате дуп-
ликации гена pspA (Westphal et al., 2001). Предполагается, что белок VIPP участвует в вези-
кулярном транспорте галактолипидов к формирующимся ламеллам. Возможно также, что
он каким-то образом способствует встраиванию в тилакоиды галактолипидов, пигмент-
белковых комплексов и компонентов электрон-протонофорной цепи (Kroll et al., 2001; von
Wettstein, 2001).

4.2. ПОСТТРАНСЛЯЦИОННЫЙ ТАРГЕТИНГ ПЛАСТИДНЫХ БЕЛКОВ

В то время как биосинтез пигментов и бесцветных липидов протекает в пластиде,' син-
тез многих пластидных белков, закодированных в ядре, осуществляется на свободных цито-
плазматических рибосомах (Staehelin, van der Staay, 1996). Так, из 15 генов PSI только пять
(psaA-psaC, psal и psaJ) содержатся в хлоропластном геноме, тогда как другие (psaD-psaH,
psaK, psaL, petE-petl) локализованы в ядре. В отличие от этого из 16 генов PSII только три
гена ОЕС (psbO-psbQ) содержатся в ядре, а остальные (psbA-psbN) в хлоропласте. Гены,
кодирующие апопротеины внутренних и периферических антенн, а также гены апопротеи-
нов LHCII (Jhcal-lhcaA, Ihcbi-lhcbE), все без исключения— ядерные. Напротив, гены, ко-
торые кодируют апопротеины цитохром ^/-комплекса (не считая petC), входят в геном
хлоропласта. В пластидах закодированы и шесть из девяти полипептидных субъединиц
АТР-синтазы — кроме AtpC, AtpD и AtpG, гены которых относятся к ядерным.

Препротеины, синтезируемые в цитозоле, содержат N-концевой транзитный пептид.
Перед импортом с помощью транслоказной системы, расположенной в зоне контакта двух
мембран оболочки хлоропласта, он фосфорилируется цитоплазматической киназой (Heins et
al., 1998). Полипептиды, которые должны быть доставлены в мембрану тилакоида или через
нее — в люменальный компартмент, содержат дополнительный N-концевой транзитный
пептид, или тилакоид-трансфертный домен (Cohen et al., 1995). В обеспечении таргетинга и
сборки хлоропластных белков принимают участие шапероны српбО-типа (сокр. англ,
chaperone) и АТР в качестве источника энергии (de Boer, Weisbeek, 1991).

В составе наружной мембраны оболочки хлоропласта выявлены три основных компо-
нента транслоказной системы— Тос86 (сокр. англ, translocator outer component), Тос75 и
Тос34. Все они — интегральные белки. Тос86 имеет N-концевой эпимембранный цитоплаз-
матический домен и, по-видимому, выступает в роли рецептора, участвующего в распозна-
вании и связывании предшественников хлоропластных белков. Тос86 служит основным
фосфопротеином хлоропластов и содержит участки для связывания АТР и GTP. Второй
компонент транслоказной системы Тос75 полностью погружен в мембрану. Подобно бакте-
риальным поринам, он имеет складчатую Р-конформацию и, как показано в экспериментах
in vitro, формирует гидрофильные внутримембранные каналы. Третий компонент Тос34
расположен в непосредственной близости от Тос75 и связывает GTP. Высказываются пред-
положения, что гидролиз GTP с последующим изменением конформации Тос34 влияет на
пропускные свойства мембранного канала и степень сродства Тос75 к препротеинам
(Schleiff, Soli, 2000).

Перенос препротеинов через наружную мембрану оболочки хлоропласта происходит
при участии двух шаперонов — Сот70 (сокр. англ, chloroplast outer envelope membrane
protein), который локализован на цитоплазматической стороне мембраны, и Hsp70 (сокр.
англ, heat shock protein), расположенного в межмембранном пространстве (Cline, Henry,
1996; Heins et al., 1998).

Во внутренней мембране оболочки хлоропласта выявлены пять интегральных белковых
субъединиц, участвующих в процессе транслокации препротеинов. Это субъединицы Tic 110
(сокр. англ, translocator inner component), Tic55, Cim44 (сокр. англ, chloroplast inner envelope
membrane protein), IAP36 и IAP21 (сокр. англ, import intermediate associated protein). Субъе-
диница Tic НО содержит большой интермембранный домен и, возможно, играет роль свя-
зующего звена между транслокаторными участками наружной и внутренней мембран. Воз-
можно также, что она участвует в перемещении препротеинов через межмембранное про-
странство по направлению к транслокатору, связанному с внутренней мембраной. Стро-
мальный участок Tic-комплекса взаимодействует с шаперонами HsplOO, Hsp70 и српбО
(Cline, Henry, 1996; Heins et al., 1998; Schleiff, Soil, 2000).

Простые пластиды Rhodophyceae, Chlorophyceae и высших растений окружены двумя
мембранами. Многослойные барьерные структуры имеются у цианелл Glaucocystophyceae -
в промежутке между наружной и внутренней мембранами у них расположен пептидоглика-
новый слой (англ, sacculus; от лат. sacculus — мешочек), а также у сложных пластид, кото-
рые окружены оболочкой из 3-4 мембран. Поэтому механизмы транспорта продуктов ядер-
ных генов в такие пластиды отличаются от основного пути импорта, описанного выше.

В составе предшественников FNR и цитохрома с553, которые кодируются в ядре
Cyanophora paradoxa (Glaucocystophyceae), выявлены N-концевые транзитные пептиды. По
гидропатическим свойствам, аминокислотной последовательности и особенно по структуре
участка, удаляемого при посттрансляционном процессинге, они очень близки к транзитным
пептидам белков, импортируемых в простые пластиды. Предшественник цитохрома с553,
для которого конечным пунктом доставки служит люменальное пространство, несет бипар-
титную сигнальную последовательность, и транспорт проходит в два этапа. Имеются дан-
ные, свидетельствующие о том, что перенос этого белка внутрь тилакоида осуществляется с
помощью Sec-системы (Schwartzbach et al., 1998).

Оболочка сложных пластид Euglenozoa и Dinozoa состоит из трех мембран. В отличие
от шероховатого эндоплазматического ретикулума (англ, rough endoplasmic reticulum, RER)
наружная мембрана пластиды не несет на своей поверхности рибосом. Существование зон
контактного взаимодействия между внутренней и промежуточной мембранами подтвержда-
ется данными электронной микроскопии.

Хлоропластные САВ-белки Euglenozoa синтезируются на цитоплазматических рибосо-
мах и поступают в аппарат Гольджи из эндоплазматического ретикулума (англ, endoplasmic
reticulum, ER) и ассоциированного с ним «компартментализованного осмиофильного тела»
(англ, compartmentalized osmiophilic body, COS). Эта белковая структура окружает участки
цитоплазмы, содержащие рибосомы, и состоит из центральной глобулы с ретикулярными
периферическими отростками. Такой же начальный механизм импорта белков, вероятно,
существует и у Dinozoa.

Будущие стромальные белки, в частности предшественники порфобилиногендеаминазы
и SSU-субъединицы RuBisCO, имеют бипартитную сигнальную последовательность. В нее
входит N-концевой домен, который обеспечивает котрапсляционное встраивание препро-
теина в мембрану ER и частично или полностью удаляется с помощью «эукариотной» про-
цессинг-пептидазы. Рядом с ним расположен второй сигнальный домен, необходимый для
проникновения белка в пластиду. Люменальные белки, например psbO-субъединица ОЕС,
имеют трипартитную сигнальную систему с дополнительным тилакоид-трансфертным до-
меном.

Последовательность событий при импорте белков в пластиды Euglenozoa и Dinozoa
(Schwartzbach et al., 1998) складывается из:

- включения препротеина в состав ER;

- транспорта упакованного препротеина от ER к аппарату Гольджи;

- транспорта упакованного препротеина из аппарата Гольджи к хлоропласту, где вези-
кулы сливаются со специфическими участками наружной мембраны оболочки пластиды.

В составе N-концевого сигнального участка импортируемых хлоропластных белков
Euglenozoa есть не удаляемая последовательность, закрепляющаяся в мембране, что препят-
ствует полной транслокации полипептидной цепи внутрь цистерны ER и структурный домен
полипептида временно остается в цитоплазме. У импортируемых белков пластид Dinozoa
нет такой «анкерной» последовательности, и препротеин целиком поступает внутрь цистер-
ны ER. Соответствующая ориентация сохраняется внутри везикул аппарата Гольджи— при
их слиянии с наружной мембраной пластидной оболочки в первом случае препротеин оста-
ется в цитоплазме, а сигнальный хлоропластный домен внедряется в межмембранное про-
странство; во втором случае препротеин поступает туда целиком.

Сигнальный участок препротеипа Euglenozoa длиннее, чем препротеина Dinozoa. Раз-
ница размера, по-видимому, связана с тем, что в первом случае мембраносвязанный препро-
теин должен присоединиться к рецептору, расположенному на промежуточной мембране
хлоропласта. Во втором случае препротеин свободно диффундирует к промежуточной мем-
бране в поисках рецептора на ее поверхности. Дальнейшие этапы переноса препротеина
внутрь пластиды еще не невыяснены, хотя вполне вероятно, что транслокация осуществля-
ется через каналы, локализованные в зоне контакта промежуточной и внутренней мембран,
по аналогии с основным путем импорта хлоропластных белков в простые пластиды
(Schwartzbach et al., 1998).

Сложные пластиды Chlorarachniophyceae и большинства представителей Chromista
имеют оболочку, в состав которой входят четыре мембраны. Поэтому стромальные белки в
ходе импорта должны преодолеть барьер из четырех мембран, а белки, окончательно лока-
лизующиеся в люменальном пространстве, даже из пяти мембран.

Наружная мембрана оболочки таких пластид может рассматриваться как производное
мембран ER. Она сливается с наружной мембраной ядерной оболочки и несет на своей ци-
топлазматической поверхности рибосомы (см. рис. 36). Две наружные мембраны оболочки
называют пластидным эндоплазматическим ретикулумом (англ, plastid endoplasmic
reticulum, PR), а пространство между ним и двумя внутренними мембранами, которое соот-
ветствует цитоплазме эукариотного эндосимбионта, — перипластидным пространством
(англ, periplastidic space, PS). Предполагается, что на рибосомах перипластидного ретикулу-
ма идет трансляция хлоропластных белков, а их транслокация через внешнюю мембрану
происходит котрансляционно. Внутри перипластидного пространства наблюдаются везику-
лярные структуры, участвующие в транспорте белков из перипластидного ретикулума, и
происходит трансляция полипептидов, которые кодируются в рудиментарном ядре сложной
пластиды— нуклеоморфе (см. разд. 5.2.1.3). Вполне возможно, что белки, закодированные
соответственно в ядре и нуклеоморфе, доставляются в пластиду различными путями (Gilson,
McFadden, 1996).

Предшественники фукоксантин-хлорофилл д/с-связывающих белков (FCP) содержат
бипартитные сигнальные последовательности, состоящие из ER-домена и пластидного до-
мена, а предшественник люменального РЕ Cryptophyceae трипартитную сигнальную после-
довательность с дополнительным С-терминальным тилакоид-трансфертным доменом
(Schwartzbach et al., 1998).

Препротеины, преодолевшие барьер оболочки пластиды, проникают в строму, где рас-
творимые стромальные процессинг-пептидазы (англ, stromal processing peptidase, SPP) отре-
зают от них транзитные пептиды (Cohen et al., 1995). Для одной части импортируемых бел-
ков, например для SSU-субъединицы RuBisCO, строма становится пунктом окончательной
локализации. Для других она служит транзитным компартментом, и процесс импорта за-
вершается встраиванием полипептида в мембрану тилакоида или его проникновением в лю-
менальное пространство (рис. 29). В обоих случаях тилакоид-трансфертный домен удаляет-
ся с помощью процессинг-пептидазы (англ, thylakoid processing peptidase, ТРР), связанной с
мембраной тилакоида.

В настоящее время достигнут большой прогресс в изучении механизмов, посредством
которых осуществляется транспорт белков в мембрану тилакоида и через нее — в люме-
нальное пространство (рис. 29). Если поступление белков в строму пластиды представляет
собой импорт из цитоплазмы клетки-хозяина, то перенос белков в мембрану тилакоида или
в люменальное пространство может с полным основанием рассматриваться как экспорт. И
неудивительно, что его механизмы так сходны с генеральными путями секреции белков в
бактериальной клетке.

У высших растений различают четыре основных механизма, или пути, внутрипластид-
ного транспорта белков: Sec-путь, SRP-путь, ДрН-зависимый путь и спонтанный путь (Cline,
Henry, 1996; Klosgen, 1997; Settles, Martienssen, 1998; Dalbey, Robinson, 1999).

Sec-путь транспорта (рис. 29, 1). Как известно, особенностью бактериальной Sec-
системы (сокр. англ, secretory) служит то, что с ее помощью транспортируются белки в раз-
вернутой (англ, unfolded) конформации и этот процесс нуждается в энергии АТР. При этом
Sec-путь не использует электрическую и осмотическую компоненты PMF, хотя в некоторых
случаях она может играть стимулирующую роль. Экспорт осуществляется при участии мо-
лекулярного шаперона SecB, который не дает препротеину принять свернутую (англ, folded)
конформацию и доставляет его к транслоказному комплексу. Последний состоит из инте-
гральных субъединиц SecY, SecE, SecG, SecD, SecF и yaiC, а также периферической субъе-
диницы SecA.

Субъединица SecA играет роль ATP-азы и в несколько циклов механически проталки-
вает препротеин через мембрану. Гример субъединиц SecY, SecE и SecG формирует прово-
дящий канал для экспортируемого белка. Дополнительный тример субъединиц SecD, SecF и
yaiC стабилизирует SecA при прохождении белка через мембрану и на этапе его высвобож-
дения в периплазму (Tjalsma et al., 2000).

Из компонентов транслоказной системы в пластидах в настоящее время выявлены
только гомологи бактериальных субъединиц SecA и SecY. До сих пор неизвестно, прини-
мают ли участие в процессе транспорта стромальные шапероны типа SecB (Settles,
Martienssen, 1998; Dalbey, Robinson, 1999).
ом CM

ICM

GDP+Pj

J '

Рис. 29. Системы импорта белка в тилакоиды хлоропластов.

Объяснение в тексте. 1 - Sec-путь транспорта, 2 - ДрН-зависимый путь транспорта, 3 - SRP-путь транс-
порта, 4 - спонтанный путь транспорта. ОМ и СМ - наружная и внутренняя мембраны оболочки хлоропласта;
ICM - мембрана тилакоида; SPP - стромальная процессинг-пептидаза; ТРР - тилакоидная процессинг-
пептидаза. Меньшие блоки транспортируемого белка - транзитные пептиды.

С помощью Sec-зависимой системы в люменальное пространство переносятся такие
белки, как Рс, PsaF-субъединица PSI, PsbO-субъединица ОЕС, а также цитохром f557.

SRP-путь транспорта (рис. 29, 3). Этот GTP-зависимый путь реализуется при посред-
стве гак называемой «сигналраспознающей частицы» (англ, signal recognition particle, SRP),
которая обеспечивает котрансляционную транслокацию белков из цитоплазмы клеток выс-
ших эукариотов в ER. Подобно генеральному секреторному Sec-пути у бактерий эта система
нуклеозидтрифосфатзависимая (в данном случае это специфическая потребность в GTP) и
экспортирует белки в развернутой конформации. SRP-путь дополнительно использует энер-
гию PMF и ингибируется нигерицином — Ыа+/Н+-антипортером, снимающим ДрН.

В составе ER эукариотной клетки содержатся гомологи двух субъединиц бактериальной
транслоказы, образующих трансмембранный канал Sec61 (SecY и SecE), однако отсутствует
гомолог субъединицы SecA. Вместо этого Sec61 непосредственно взаимодействует с цито-
плазматическим фактором SRP, который представляет собой мультимерный комплекс, со-
стоящий из шести субъединиц (9, 14, 19, 54, 68 и 72 кДа). Сигнальная последовательность
транспонируемого полипептида связывается с субъединицей SRP-54 через ее метионинбога-
тый М-домен (сокр. англ, methionine). Другой, глицинбогатый G-домен (сокр. англ, glycine)
служит сайтом связывания GTP. Помимо этого SRP взаимодействует с молекулой 7S рРНК,
а также с мембранным рецептором (Rapoport et al., 1996).

Возможно, что упрощенная версия SRP-системы имеется у бактерий, поскольку в со-
ставе бактериальных геномов выявлен ген ffli, гомологичный гену субъединицы SRP-54, а
также ген ftsY, гомологичный гену рецептора SRP.

При участии системы SRP-типа в тилакоидную мембрану встраиваются хлорофиллсвя-
зывающие белки Lhca и Lhcb, синтезируемые на цитоплазматических рибосомах, а также
субъединица D1, которая транслируется непосредственно в хлоропласте. В отличие от
котрансляционной транслокации у эукариотов с помощью пластидной SRP-системы осуще-
ствляется посттрансляционный транспорт. Несколько лет назад в строме хлоропластов был
обнаружен белок, гомологичный эукариотному SRP54-6enKy. Он выполняет функцию час-
тицы, распознающей и связывающей транспортируемый полипептид. Этот белок cpSRP54
(сокр. англ, chloroplastic) функционально не зависит от 7S РНК и ассоциирован с дополни-
тельным компонентом транспортной системы — cpSRP43 (Dalbey, Robinson, 1999).

Сигнальные пептиды предшественников Lhca- и Lhcb-белков не содержат тилакоид-
трансфертного домена. Кроме того, в хлоропластах не обнаружены элементы SRP-системы,
которые были бы подобны SRP-рецептору эукариотов и FtsY эубактерий. Скорее всего до-
мен, обеспечивающий распознавание транслоцируемого белка со стороны SRP и специфи-
ческого локуса мембраны, расположен внутри структурной части полипептида, и его гидро-
фобные свойства определяют точный таргетинг (Klosgen, 1997). Таким образом, SRP-путь в
основном предназначен для интегральных белков. Однако есть данные, что некоторые бел-
ки, обладающие тилакоид-трансфертным доменом, сначала распознаются SRP-аппаратом, а
затем уже передаются Sec-системс, которая транслоцирует их в люменальпое пространство,
(Settles, Martienssen, 1998).

ДрН-зависимый путь транспорта (рис. 29, 2). В отличие от Sec- и SRP-пути этот путь
не является нуклеозидтрифосфатзависимым. Для него не требуется участие стромальных
факторов, однако он полностью зависит от PMF, поскольку ингибируется нигерицином.
Белки, транслоцируемые с помощью этой системы, сходны с субстратами Sec-трансло-
казы — они также имеют тилакоид-трансфертный домен, состоящий из Ь1 -концевого участ-
ка, гидрофобного tz-спирального Н-участка (сокр. англ, hydrophobic) и С-концевого участка
с фрагментом, удаляемым с помощью процессинг-пептидазы. В полипептидах, транспорти-
руемых по PMF-зависимому пути, в тилакоид-трансфертном домене непосредственно перед
Н-последовательностью расположен консервативный мотив из парных (англ, twin) остатков
аргинина (Seidler, 1996).
У высших растений идентифицирован белок НсПОб, необходимый для функциониро-
вания данной транспортной системы. Он локализован в тилакоидной мембране и содержит
С-концевой стромальный домен. Высказываются предположения, что НсПОб может дейст-
вовать как транслоказа (Settles, Martienssen, 1998).

Данный путь транспорта белков сперва считали уникальным для хлоропластов, однако
в настоящее время в составе бактериальных геномов выявлены гомологи НсПОб, которые
раньше рассматривались как не идентифицированные открытые рамки считывания. В част-
ности, у Е. coli имеются четыре гена, совместно участвующие в кодировании гипотетиче-
ского ДрН-зависимого пути транспорта. Это гены tatA, tatB и tatC, образующие ГяГ-оперон
(сокр. англ, twin-arginine translocation), а также ген tatE (Berks et al., 2000). Хотя продукты
этих генов еще не идентифицированы, у мутантов по генам tatA и tatE нарушен экспорт по
меньшей мере пяти периплазматических белков, имеющих парную последовательность Arg-
Arg в составе сигнальных пептидов (Settles, Martienssen, 1998).

ДрН-зависимый путь принципиально отличается от Sec- и SRP-систем, транспорти-
рующих полипептиды в развернутой конформации. Он предназначен для белков в сверну-
той конформации, с большим количеством поперечных сшивок. Рациональное объяснение
этому можно найти в общем происхождении ДрН-зависимого пути с Tat-системой Е. coli. С
ее помощью в периплазматическое пространство экспортируются белки, содержащие ре-
доксактивные FeS-кластеры, молибденсодержащие центры и т.д. Присоединение этих ко-
факторов к апопротеину осуществляется в цитоплазме, что исключает возможность экспор-
тирования функционально бесполезного белка (Dalbey, Robinson, 1999).

По ДрН-зависимому пути через тилакоидную мембрану переносятся такие белки, как
PsaN, PsbP, PsbQ и PsbT.

Спонтанный путь транспорта (рис. 29, 4). Этот механизм транслокации полипепти-
дов не имеет аналогов у бактерий. Он не нуждается в нуклеозидтрифосфатах, не требует для
себя участия стромальных факторов и не зависит от PMF. Обработка мембран протеазами
не препятствует встраиванию белка, что свидетельствует об отсутствии на стромальной по-
верхности специального рецептора, хотя препротеины содержат отщепляемые сигнальные
пептиды (Klosgen, 1997). С помощью данной системы транспортируются белки, имеющие
по одному трансмембранному домену, в частности, субъединицы PsbX и PsbW, а также Ь-
субъединица Р0-домена АТР-синтазы.

Посттрансляционный таргетинг тилакоидных белков у цианобактерий. В полно-
стью секвенированном геноме Synechocystis sp. РСС 6803 обнаружены последовательности,
гомологичные компонентам транслоказного комплекса оболочки хлоропластов высших рас-
тений (Тос75, Тос34 и Tic55), что позволяет использовать цианобактерии в качестве экспе-
риментальной модели для изучения импорта белков в пластиды (Heins et al., 1998).

Механизмы транспорта люменальных белков у цианобактерий сходны с Sec-системой
прежде всего в отношении структуры сигнальных пептидов (Mackie, Zilinskas, 1994). В со-
ставе тилакоидов Synechococcus sp. выявлен основной компонент транслоказного комплек-
са— SecY (Nakai et al., 1993). He исключается и дополнительное функционирование SRP- и
АрН-зависимого пути, а также спонтанного пути транспорта, хотя в настоящее время отсут-
ствуют экспериментальные данные, которые указывали бы на существование таких систем у
Cyanobacteria (Seidler, 1996).

Сборка тилакоидных мембран. Необходимым условием нормального функциониро-
вания оксигенного фотосинтетического аппарата является его высокая упорядоченность.
Она выражена как в пространственной организации мультиполипептидных комплексов, так
и на уровне динамического взаимодействия между отдельными комплексами. Поэтому
встраивание апопротеинов в тилакоидную мембрану, их ассоциация с пигментными и бес-
цветными кофакторами, а также объединение индивидуальных субъединиц в интегральные
системы находится под постоянным регуляторным контролем.

На примере С. reinhardtii показано, что синтез интегральных субъединиц СР47, D1 и D2
идет взаимно координированным путем. Ассоциация только что синтезированного полипеп-
тида Die небелковыми кофакторами PSII — хлорофиллом а, феофитином a, PQ и негеми-
новым железом— происходит одновременно с его интеграцией в мембрану (см.: Webb,
Sherman, 1994).

Для точного встраивания полипептидов в тилакоиды необходимо участие растворимых
кофакторов белковой природы. После импорта препротеинов (в частности, предшественни-
ков /3-субъединицы АТР-синтазы и САВ-полипептидов) в строму хлоропласта они взаимо-
действуют с гомологами бактериальных шаперонов GroEL и DnaK. Предполагается, что
роль шаперона GroEL состоит в стабилизации и предотвращении агрегации полипептидов,
тогда как шаперон DnaK может действовать непосредственно в зоне встраивания полипеп-
тидов в мембрану. Молекулярный механизм действия этих шаперонов, вероятно, заключа-
ется в том, что они поддерживают полипептиды в развернутой конформации.

С помощью методов иммуноцитохимического анализа установлено, что в вегетативных
клетках Anabaena sp. РСС 7120, а также Synechococcus sp. РСС 7942 белок GroEL ассоции-
рован преимущественно с тилакоидами. Этого следовало ожидать, если принять во внима-
ние участие данных белков в сборке фотосинтетических ламелл. Иммунозонды в основном
локализовались на внешней поверхности периферических тилакоидов, тогда как в клетках,
подвергнутых тепловому стрессу, конъюгаты с частицами коллоидного золота обнаружива-
лись в цитоплазме (Webb, Sherman, 1994).
Глава 5

БИОРАЗНООБРАЗИЕ И
ФИЛОГЕНИЯ ОКСИГЕННЫХ ФОТОТРОФОВ

Молекулярный механизм фототрофии имеет очень древнее эволюционное происхожде-
ние. По-видимому, он возник еще на стадии «прогенота» (англ, progenitor — основатель ро-
да), или гипотетического клеточного организма, которого считают общим предком монад,
относящихся к трем глобальным филогенетическим доменам: Bacteria, Archaea и Еисагуа
(см.: Doolittle, 2000). В настоящее время фотосинтетический аппарат рассматривают как
одну из важнейших фенотипических черт архаичных бактерий, наряду с грамотрицательным
строением, термофилией и углеродавтотрофией (Olsen et al., 1994).

По современным представлениям, морфофункциональная эволюция домена Bacteria
была связана с редукцией фотосинтетического аппарата из-за делеции генов, кодирующих
апопротеины реакционных центров и антенных систем. Таким образом, отдаленными пред-
ками большинства хемотрофных бактерий были фототрофы (Stackebrandt et al., 1996).
Сходная по своему результату редукционная биоэнергетическая стратегия прослеживается в
тех эволюционных линиях протистов, которые в ходе эволюции утратили пластиды и вто-
рично перешли к хемогетеротрофии (Cavalier-Smith, 1999).

Ведущим критерием биоразнообразия фототрофных бактерий служит тип строения ре-
акционных центров (см. разд. 3.6). Уникальная особенность филы Cyanobacteria состоит в
том, что ее представители одновременно имеют реакционные центры двух типов — R.CI и
RCII. Как уже указывалось, организация этих надмолекулярных структур высоко консерва-
тивна и практически одинакова у всех оксифотобионтов. В то же время светособирающие
антенные системы, ассоциированные с реакционными центрами, имеют разное строение
(см. Пиневич и др., 2000).

Мультивариантность антенн Cyanobacteria наблюдается как в онтогенезе (адаптивная
экспрессия), так и филогенезе. По-видимому, прародительская форма цианобактерий имела
сразу несколько антенн. Ее потомки сформировали веер эволюционных линий и в ходе ди-
вергенции потеряли одни варианты антенн, сохранив другие, что в сочетании со вторичны-
ми молекулярными модификациями породило пестрые сочетания антенных систем в совре-
менном спектре биологического разнообразия Cyanobacteria (см. Pinevich et al., 1997).

Оксигенная фототрофия лежит в основе энергетического метаболизма как одноклеточ-
ных, так и многоклеточных оксифотобионтов, в том числе высших растений. Однако при-
менимо к конкретным организмам понятия «оксигенный фототроф» и «оксифотобионт» не
всегда совпадают.

Оксигенные фототрофы— это монады, имеющие оксигенный фотосинтетиче-
ский аппарат; к ним относятся бактерии из филы Cyanobacteria, а также простые
пластиды — облигатные эндоцитобионты цианобактериального происхождения.
По сравнению с этим понятие «оксифотобионт» охватывает более широкий круг объек-
тов, и не каждого оксифотобионта можно считать оксигенным фототрофом.

Оксифотобионты — это сборная группа монад и химер, для которых способом по-
лучения метаболической энергии служит оксигенная фототрофия; к ним относятся
оксигенные фототрофы, а также химеры, которые используют энергию, ассимилиро-
ванную пластидами.

Следует еще раз подчеркнуть, что фототрофный механизм создания PMF (см. разд. 1.3)
имеется только у бактерий и произошедших от них простых пластид.

Из сказанного вытекает парадоксальный, на первый взгляд, вывод, что фотосинтези-
рующие протесты и растения не относятся к оксигенным фототрофам. Однако дело обстоит
именно так, и признание химерной цитологической природы таких организмов (см. разд.
1.1) требует следующего логического шага— признания их химерной метаболической при-
роды.

Четко разграничить понятия «оксигенный фототроф» и «оксифотобионт» труднее в том
случае, когда речь идет о сложных пластидах. Как известно, эти органеллы произошли не от
бактерий, а от ядерных клеток, которые уже содержали простые пластиды. Поэтому в них
сохраняются цитологические структуры первого хозяина — дополнительные мембраны
оболочки, 80S рибосомы и рудиментарное ядро. Однако по сравнению с доминирующей
«бактериальной» кор-структурой эти реликтовые образования слабо выражены, они не уни-
версальны, а главное — в масштабах симбиотической ассоциации они проявляют низкую
функциональную активность. Таким образом, сложные пластиды также можно рассматри-
вать как оксигенных фототрофов.

К оксигенным фототрофам в первую очередь относятся бактерии из филы
Cyanobacteria (ВХ), которая является одной из архаичных ветвей эволюционного древа
Bacteria. Как уже указывалось, основой для его объективной реконструкции служат резуль-
таты анализа нуклеотидных последовательностей генов, входящих в состав рибосомальных
(/-//г) оперонов (Hugenholtz et al., 1998). Заслуга молекулярной палеонтологии в том, что она
последовательно применяет молекулярно-филогенетический критерий не только к прокари-
отным и эукариотным организмам, но и к энергоассимилирующим органеллам, в частности
к пластидам и митохондриям. В результате установлено, что наряду с бактериями к филе
Cyanobacteria (ВХ) принадлежат простые пластиды, или фототрофные ксеносомы. Мито-
хондрйи, или хемотрофные ксеносомы, относятся к другой филе - Proteobacteria (ВХП).

Ксеносомами (англ, xenosome; от греч. £evo£— чужой, осоца— тело) называют таких
эндоцитобионтов, которые в ходе эволюции превратились в энергоассимилирующие орга-.
неллы эукариотных клеток. К этой гетерогенной группе генетически и цитофизиологически
редуцированных организмов относятся «простые» (англ, simple) ксеносомы — цианеллы
Glaucocystophyceae, а также простые пластиды Rhodophyceae и Viridiplantae. Все они про-
изошли непосредственно от оксигенных фототрофных бактерий.

Помимо нескольких вариантов простых ксеносом существуют «сложные» (англ,
complex) ксеносомы. Примером служат сложные пластиды — редуцированные эукариотные
эндоцитобионты, содержащие простую пластиду в качестве кор-структуры.

Как синоним для обозначения сложных пластид используется броский термин «подер-
жанные» (англ, second hand) пластиды, хотя в нем есть смысловая неточность — даже пре-
дельно редуцированная эукариотная клетка не может быть цитологическим эквивалентом
собственной ксеносомы. Сложные пластиды характерны для хромобионтов-С/гго/шдтя и
хромобионтов-АЭшб’гглз, а также для хлоробмотов-Chlorarac'viiopliyceae и хлоробионтов-
Euglenozoa (Douglas, 1998).

При описании биологического разнообразия оксигенных фототрофов, а также в целях
их классификации учитывается сложный комплекс фенотипических и генотипических при-
знаков. Важнейшим критерием, на основе которого выделяются отдельные типы пластид,
служит строение светособирающих антенн; ультраструктурные признаки имеют подчинен-
ное значение. Иная картина наблюдается у оксигенны?< фототрофных бактерий — при их
классификации в качестве ведущего признака используется морфология клеток и форма
клеточных агрегатов (см. Пиневич, 1999).

5.1. ЦИАНОБАКТЕРИИ

В соответствии с современными геологическими, геохимическими и палеонтологиче-
скими данными фила Cyanobacteria (ВХ) обособилась ~3,5 эонов, или млрд лет, назад
(Schopf, 2000а,b). Помимо термина «эон» (англ, eon; от греч. — ранний) для обозначе-
ния геохронологических периодов, которые измеряются миллиардами лет, в современной
литературе часто используется термин «gyr» (сокр. англ, gigayear, т.е. 109лет). В свою оче-
редь, интервалы времени продолжительностью в миллионы лез обозначаются термином
«та» (сокр. англ, million years).

Согласно результатам сравнительного секвенирования «сигнальных» участков генома,
кодирующих 16S рРНК, фила Cyanobacteria является одной из наиболее архаичных ветвей
эволюционного древа Bacteria. По современным данным (Giovannoni et al., 1988), к ней
принадлежат;

- оксигенные фототрсфные бактерии (цианобактерии sensu stricto и прохлорофиты);

- облигатные эндоцитобионты клеток Glaucocystophyceae (цианеллы);

- простые пластиды.

Специфическими и универсальными хромосомными маркерами Cyanobacteria служат
гены, которые кодируют апопротеины PS1 и PSII (psaA-M. psbA-W), а также ген, кодирую-
щий Мп-стабилизирующий белок ОЕС (psbO).

В зависимости от наличия вспомогательных хлорофиллов оксигенные фототрофные
бактерии подразделяются на две группы;

- цианобактерии sensu stricto (вспомогательные хлорофиллы отсутствуют);

- прохлорофиты (имеется хотя бы один вспомогательный хлорофилл).

У цианобактерий sensu stricto функцию вспомогательных хлорофиллов выполняют би-
лины. Что касается прохлорофитов, то они или вовсе не имеют билинов, или содержат би-
лины наряду со вспомогательными хлорофиллами.

Разделение оксигенных фототрофных бактерий на две группы в соответствии с типом
хромофора подкреплено дихотомической классификацией соответствующих апопротеинов,
которые имеют гетерологическую первичную структуру и различно расположены по отно-
шению к мембране. В случае хлорофиллов это интегральные, в случае билинов — эпимем-
бранные апопротеины.

LHC как высший агрегат белок-пигментных комплексов или хромопротеинов сущест-
вует в двух основных вариантах. Это либо интегральный каротиноид-хлорофилл-белковый
комплекс, либо эпимембранная фикобилипротеиновая антенна (PBS). Цианобактерии sensu
stricto образуют PBS и у них нет интегральных LHC. У прохлорофитов имеется интеграль-
ный LHC при отсутствии PBS и аналогичных структур или в сочетании с ними.

То, что синезеленые водоросли принадлежат к филогенетическому мегатаксону
Bacteria — неопровержимый факт, игнорировать или недооценивать который в настоящее
время рискуют лишь немногие ботаники-традиционалисты. Тем более удивительно, что
среди бактериологов встречаются те, кто придерживаются компромиссной точки зрения,
обособляя цианобактерий от «эубактерий».

То, что цианобактерии имеют бактериальный геном, доказывается результатами срав-
нительного молекулярного анализа, при котором в качестве ведущего критерия эволюцион-
ного родства используются нуклеотидные последовательности генов рРНК. Для цианобак-
терий свойствен грамотрицательный бактериальный морфотип, отличительным признаком
которого служит периплазматический компартмент, ограниченный двумя мембранными
структурами — СМ и ОМ. К важным признакам цитоархитектоники цианобактерий отно-
сится постоянное присутствие ламеллярной системы, чем они отличаются от других бакте-
рий, имеющих ICM (у которых этот признак не универсален даже для близкородственных
форм, а его экспрессия, как правило, носит адаптивный характер, см.: Pinevich, 1997).

По типу метаболизма цианобактерии — оксигенные фототрофы, которые редко прояв-
ляют способность к факультативно аноксигенной фототрофии. Для них характерна углерод-
и азотавтотрофия (диазотрофия). Большинство цианобактерий относится к облигатным уг-
леродавтотрофам, что, однако, не исключает наличия у ряда штаммов фото- и хемогетеро-
трофии.

Цианобактерии сравнительно недавно оказались среди объектов бактериологии, и их
эколого-флористическое изучение продолжает входить в круг проблем альгологии. Однако
нелишне напомнить, что радикальное изменение таксономического статуса — не исключи-
тельный случай; с прогрессом биологии традиционные для одной дисциплины объекты мо-
гут переходить в ведение другой. Так, например, миксобактерии и актиномицеты сперва
были описаны как низшие грибы и изучались микологами. И все более очевидно, что после-
довательный подход к разграничению биологических дисциплин, основанный на специфике
и единстве предмета исследования, требует исключения из числа объектов бактериологии не
только «архебактерий» классов Halobacteria и Methanobacteria (которые до конца 1970-х
годов рассматривались как бактерии), но и всех архей — представителей самостоятельного
филогенетического домена.

Ошибочная атрибуция цианобактерий как растений находит простое объяснение. Как
известно, с начала XX в. фенотипическая классификация бактерий проводилась главным
образом с учетом особенностей их метаболизма (см. Palleroni, 1983). Оксигенный фотосин-
тез традиционно считался свойством растений, и поэтому любой оксигенный фототрофный
организм причисляли к царству Plantae.

Существенно, что цианобактерии обычно не проявляют сильно выраженной «экстра-
вертной» биосинтетической или деструктивной активности, не выделяют специфических
экзометаболитов и не патогенны. Таким образом, для них не характерны те свойства, кото-
рые в период становления бактериологии лежали в основе восприятия бактерий как само-
стоятельной группы организмов и определяли избирательный интерес к ее представителям.
Кроме того, применительно к цианобактериям непригоден метод элективных питательных
сред, и для получения чистых культур этих микроорганизмов сих пор используются специ-
альные приемы.
В середине XIX в. цианобактерии как атипичные водоросли-«дробянки» (Schizo-
phyceae) были объединены с хемотрофными бактериями как атипичными грибами-
«дробянками» (Schizomycetes) в самостоятельный отдел растительного царства —
Schizophyta (F. Cohn). В качестве основного признака схизофитов была использована, по-
мимо отсутствия клеточного ядра, способность к размножению путем амитотического би-
нарного деления (лат. schizo-; от греч. oyi^co — раскалываю пополам). Несмотря на конст-
руктивный подход, предвосхитивший идею глобальной дихотомии, окончательная биологи-
ческая идентификация цианобактерий, формулировка их истинного организационного и
таксономического статуса, задержалась еще на целое столетие.

То, что цианобактерии относятся к бактериям, а не растениям, логически вытекало из
концепции, согласно которой бактерии и прокариоты представляют собой тождественные
категории (см. разд. 1.1). С начала 1980-х годов получил широкое распространение термин
«цианобактерии» (англ, cyanobacteria; от греч. Kuaveo^— синий, рактроу— палка; R.
Stanier), от которого, в свою очередь, произошло название филы Cyanobacteria (ВХ).

Как уже отмечалось, в настоящее время показано, что существуют два прокариотных
домена, и, следовательно, дихотомическая макросистема не соответствует истинной, фило-
гении (Wheelis et al., 1992). В отличие от нее тритомическая макросистема рассматривает
цитоархитектонику с точки зрения организации мембранного аппарата, и по данному при-
знаку выделяются три морфотипа — археотный, бактериальный и кариотный (см. разд. 1.1).
Признаком бактериального морфотипа служит сочетание трех мембранных структур — СМ,
ОМ и ICM. Таким образом, в соответствии со своим морфотипом цианобактерии занимают
четкое положение в рамках тритомической системы.

После того как Стениером и его последователями была обоснована концепция циано-
бактерий, перед исследователями встали конкретные задачи, связанные с физиолого-
биохимическим и генетическим исследованием этих микроорганизмов. С этой целью были
выделены аксеничные культуры, вошедшие в коллекции музейных штаммов (Stanier, 1980).
В настоящее время число наиболее крупных коллекций уже достигло 70.

Классификация. В своем первоначальном виде классификация цианобактерий отра-
жала состав самостоятельного раздела коллекции типовых культур, депонированных в па-
рижском Пастеровском институте (Pasteur Culture Collection, РСС). Как и любая бактерио-
логическая система, она учитывала морфологические, ультраструктурные, физиолого-
биохимические и молекулярно-биологические свойства, а также культуральные признаки и
экологические характеристики объектов хранения (Rippka et al., 1979).

Первая таксономическая система оксигенных фототрофных бактерий была приведена в
III томе «Руководства Берги по систематике бактерий» (см.: Castenholz, Waterbury, 1989). С
целью разграничения цианобактерий от прохлорофитов (пор. Prochlorales) был использован
альтернативный хемотаксономический критерий. Признаком цианобактерий было предло-
жено считать пигментную формулу РВР+/хлорофилл Ь~, а прохлорофитов — формулу
РВР7хлорофилл Ь+. В соответствии со способностью к оксигенной фототрофии обе группы
были помещены в одно и то же нетаксономическое подразделение — «секцию» (section XI:
«Oxygenic Phototrophic Bacteria»).

Несмотря на то, что прохлорофиты кардинально отличаются от цианобактерий органи-
зацией основного светособирающего комплекса, филогенетически они не разобщены
(Palenik, Haselkorn, 1992; Olsen et al., 1994). Кроме того, результаты секвенирования 16S
рРНК показали, что прохлорофиты полифилетичны и проявляют избирательное родство с
различными группами цианобактерий (Urbach et al., 1992).
В цитированном издании «Руководства Берги по систематике бактерий» выделение
прохлорофитов в пор. Prochlorales аргументировалось тем, что они контрастно отличаются
от цианобактерий по составу вспомогательных пигментов (Florenzano et al., 1986). Однако
факты, свидетельствующие о поливариантности не только вспомогательных, но и главных
пигментов у прокариотных оксифотобионтов (см. табл. 3), потребовали переоценки роли
этого хемотаксономического критерия — в противном случае любой вновь выявленной ком-
бинации пигментов логически должен соответствовать таксон в ранге не ниже порядка.

Альтернативный подход к систематике оксигенных фототрофных бактерий состоял в
отмене пор. Prochlorales и распространении на прохлорофитов тех принципов морфологи-
ческой классификации, которые традиционно используются в таксономии цианобактерий.
Соответственно было рекомендовано поднять статус цианобактерий до уровня филы и объ-
единить одноклеточных прохлорофитов (Prochloron, Prochlorococcus и Acaryochloris) с хро-
ококковыми, а нитчатых прохлорофитов (Prochlorothrix) — с осциллаториевыми цианобак-
териями (Pinevich et al., 1997).

Эти рекомендации в полном объеме учтены в следующем (2001) издании «Руководства
Берги по систематике бактерий». С этого момента фила оксигенных фототрофных бактерий
приобрела легитимное название Cyanobacteria (ВХ). Как и в предыдущем издании, циано-
бактерии разбиты на пять «Субсекций» (Subsection). Диагнозы последних основаны исклю-
чительно на морфологических признаках, которые диагностируются на клеточном уровне
(Castenholz, 2001):

- морфотип одноклеточный (англ, unicellular) и/или квазимногоклеточный трихомный
(англ, trichome; от греч. трг^о^ — волос);

- - деление бинарное (англ, binary fission) или множественное (англ, multiple fission), оно
же дробление:

- дифференциация в стрессовых условиях отсутствует или образуются покоящиеся
цисты-акинеты (англ, akinete; от греч. а — без и kiveco — двигаюсь) и/или диазотрофоциты-
гетероцисты (англ, heterocyst; от греч. етероС — другой и късгс^ — пузырь);

- ветвление истинное или ложное.

Субсекция I (ранее— пор. Chroococcales) содержит 14 «форм-родов». Это однокле-
точные цианобактерии, которые делятся исключительно бинарно: эквивалентно
(Synqchococcus и др.) или неэквивалентно (Chamaesiphon). К числу ведущих диагностиче-
ских признаков относятся:

- отсутствие тилакоидов (G. violaceus);

- реориентация плоскости последовательных клеточных делений на 90 (Synechocystis
и др.);

- образование сложной системы чехлов, объединяющих клетки в агрегаты (Gloeothece
и др.);

- наличие газовых везикул {Microcystis).

Для сборных родов (Chroococcus и др.) предложено подразделение на кластеры, в кото-
рые входят штаммы с различным размером клетки и различным мол. % Г+Ц. Помимо циа-
нобактерий sensu stricto в эту Субсекцию помещены одноклеточные прохлорофиты —
Prochlorococcus и Prochloron.

Субсекция II (ранее — пор. Pleurocapsales) состоит из шести «форм-родов» и сборной
группы Pleurocapsa, которая подразделяется на три кластера штаммов с различным разме-
ром клетки и различным мол. % Г+Ц. Это одноклеточные цианобактерии, которые характе-
ризуются уникальной способностью к множественному делению с образованием беоцитов
(англ, baeocyte; от греч. |3(ио<^— маленький, кото^— сосуд). В качестве основных диагно-
стических признаков использованы:

- подвижность (Stanieria и др.) или неподвижность {Xenococcus и др.) беоцитов, что
связано соответственно с отсутствием или наличием чехла;

- способность к бинарному делению помимо множественного (Dermocarpella и др.);

- реориентация на 90 плоскости последовательных бинарных делений, приводящая к
образованию кубических пакетов клеток (Myxosarcina и др.);

- преобладание бинарного деления над множественным с формированием филаментоз-
ных и ветвящихся структур (группа Pleurocapsa).

Субсекция III (ранее— пор. Oscillatoriales) содержит 17 «форм-родов». Это трихом-
ные цианобактерии, которые неспособны образовывать акинеты и гетероцисты. У них от-
сутствует истинное ветвление, связанное с реориентацией плоскости деления на 90 , хотя в
некоторых случаях при наличии чехла происходит ложное ветвление фрагментированного
трихома. Важнейшими диагностическими признаками служат:

- пропорции клетки (Oscillatoria и др.);

- форма поперечного сечения клетки (Crinalium, Starria)',

- образование агрегатов газовых везикул (Limnothrix, Planktothrix)-,

- наличие глубоких «перетяжек» между соседними клетками в трихоме (Pseuda-
nabaena) или, напротив, их полное отсутствие (Geitlerinema, Leptolyngbya)\

- бревитрихомия (англ, brevitrichomy; от лат. brevis — короткий и греч. трт/о^ — во-
лос), или образование олигомерных трихомов, построенных из 2-10 клеток (Borzia и др.);

- спирализация трихома (Arthrospira, SpirulinaY,

- образование хорошо выраженного чехла (Lyngbya и др.);

- объединение трихомов в пучки {Microcoleus, Trichoclesmium)\

- способность трихомов к ложному ветвлению (Symplocd).

Помимо цианобактерий sensu stricto в эту субсекцию помещен единственный род нит-
чатых прохлорофитов — Prochlorothrix.

Субсекция IV (ранее — пор. Nostocales) объединяет трихомных цианобактерий, неспо-
собных к истинному ветвлению. Они могут в определенных условиях образовывать акинеты
и гетероцисты, а также дифференцированные ювенильные трихомы, или гормогинии (англ,
hormogonium; от греч. /орцо^ — обрубок и yovo^ — рождение), исполняющие роль рассе-
лительной стадии в цикле индивидуального развития.

Данная Субсекция подразделяется на две части — IV.I (9 «форм-родов») и IV.II (3
«формы-рода»), В первом случае трихом никогда не проявляет базоапикальной полярности
и гормогонии обычно не образуются. Во втором случае полярность трихома хорошо выра-
жена и образуются гормогонии, которые значительно меньше по размеру, чем зрелые роди-
тельские трихомы.

Главными диагностическими признаками служат:

- пропорции клетки (Nodularia и др.);

- спирализация трихома (Cyanospira)-,

- способность трихомов к ложному ветвлению {Scytonema)\

- объединение трихомов в пучки {Aphamzomenon)\

— морфология и локализация гетероцист и акинет (Anabaenopsis, Cylindrospennuni)-,

- образование подвижных (Nostoc) или неподвижных (Calothrix и др.) гормогониев.
Представители сборных родов (Anabaena и др.) разбиты на кластеры штаммов с раз-
личным размером клетки и генома и различным мол. % Г+Ц.

Субсекция V (ранее — пор. Stigonematales) содержит шесть «форм-родов», объеди-
няющих цианобактерий с истинно ветвящимися трихомами. Они могут образовывать гете-
роцисты и акинеты, а также гормогонии. Это наиболее сложные в морфологическом отно-
шении цианобактерии. Основными диагностическими признаками представителей данной
Субсекции служат:

- дихотомическое (Geitleria и др.) или латерально-нерегулярное (Fischerella) ветвление;

- однорядный (Fischerella) или многорядный (Stigonema) трихом;

- фрагментация зрелых трихомов (Chlorogloeopsis)',

- наличие (Nostochopsis и др.) или отстутствие (Geitleria) гетероцист, а также их распо-
ложение;

- образование гормогониев (lyengariella и др.).

Приведенная классификация следует традициям ботанического описания Cyanophyceae
и в первую очередь опирается на общие морфологические признаки. Вместе с ними в от-
дельных случаях приняты во внимание ультраструктурные, физиологические и молекуляр-
но-биохимические особенности штаммов. К сожалению, все они рассматриваются в отрыве
от культуральных аспектов — физиологического статуса и фазового состояния, а также та-
ких проявлений биологического разнообразия, как мутант или конвергентная форма.

Главный недостаток современной классификации цианобактерий — то, что она исклю-
чительно фенотипическая. Однако не следует забывать, что несмотря на тенденции, впервые
нашедшие отражение во втором (2001) издании «Руководства Берги по систематике бакте-
рий», бактериология по-прежнему отдает предпочтение фенотипическому подходу перед
кладистическим (Palleroni, 1983).

Нерешенной проблемой остается создание объективной фенотипической системы, ко-
торая соответствует распределению объектов на ветвях эволюционного древа. Как уже ука-
зывалось, начиная с 1970-х годов для реконструкции филогении стал широко использовать-
ся метод сравнительного анализа нуклеотидных последовательностей универсальных кон-
сервативных генов рДНК (см: Wheelis et al., 1992). В настоящее время достигнуты заметные
успехи в изучении генома цианобактерий: построены физические и генетические карты
хромосом ряда одноклеточных и нитчатых штаммов, определена полная нуклеотидная по-
следовательность хромосомной ДНК Synechocystis sp. РСС 6803 (Kaneko, Tabata, 1997). По-
мимо этого частично секвенированы геномы пяти штаммов цианобактерий sensu stricto и
четырех штаммов прохлорофитов. По коэффициентам гомологии 16S рРНК построены кла-
дограммы прокариотных оксифотобионтов, цианелл и пластид (Wilmotte, Herdman, 2001).

Однако, как станет ясно из дальнейшего изложения, создание классификации циано-
бактерий, которая имеет под собой филогенетическую основу, остается делом будущего.
Возможно, что эта проблема вообще не найдет разумного решения.

Филогения. Современные представления о филогении оксигенных фототрофных бак-
терий— цианобактерий и прохлорофитов— основаны на результатах секвенирования 16S
рРНК, которые получены для 123 штаммов. Хотя использование разных математических
алгоритмов не привело к построению идентичных дендрограмм, складывающаяся картина в
целом непротиворечива (см.: Wilmotte, Herdman, 2001). Основной особенностью всех опуб-
ликованных вариантов дендрограмм Cyanobacteria служит то, что они представляют собой
вееры из ветвей с неявной субординацией — последовательностью отхождения от общего
ствола. По всей видимости, одновременно с появлением оксигенной фототрофии ветви дре-
ва формировались «взрывообразно» и дивергировали на относительно короткой эволюци-
онной дистанции. Такая нетривиальная черта оксигенных фототрофных бактерий препятст-
вует установлению иерархии таксономических уровней и не дает возможности построить
для них объективную таксономию.

По последним данным, нуклеотидные последовательности 16S рРНК цианобактерий
объединяются в 14 кластеров различного объема. Помимо них выявлено несколько после-
довательностей-«одиночек», которые не имеют близких гомологов (рис. 30). Подобно дре-
вам большинства бактериальных фил, в отдельных ветвях древа Cyanobacteria могут сосед-
ствовать штаммы с контрастными фенотипами, а штаммы с близкими фенотипами часто
имеют гетерологичную структуру генома.

Кластер I содержит исключительно трихомные формы, которые образуют гетероцисты
(Nostoc, Fischerella и др.).

Кластер II представлен пестрым ансамблем одноклеточных форм и включает пико-
планктонные штаммы Synechococcus из Саргассова моря, пресноводные штаммы Cyanobium
с крупными клетками, а также близкородственные штаммы одноклеточного прохлорофита
Prochlorococcus.

Кластер III включает несколько сходных штаммов нитчатых прохлорофитов, относя-
щихся к роду Prochlorothrix.

Кластер IV объединяет морские штаммы Leptolyngbya, имеющие узкие трихомы и со-
держащие РЕ. Вместе с ними парадоксально группируется морской одноклеточный штамм
Synechococcus sp. РСС 7335.

Кластер V — это пресноводные штаммы Leptolyngbya.

Кластер VI состоит из штаммов Pseudanabaena — трихомных цианобактерий осцилла-
ториевого типа, которые имеют агрегаты газовых везикул, расположенные у поперечных
перегородок, и характерные «перетяжки» между соседними клетками.

Кластер VII охватывает штаммы одноклеточных галотолерантных цианобактерий,
форма которых может быть эллипсоидной (Cyanothece) или палочковидной
(Dactylococcopsis).

Кластер VIII содержит одноклеточные штаммы, способные размножаться путем мно-
жественного деления (Pleurocapsa и др.).

Кластер IX объединяет штаммы Spirulina.

Кластер X представляет собой гетерогенный ансамбль одноклеточных (Synechococcus
sp. РСС 7002 и др.) и трихомных (Leptolyngbya sp. РСС 7376 и др.) штаммов.

Кластер XI — это только одноклеточные бинарно делящиеся штаммы (Synechocystis sp.
РСС 6803, Microcystis sp. РСС 7941 и др.).

Кластер XII составлен из группы морфологически сходных штаммов трихомных циа-
нобактерий Oscillatoria и Trichodesmium.

Кластер XIII содержит трихомные штаммы с прямыми (Lyngbya sp. РСС 7419 и др.) или
спиральными (Arthrospira sp. РСС 8005 и др.) трихомами.

Кластер XIV представлен трихомными цианобактериями осциллаториевого типа
(Geitlerinema).

Если сопоставить эти данные с вышеизложенной таксономической системой, то не-
трудно заметить, что одноклеточные цианобактерии Субсекций I и II, а также трихомные
цианобактерии Субсекции III не образуют филогенетически единых групп, а незакономерно
распределены по эволюционному древу. Что касается прохлорофитов, то они тесно объеди-
кластер I

------------- Chamaesiphon sp. РСС 7430
------------- Crinalium sp. PCC 9333
------------- Chroococcidiopsis sp. PCC 7203

кластер

кластер III

кластер IV

кластер V

кластер VI

нммммшм кластер VII

------------- Prochloron didemni

кластер VIII

в™™»™™ кластер IX

кластер X

«вив кластер XI

кластер XII

_ кластер XIII

Leeeeee кластер XIV

ЧИВИВИНИ1 простые пластиды

---------------- Gloeobacter violaceus

---------------- Chloroflexus aurantiacus (фи л a Chloroflexi)
Рис. 30. Филогенетическое древо Cyanobacteria.

Различие в толщине филогенетических ветвей условно отражает различие в
числе их известных представителей.
няются с цианобактериями sensu stricto и, таким образом, их выделение в самостоятельную
группу лишено не только фенотипических, но и генотипических оснований (см. Pinevich el
al., 1997).

Простые пластиды монофилетичны и образуют архаичную группу, которая отделилась
от ствола Cyanobacteria вслед за не имеющим тилакоидов G. violaceus (Turner et al., 1999).

Для прокариотных оксифотобионтов, как и для других монадных организмов, распре-
деление фенотипов по эволюционному древу незакономерно. По меньшей мере половину
Субсекций нельзя считать естественными ансамблями, причем максимальную полифилс-
тичность обнаруживают просто организованные представители Субсекции 1. Более сложно
устроенные представители Субсекций IV и V скорее всего монофилетичны.

Несмотря на то, что результаты секвенирования рРНК получены для сравнительно не-
многих объектов, очевидно, что морфологическая классификация Cyanobacteria имеет ис-
кусственный характер. Не только альтернатива «одноклеточный — трихомный морфотип»,
но и фундаментальная дихотомия «наличие-отсутствие 1СМ» нс подкреплены глубокой ген-
ной дивергенцией.

Хотя уникальная цианобактерия G. violaceus представляет собой архаичную форму, к
ней примыкают «тилакоидные» осциллаториевые штаммы Geitlerinema. Обособление про-
хлорофитов от цианобактерий также искусственно — Procldoron didemni, Prochlorococcus
marinus и P hollandica соседствуют с одноклеточными и трихомными штаммами цианобак-
терий в одних и тех же ветвях эволюционного древа (рис. 30).

Естественно, что классификацию не следует рассматривать как самоцель, ведь в дейст-
вительности эго всего лишь алгоритм, обеспечивающий упорядоченное описание и точную
идентификацию объектов. В задачи биологической классификации не входи г объяснение
закономерностей организации и эволюции живых организмов. Однако именно эти законо-
мерности должны составлять основу рациональной и по возможности максимально объек-
тивной классификации. При обсуждении проблем систематики Cyanobacteria данный аргу-
мент должен иметь решающее значение.

5.1.1. Цианобактерии sensu stricto

Как видно из диагнозов Субсекций 1-V, для цианобактерий sensu stricto характерно бо-
гатство клеточных форм и субклеточных структур. Морфологическое разнообразие описан-
ных к настоящему моменту цианобактерий сравнимо с морфологическим разнообразием
всех остальных бактерий и охватывает широкий спектр форм — от одиночных клеток и
простых трихомов до многорядных трихомов с истинным ветвлением, содержащих
дифференцированные клетки, среди которых особо выделяются такие уникальные
цитологические структуры, как гетероцисты. Тем не менее у цианобактерий неизвестны
представители с несептированными филаментозными клетками, а также с клетками,
имеющими жгутики или выросты-простеки.

Для цианобактерий sensu stricto свойственно высокое относительное содержание синего
пигмента — РС. Именно этим объясняются традиционные ботанические названия
(Cyanophyta, Cyanophyсеае) и произведенное от них название бактериального таксона
(Cyanobacteria). Характерную особенность пигментного состава цианобактерий отражают
тривиальные обозначения этих организмов на основных языках романской группы (англ,
blue-green algae, франц, algues bleues, нем. Blaualgen и т.д.), равно как и русский перевод
английского названия — синезеленые водоросли.
Термин «цианобактерии», естественно, не означает, что они обязательно должны иметь
сине-зеленую окраску. Действительно, за таким редким исключением, как жизнеспособные
РС“-мутанты (Bruce et al., 1989), присутствие синего пигмента является правилом для циа-
нобактерий.

Среди цианобактерий, в зависимости от относительного содержания хлорофилла, РС,
РЕ и каротиноидов, могут встречаться зеленые «виридозные» (с преобладанием хлорофил-
ла), синие «цианозные» (с преобладанием РС), пурпурные «эритрозные» (с преобладанием
РЕ), а также коричневые «флавонозные» (с преобладанием каротиноидов) формы. Одновре-
менное накопление каротиноидов и РЕ наблюдается у редко встречающихся малиновых
«виолатозных» цианобактерий (Pinevich et al., 2000). Схематическое представление об ос-
новных пигментных группах цианобактерий дает рис. 31.

Сине-зеленая Зеленая Синяя Пурпурная Малиновая Коричневая I Коричневая II

I22Z3 - хлорофилл а - каротиноиды - PC МЯИ - РЕ - РЕ 500

Рис. 31. Пигментные группы цианобактерий.

Высота столбца отражает соответственно низкое, среднее и высокое относительное содержание пигмента

Как у всех пигментированных организмов, окраска цианобактерий может адаптивно
изменяться. Например, при азотном голодании наступает состояние хлороза, связанное с
обратимой деструкцией РВР. Кроме того, при комплементарной хроматической адаптации
преимущественно синтезируется РС или РЕ (см. разд. 3.3.2).

Широко распространено мнение, что фотосинтетический аппарат цианобактерий по-
строен по типу фотосинтетического аппарата пластид. На наш взгляд, справедливо утвер-
ждать обратное, поскольку не цианобактерии произошли от пластид, а пластиды от циано-
бактерий, и именно от цианобактерий пластиды унаследовали свои функциональные струк-
туры.
Как бы то ни было, апопротеины фотосинтетического аппарата цианобактерий и пла-
стид характеризуются высокой степенью взаимной гомологии, а процессы ассимиляции све-
товой энергии в обоих случаях имеют глубокое сходство.

Общая организация мембранной системы. Особенность мембранной системы циа-
нобактерий — высокая консервативность. Если не считать единственного исключения (G.
violaceus), то ламеллярная система это, во-первых, обязательный элемент клетки любой
цианобактерии, который сохраняется во всех онтогенетических состояниях. Во вторых, в
отсутствие стресса универсальным модульным элементом ICM служит тилакоид. В третьих,
количество тилакоидов и их взаимное пространственное расположение относительно посто-
янны в широком диапазоне условий окружающей среды.

Поскольку в целом биогенез бактериальных ICM носит адаптивный характер, то такой
необычный консерватизм ламеллярной системы не может не вызвать интереса и требует
.какого-то объяснения. К сожалению, данный вопрос специально не обсуждался в литерату-
ре, однако можно предположить, что незаменимость тилакоидов объяснется их ролью в ас-
симиляции энергии. Возможно также, что именно они (а не СМ) специфически взаимодей-
ствуют с реплицирующейся хромосомой (Pinevich, 1997).

Представление о морфологической организации мембранной системы цианобактерий
дает рис. 32. Ее строение довольно разнообразно, однако подчиняется определенным зако-
номерностям. Так, у одноклеточных штаммов тилакоиды чаще всего образуют 2-5 перифе-
рических рядов, но известны и представители, у которых в клетке есть только один единст-
венный окаймляющий тилакоид или когда их число доходит до 20 и более. В некоторых
случаях пучки тилакоидов, напротив, занимают субрадиальное положение под углом 45-90°
к клеточной поверхности. Для нитчатых цианобактерий характерна динамичная морфология
ламеллярной системы, причем в зависимости от физиологического состояния может изме-
няться количество тилакоидов, их форма и взаимное расположение. Часто наблюдается ги-
пертрофия интратилакоидного пространства вплоть до везикулизации отдельных тилакои-
дов. Морфология ламеллярной системы в дифференцированных клетках характеризуется
рядом специфических особенностей, в частности, в гетероцистах в зоне контакта с вегета-
тивной клеткой расположен сотовидный агрегат тилакоидов (Stevens et al., 1991).

Рис. 32. Общий вид и ультраструктура Synechocystis sp. CALU-1077.

а - световая микрофотография; б - электронная микрофотография ультратонкого среза. 1 - фикобилисо-
ма; 2 - карбоксисома; 3 - цитоплазматическая мембрана; 4 - мембрана тилакоида. Масштаб - 5 мкм (а) и
0,5 мкм (б).
Цианобактерии сравнительно легко культивируются и из них можно получить элек-
тронно-микроскопические препараты хорошего качества. Казалось бы, это предоставляет
широкие возможности для построения 3-мерной модели эндомембранной системы. Хотя с
указанной целью использовалась техника криоскалывания, реконструкция по серийным
тонким срезам, а также высоковольтная электронная микроскопия толстых срезов в сочета-
нии с компьютерной обработкой изображений, результаты в целом оказались довольно
скромными, и картина пространственной организации системы тилакоидов, как и раньше,
остается неясной.

Некоторые авторы склонны интерпретировать тилакоиды как отдельные диски или уп-
лощенные мешки; другие описывают их как изолированные друг от друга концентрические
сферы, цилиндры или структуры нерегулярной формы; третьи рассматривают ламеллярную
систему как анастомозирующую сеть, состоящую из концентрически расположенных мем-
бранных доменов. Наиболее вероятно, что тилакоиды соединены между собой и одновре-
менно связаны с CM (Stevens et al., 1991; Gantt, 1994).

Литература по цианобактериям содержит ряд указаний на структурное взаимодействие
между тилакоидами и СМ, но выявление таких участков незакономерно и, вероятно, это
дело случая, поскольку они немногочисленны, расположены на значительном удалении друг
от друга и имеют узкое поперечное сечение.

Следует различать межмембранные контакты и межмембранные анастомозы. Послед-
ние, по-видимому, представляют собой стебельчатые каналы наподобие тех, что связывают
СМ с ICM у пурпурных бактерий или соединяют внутреннюю мембрану оболочки митохон-
дрий с кристами (Mannella et al., 1997). До сих пор неясно, служат ли межмембранные ана-
стомозы универсальным и постоянным элементом мембранной системы, каков механизм их
образования и распределения между дочерними клетками, а также в чем состоит их струк-
турное и функциональное значение. Поскольку биогенез 1СМ осуществляется автономно,
анастомозы с тилакоидами едва ли соответствуют инвагинациям СМ. Возможно, что роль
межмембранных анастомозов аналогична фиксирующей роли цитоскелета, хотя не исклю-
чено, что это всего лишь функционально несущественные рудиментарные образования
(Stevens, Nierzwicki-Bauer, 1991).

При разделении мембран Phormidium sp. в полимерной 2-фазной системе из декстрана
и полиэтиленгликоля с доочисткой в сахарозном градиенте была получена фракция, которая
имеет свойства СМ, однако в отличие от нее содержит некоторое количество хлорофилла.
Высказано предположение, что материал этой фракции представляет собой участки анасто-
мозов между тилакоидами и CM (Norling et al., 1997).

Цитоплазматическая мембрана. Изучение молекулярного состава и физиологических
свойств СМ наталкивается на методические препятствия, поскольку близко к ней распола-
гаются тилакоиды и она составляет минорную фракцию клеточного материала - не более
1% суммарного белка (Norling et al., 1997).

Результаты первых опытов по препаративному выделению СМ показали, что она имеет
оранжевую окраску из-за высокого относительного содержания ксантофиллов (Pinevich,
1978; Lockau, Pfeffer, 1982). В ее составе обнаружено до 40 полипептидов, среди которых
доминирует один с М, 40-45 кДа. Возможно, что это апопротеин каротиноид-белкового
комплекса, выполняющий фотопротекторную функцию (Bullerjahn, Sherman, 1986). У
Synechocystis sp. удельное содержание каротиноидов в СМ почти на порядок выше, чем в
тилакоидах (Omata, Murata, 1984). Основную часть их составляет зеаксантин (60%), в то
время как доля /З-каротина не превышает 3%. В тилакоидах, напротив, доминирует [5~
каротин (53%), а зеаксантин оказывается на втором месте (24%).

В составе СМ хлорофилл а отсутствует, и его выявление — результат контаминирова-
ния материалом фракции тилакоидов. В то же время показано, что в СМ содержатся пред-
шественники этого пигмента, в частности хлорофиллид a (Peschek, 1999).

За исключением G. violaceus, фотосинтетический аппарат цианобактерий сосредоточен
в тилакоидах. Однако в составе СМ обнаруживаются окрашенные каротиноиды, которые
обычно ассоциированы с фотосинтетическим аппаратом, но непосредственно не выполняют
антенной функции. Интересно, что СМ содержит также специфические компоненты ламел-
лярной системы, участвующие в функционировании оксигенного фотосинтетического аппа-
рата и локализованные в люменальном компартменте. Прежде всего это Мп-стаби-
лизируюшая субъединица ОЕС (Sherman et al., 1994). В области СМ выявлен и небольшой
пул минорных субъединиц PSI — PsaD и PsaE. По-видимому, эти данные свидетельствуют о
релаксированном таргетинге тилакоидных белков или о наличии ранее упомянутых участ-
ков взаимодействия между двумя компонентами мембранной системы.

Таким образом, цианобактерии имеют мембранную систему, которая состоит из двух
морфологически изолированных доменов — не содержащей хлорофилла СМ и тилакоидов,
в состав которых входит весь клеточный хлорофилл. Эти домены содержат ряд общих
функциональных компонентов, однако если ICM в энергетическом плане представляет со-
бой бифункциональную органеллу и может альтернативно поддерживать как фотосинтети-
ческий, так и дыхательный транспорт электронов, то СМ исключительно дыхательная орга-
нелла (Peschek. 1999). С помощью фотосинтетического аппарата (который связан с тила-
коидами) осуществляется оксигенная фототрофия; в темноте аэробная дыхательная цепь
(также связанная с тилакоидами) завершает окисление запасных гюлигликозидов, свободная
энергия которых конвертируется в PMF (рис. 33).

Биоэнергетическая роль СМ менее очевидна, и ее участие в процессе дыхания остается
под вопросом. Как известно, ключевым компонентом дыхательной цепи служат терминаль-
ные оксидазы, причем у всех аэробных организмов они окисляют хинолы (восстановленные
хиноны) или восстановленный цитохром с.

У цианобактерий основным типом терминальной оксидазы служит цитохромоксидаза
адз-типа, которая в зависимости от штамма и условий роста может быть по-разному распре-
делена между СМ и тилакоидами. Однако не вполне ясно, всегда ли цитохромоксидаза ло-
кализована в СМ, — попытки обнаружить ее там у некоторых штаммов Spirulina sp. дали
негативный результат (Xu et al., 1994).

В микроаэробной среде гем а, связанный с субъединицей I, частично замещается гемом
о, однако фермент по-прежнему продолжает выступать в роли цитохром с-оксидазы
(Peschek, 1996).

Цитохромоксидаза цианобактерий представляет собой интегральный комплекс (М,
-120 кДа), транслоцирующий протоны со стехиометрией Н+/е“ -1. Он существует в форме
димера и обнаруживает молекулярное сходство с цитохромоксидазой митохондрий. Однако
в отличие от митохондриального аналога, содержащего 13 субъединиц (см. разд. 1.3), цито-
хромоксидаза цианобактерий построена только из четырех субъединиц — трех больших и
одной малой. На примере Synechocystis sp. РСС 6803 установлено, что они кодируются опе-
роном eta, в состав которого входят типичные для многих бактерий «митохондриальные»
гены ctaC-E (гены субъединиц I-ПТ), открытая рамка считывания размером 134 т.п.н. (ее
возможный продукт не гомологичен большой субъединице IV), а также ген ctaF (ген субъе-
Рис. 33. Схема мембранной системы цианобактерий.

СМ - цитоплазматическая мембрана; ICM - мембрана тилакоида; PBS - фикобилисома; b/f - цитохром
/^/-комплекс; ааз - цитохромоксидаза. Не изображена наружная мембрана.

диницы IV). «Митохондриальная» субъединица IV содержит участки, характерные для су-
персемейства ABC-белков (сокр. англ. АТР-binding cassette), что объясняет регуляторный
эффект, оказываемый на активность цитохромоксидазы со стороны ADP и АТР (Peschek,
1996).

Роль донора электронов для цитохромоксидазы играет периплазматический цитохром
с. Он рыхло связан с экзоплазматической поверхностью СМ и легко диссоциирует от нее
под воздействием EDTA (Obinger et al., 1990).

Помимо цитохромоксидазы аа3-типа в состав дыхательной цепи СМ входят PQ-пул и
цитохром Ьб/у-комплекс «пластидного» типа (Sherman et al., 1994). По некоторым данным,
наряду с ними СМ дополнительно содержит «митохондриальный» цитохром Ыс\-комплекс
(Dworsky et al., 1995). Вообще говоря, дыхательная цепь в составе СМ больше напоминает
митохондриальную, а дыхательная цепь в составе тилакоидов — пластидную дыхательную
цепь (см. разд. 5.2.1).

В частности, еще одним «митохондриальным» компонентом дыхательной цепи циано-
бактерий являтся НАВ(Р)Н-дегидрогеназа, однако она проще устроена и состоит всего из
нескольких субъединиц, тогда как в митохондриальном комплексе I их число достигает 42
(см. раз. 1.3). Неясно, может NADPH быть естественным донором электронов для дыха-
тельной цепи in situ или она способна окислять только NADH, тем более, что мобилизация
запасных полигликозидов осуществляется исключительно через окислительный пентозо-
фосфатный путь, продуктом которого служит NADPH (рис. 33). Что касается NADPH: NAD-
трансгидрогеназы, то у цианобактерий она так и не обнаружена.

Вопрос о присутствии FoFi ATP-азы в составе СМ по-прежнему остается открытым, и
не исключено, что у различных штаммов ситуация может быть неодинаковой. В частности,
вестерн-блоттинг с использованием моноклональных антител к /3-субъединице эпимембран-
ного домена Fj показал, что у Synechococcus sp. РСС 7942 связывание метки ограничивается
тилакоидами (Fresneau et al., 1993). Противоположный результат, свидетельствующий о том,
что FoFi АТР-аза входит в состав СМ, получен на том же объекте, а также на Synechocystis
sp. РСС 6803 и Anabaena sp. РСС 7120 при иммуноцитохимическом анализе нефракциони-
рованных клеток и очищенных мембранных препаратов (Neisser et al., 1994; Sherman et al.,
1994). До сих пор не установлено, действует эта Н+-транслоцирующая АТР-аза обратимо,
или же однонаправленно катализирует гидролиз АТР.

Помимо FoFj ATP-азы в составе СМ содержится Р АТР-аза, которая ингибируется орто-
ванадатом и нечувствительна к DCCD. Она не относится к Н+-транслоцирующим осмоэнзи-
мам, а осуществляет только ATP-зависимый перенос ионов Са2+ (Lockau, Pfeffer, 1982;
Fresneau et al., 1993; Neisser et al., 1994). Это довольно необычно для бактерий, хотя АТР-
азы такого типа широко распространены в клетках высших растений и грибов.

Как во всякой прокариотной клетке, СМ — полифункциональная органелла и наряду с
выше рассмотренными функциями участвует в биосинтетических, транспортных, регуля-
торных и генетических процессах (см. разд. 1.2).

Ламеллярная система. Тилакоиды цианобактерий не образуют слоистых полимем-
бранных структур гранального типа, а представляют собой отдельно расположенные ламел-
лы (англ. lamella; от лат. lamella — пластинка). В первую очередь это связано с тем, что они
не содержат фактора адгезии, в роли которого в пластидах выступают периферические до-
мены САВ-белков, входящих в состав LHCII (см. разд. 3.3.1 и 5.2.1.2). Вторая причина того,
что тилакоиды цианобактерий дистанцированы друг от друга, также находит «антенное»
объяснение — на их протоплазматической поверхности расположены PBS, которые препят-
ствуют контакту соседних мембран.

PBS, или основной светособирающий комплекс цианобактерий, служит источником
энергии возбуждения преимущественно для PSII, поскольку основная часть антенного хло-
рофилла (до 85%) ассоциирована с PSI. Однако в некоторых условиях, например в гетеро-
цистах или при переходе в состояние 2 на фоне избыточного возбуждения PSII, энергия от
PBS переносится непосредственно к PSI (см. разд. 3.3.2).

Форма и размеры PBS цианобактерий зависят от природы объекта, а также от условий
окружающей среды, в первую очередь от интенсивности и спектрального состава света. В
большинстве случаев они имеют гемидискоидную форму. Однако у некоторых штаммов
Anabaena sp. описаны крупные цилиндрические PBS (Isono, Katoh, 1982). На поверхности
тилакоидов PBS образуют близко соседствующие параллельные ряды, в основании которых
находятся цепочки интрамембранных частиц PSII. Подобная регулярность косвенно свиде-
тельствует о том, что сборка тилакоидов происходит в осевом, а не в радиальном направле-
нии.

Выше отмечалось (см. разд. 3.10.1), что функциональным компонентом PBS у циано-
бактерий служит Fd/Flvd: NADP-оксидоредуктаза (FNR). На каждую PBS в среднем прихо-
дится по две молекулы FNR. В области активного центра, связывающего NADP, имеется
дополнительная N-концевая последовательность. Этот домен высоко гомологичен линкер-
ному полипептиду CpcD, который входит в состав дистальных РС-тримеров перифериче-
ских стержней и ограничивает их рост в длину (Gantt, 1994).

Маркерный компонент тилакоидов — комплексы PSI. Как уже отмечалось, они распо-
лагаются не поодиночке, а образуют тримеры. По данным анализа кристаллических препа-
ратов Synechococcus sp., мономер PSI образует асимметричную частицу (М, -340 кДа) в
форме усеченного конуса с основанием -13 нм, обращенным в сторону экзоплазматической
поверхности тилакоида. На нем имеется впячивание глубиной -1 нм и диаметром -3 нм.
представляющее собой площадку для РС или цитохрома с553 (Gantt, 1994). На протоплаз-
матической поверхности этот комплекс возвышается на 4-5 нм над билипидным слоем. Та-
кая морфологическая картина хорошо согласуется с данным высокочувствительной рентге-
новой диффрактометрии (см. разд. 3.4).

Другой маркерный компонент тилакоидов — комплекс PS1I. В отличие от PS1I прохло-
рофитов и пластид он не содержит периферической антенны. Эта фотосистема также оли-
гомеризуется, но уже с образованием димеров, а не тримеров. Мономерные частицы (М,
-250 кДа) имеют уплощенную сторону 5,5x7,5 нм, лежащую вровень с цитоплазматической
поверхностью билипидного слоя, и примерно на 3 нм выступают над экзоплазматической
поверхностью (Gantt, 1994).

Интрамембранный цитохром 66//-комплекс функционально объединяет PSI и PSI1 и
располагается в промежутке между ними. Как уже указывалось, гомолог этого комплекса
есть в составе СМ. Несмотря на кодирование общими генами они функционально не иден-
тичны — тилакоидный комплекс нечувствителен к «митохондриальным» ингибиторам ан-
тимицину А и ротенону. Внутри тилакоидной мембраны цитохром £?6//-комплекс существует
в виде димера; размер мономерной частицы (М, -100 кДа) — 4,4x8,3 нм.

К числу крупных интегральных комплексов относится и NAD(P)H: PQ-оксидоре-
дуктаза, интегральный домен которой ориентирован параллельно плоскости мембраны, а
эпимембранный домен экспонирован на протоплазматической поверхности. Как уже указы-
валось, данный комплекс участвует в обеспечении циклического транспорта электронов
вокруг PSI (см. разд. 3.7.2).

Наконец, с мембраной тилакоидов ассоциирована обратимая Н+-трансло пирующая F0Fi
ATP-аза, которая структурно и функционально эквивалентна митохондриальной АТР-
синта^е, а также пластидному фактору сопряжения (см. разд. 3.8). Диаметр интегрального
домена -11 нм.

Результаты ультраструктурного анализа в сочетании с молекулярно-биохимическим,!
данными позволили в общих чертах реконструировать внутреннюю топографию мембраны
тилакоида. Прежде всего, было установлено, что хотя отдельные комплексы PSI и PSII уда-
лены друг от друга примерно на 10 нм, они не сосредоточены избирательно в отдельных
доменах ламеллярной системы. Этим цианобактерии отличаются от пластид и некоторых
прохлорофитов, у которых фотосистемы пространственно сегрегированы, что создает эф-
фект латеральной гетерогенности тилакоидов (см. разд. 5.1.2 и 5.2.1.2).

Однако вопрос о cis-анизотропии фотосинтетических мембран цианобактерий нельзя
считать решенным. В этом отношении большой интерес представляют результаты, полу-
ченные при электронно-микроскопическом исследовании Synechococcus sp. РСС 7942,
выполненном методом криозамещения в сочетании с иммуноцитохимическим анализом
(Sherman et al., 1994). В работе содержатся данные, указывающие на существование «ради-
альной» гетерогенности тилакоидов, при которой PSII и цитохром /^//"-комплекс распреде-
лены более или менее равномерно, в то время как содержание PSI и АТР-синтазы повышено
в тилакоидах, занимающих более периферическое положение. По мнению авторов, ради-
альная гетерогенность может рассматриваться как крайний вариант латеральной гетероген-
ности, в особенности если учесть, что тилакоиды структурно связаны друг с другом.

Приведенные факты и соображения затрагивают один из важнейших вопросов оксиген-
ной фототрофии— о причинах и следствиях пространственной изоляции двух фотосистем.
По-видимому, точка зрения о том, что PSI и PSII располагаются в мембране попарно на рас-
стоянии <6 нм друг от друга в соответствии с буквальным пониманием классической Z-
схемы (см. рис. 4), давно устарела.

Феномен пространственной изоляции двух фотосистем обычно объясняют их различ-
ными кинетическими свойствами (Trissl, Wilhelm, 1993). В частности, PSI известна как сла-
бо флуоресцирующая «быстрая» фотосистема — время ее существования в возбужденном
состоянии не превышает 1О“10 с. В отличие от этого PSII характеризуется сильной и про-
должительной флуоресценцией, состоящей из короткой (~1О-10 с), промежуточной
(-3- 1О“10с) и продолжительной (-3-109 с) фаз, что свидетельствует о поэтапной и «медлен-
ной» дезактивации возбужденного состояния.

Близкое расположение двух фотосистем создавало бы энергетически невыгодную си-
туацию, поскольку кинетически более активная и более «длинноволновая» PS1 постоянно
отнимала бы энергию от PSII. Одним из решений этой энергетической проблемы могло бы
стать увеличение количественного соотношения PSIPPSI, что в некоторых случаях и на-
блюдается у водорослей (Trissl, Wilhelm, 1993). Однако у цианобактерий эта пропорция ча-
ще всего составляет -1:2, и поэтому пространственная изоляция фотосистем становится
необходимой.

Как бы то ни было, но уровень дистанцирования PSI и PSII у цианобактерий ниже, чем
в хлоропластах. Поэтому для них жизненно важны другие механизмы, препятствующие
энергетическому «паразитизму» PSL

Одним из механизмов, имеющих особое значение в стрессовых условиях, становится
использование вспомогательной антенны IsiA (СР431). Она синтезируется адаптивно при
дефиците железа и компенсирует отсутствие PBS, которые подвергаются активному протео-
литическому разрушению. Апопротеин этой антенны (Мг -34 кДа; ген isiA) гомологичен
белку СР43. Помимо сходства аминокислотных последовательностей они имеют аналогич-
ный профиль интеграции в мембрану и одинаковые консервативные позиции гистидиновых
остатков. В состав оперона, который кодирует хлорофиллсвязывающий белок IsiA, входит
ген, кодирующий Flvd. Как уже указывалось, этот альтернативный переносчик электронов
замещает железосодержащий белок Fd. В условиях голодания по железу оперон isi считыва-
ется в виде двух транскриптов — моноцистронного (ген isiA) и дицистронного (ген isiA и
ген isiB, кодирующий Flvd). Уровень экспрессии моноцистронного транскрипта значительно
выше, чем дицистронного, что означает более высокую потребность в белке IsiA но сравне-
нию с Flvd (Bumap et al., 1993). Хлорофиллсвязывающий белок IsiA связан с PSII, однако он
мало изучен, и его функции могут не ограничиваться участием в организации вспомогатель-
ной антенны.

Количественное соотношение PSII и PBS составляет 2:1, а цитохром ^//-комплексов и
PSII — 1:1. На примере Synechococcus sp. РСС 6301 показано, что более половины площади
тилакоида занимают четыре важнейших компонента оксигенного фотосинтетического аппа-
рата— PSI, PSII, ATP-синтаза и цитохром ^//-комплекс (2:1:1:1), причем плотность разме-
щения PBS очень высока и составляет -980 мкм-2.
Функции ламеллярной системы цианобактерий не ограничены ассимиляцией световой
энергии. В настоящее время накопилось много данных, согласно которым дыхательная цепь
содержится не только в СМ, но и в тилакоидах. Это предполагает ее тесное взаимодействие с
фотосинтетической ЕТС при альтернативном использовании общих переносчиков. Способ-
ность к дыханию, которое у цианобактерий может быть анаэробным (Oren, Shilo, 1979), позво-
ляет этим организмам переживать периоды естественного затемнения, а также адаптироваться
к стрессовым условиям, когда происходит ингибирование фотосинтеза.

В соответствии с результатами биохимического анализа очищенных фрагментов мем-
бран тилакоиды содержат полную дыхательную цепь, в состав которой входит «пластидная»
NAD(P)H-дегидрогеназа (см. разд. 3.7.2), PQ-пул, цитохром ^//-комплекс и «митохондри-
альная» цитохромоксидаза аа3-типа. В темноте, как и на свету, транспорт электронов со-
пряжен с транслокацией протонов в интратилакоидное пространство, в результате чего соз-
дается и поддерживается PMF.

С тилакоидами ассоциированы некоторые ферменты конструктивного углеродного ме-
таболизма, в частности фитоиндесатураза — ключевой фермент биосинтеза окрашенных
каротиноидов (Gantt, 1994). Кроме того, на тилакоидной мембране иммобилизованы Fd-
зависимые нитрат- и нитритредуктазы.

Тилакоиды цианобактерий могут выполнять ряд других жизненно важных функций. В
частности, они играют роль площадки или оболочки для других интрацитоплазматических
структур. Современная модель пространственной организации и репликации бактериальной
хромосомы предполагает, что в них непосредственно вовлекается CM (Losick, Shapiro,
1999). Однако каноническая ситуация нарушается при наличии развитой ламеллярной сис-
темы, отдельные домены которой могут обеспечивать прикрепление, репликацию и сегрега-
цию хромосом. Возможно, что именно цианобактерии служат тому примером (Pinevich,
1997).

По аналогии с ламеллярной системой хлоропластов тилакоиды цианобактерий вступа-
ют в структурное взаимодействие с рибосомами (Jagendorf, Michaelis, 1990; Zabalueva et al.,
1993). У некоторых штаммов описаны характерные эпимембранные агрегаты полисом, ко-
торые напоминают круговые фигуры пластидных «шероховатых» тилакоидов (англ, rough
thylakoids). Если такие морфологические картины не относятся к артефактам, интересно
выяснить: осуществляется ли это взаимодействие при участии docking-белков типа рибофо-
ринов, что контролирует связывание рибосомальных частиц, имеет ли место регуляция
трансляции со стороны фотосинтетической мембраны и каково участие последней в по-
сттрансляционном таргетинге белков.

5.1.2. Прохлорофиты

Как уже указывалось, прохлорофиты отличаются от цианобактерий sensu stricto тем,
что содержат хотя бы один вспомогательный хлорофилл. При этом они либо не имеют фи-
кобилипротеинов, либо синтезируют их наряду со вспомогательными хлорофиллами (Пине-
вич и др., 2000).

В группе прохлорофитов, исходно описанной как пор. Prochlorales отдела
Prochlorophyta (Lewin, 1989), в настоящий момент известны два одноклеточных (Prochloron
didemni и Prochlorococcus marinus) и один нитчатый вид (Prochlorothrix hollandica). Леги-
тимные описания третьего одноклеточного вида — A. marina (Miyashita et al., 1996) и второ-
го нитчатого вида — «Р. scandica» (Pinevich et al., 1999) до сих пор не предложены.
В морфологическом отношении прохлорофиты очень сходны с цианобактериями sensu
stricto. Среди общих деталей ультраструктурной организации необходимо в первую очередь
указать на:

- тилакоиды как универсальный элемент ICM;

- функциональные включения (газовые вакуоли, карбоксисомы, полигликозидные гра-
нулы).

Формирование агрегатов тилакоидов и способность к синтезу запасного крахмалопо-
добного полимера конвергентно сближает прохлорофитов с хлоропластами Chlorophyceae и
высших растений (Pinevich et al., 1996).

Полипептидный состав PSI и PSII прохлорофитов такой же, как у цианобактерий и пла-
стид (Post, Bullerjahn, 1994). Роль главного антенного пигмента играет хлорофилл а (за ис-
ключением A. marina, где его подменяет хлорофилл d). Данные, полученные в 1990-х годах,
‘изменили первоначальные представления о реальном разнообразии вспомогательных пиг-
ментом LHC. Выяснилось, что помимо хлорофилла b это 2,4-дивинил-хлорофиллы а и Ь, а
также хлорофилл с-подобный пигмент (Chisholm et al., 1992; Larkum et al., 1994; Miyashita et
al., 1997). Более того, оказалось, что прохлорофиты могут иметь антенные РВР. У A. marina
они сочетаются с хлорофилл ^-белковым (Marquardt et al., 1998), а у Р. marinas— с 2,4-
дивинил-хлорофилл я/^-белковым комплексом (Hess et al., 1996).

С момента открытия прохлорофитов их рассматривали как реликтовых эволюционных
предшественников хлоропластов. Однако вскоре было показано, что хлорофилл atb-
апопротеины прохлорофитов не дают перекрестной реакции с антителами к САВ-белкам и
кодируются особым семейством /?с'Ь-генов (см. разд. 3.2.1). Позднее было установлено, что
такие белки гомологичны как друг другу, так и апопротеину СР43' цианобактерий, который,
в свою очередь, гомологичен пластидным апопротеинам СР43 и СР47. Поэтому есть осно-
вания считать, что апопротеины хлорофилл «/^-белкового комплекса прохлорофитов дивер-
гировали от антенных апопротеинов PSII (La Roche et al., 1996), а хлорофилл я/Ь-антенны
прохлорофитов и хлоропластов имеют независимое эволюционное происхождение (Turner,
1997).

Prochloron didemni. Первый представитель фототрофных бактерий, имеющих вспомо-
гательные хлорофиллы (в данном случае это хлорофилл 6), был обнаружен в 1976 г. Бота-
нический диагноз — «прокариотные водоросли с пигментным составом Chlorophyceae» со-
ответствовал таксону высшего ранга, что позволило создать новый отдел Prochlorophyta div.
nov. и под названием Prochloron didemni описать первого прохлорофита в соответствии с
правилами Международного кодекса ботанической номенклатуры (Lewin, 1977). Из-за на-
личия комплекса метаболических дефектов, в частности неспособности к синтезу триптофа-
на, Р. didemni почти не растет на синтетических средах, и его изучение проводят только на
природном накопительном материале.

В естественной среде Р. didemni живет как эктосимбионт колониальных асцидий, оби-
тающих в мангровых зарослях и на коралловых рифах. Одиночные клетки имеют диаметр
6-30 мкм и размножаются бинарным делением. Тилакоиды располагаются параллельными
рядами в периферическом слое цитоплазмы и в отдельных участках на своем протяжении
объединяются в пучки. По данным криофрактографических исследований, в зоне мембран-
ной адгезии сконцентрированы глобулярные частицы, которые соответствуют PS1I, тогда
как PSI ассоциирована с областями мембраны, расположенными за пределами «гран»
(Schuster et al., 1985).
Помимо хлорофиллов а и b Р. didemni содержит хлорофилл оподобный пигмент, сход-
ный с монометиловым эфиром Mg-дивинил-фсопорфирина а5, ранее обнаруженным у
Micromonas pusilia (Prasinophyceae). Его количество не превышает 4-15% общего содержа-
ния хлорофилла (Helfrich et al., 1999). Коэффициенты хлорофилл a:b и хлорофилл а:с со-
ставляют 4-9 и 5-16 соответственно. По-видимому, хлорофилл с играет роль светособи-
рающего пигмента и вместе с хлорофиллами а и b входит в состав основного светособи-
рающего комплекса (Larkum et al., 1994).

К главным каротиноидам Р. didemni относятся /3-каротин и зеаксантин. Среди минор-
ных каротиноидов выявлены эхиненон, криптоксантин и изо-криптоксантин. Зеаксантин
входит в состав каротиноид-белкового комплекса, локализованного в CM (Withers et al.,
1978).

PSI содержит полипептиды с Mr 8, 10, 16 и 70 кДа, которые перекрестно реагируют с
антителами к PSI хлоропластов шпината, Chlamydomonas sp. и Dunaliella sp. Хотя детальное
исследование PSII не проводилось, предполагается, что она имеет сходный состав с PSI1
высших растений (Schuster et al., 1984; Hiller, Larkum, 1985).

Вопреки ожиданиям, не оправдалось ранее высказанное предположение о сходстве
хлорофилл п/6-LHC Р. didemni с LHCII высших растений. Прежде всего показано, что глав-
ный антенный апопротеин с Мг 34 кДа перекрестно реагирует с антителами к апопротеину
LHC другого представителя прохлорофитов (Р. hollandica), но не взаимодействует с антите-
лами к LHC1I хлоропластов (Hiller, Larkum, 1985; Bullerjahn et al., 1987). Кроме того, хлоро-
филл «/6-LHC ассоциирован с PS1, что соответствует перманентному пребыванию в состоя-
нии 2. Это означает, что Р. didemni в отличие от хлоропластов неспособен использовать ме-
ханизм смены энергетических состояний 1<—>2 (Schuster et al., 1984). Специфику поведения
основного светособирающего комплекса Р. didemni можно объяснить фотоакклиматизацией
к среде обитания, в которой преобладают кванты, активирующие «коротковолновую» PSI1.

Prochlorothrix hollandica. После десятилетнего перерыва появилось сообщение об об-
наружении второго представителя группы прохлорофитов — Р. hollandica (Burger-Wiersma
et al., 1986). Этот свободноживущий нитчатый пресноводный организм впервые выделен из
цветения в оз. Лоосдрехт близ Амстердама; в отличие от Р. didemni он хорошо растет на
минеральных средах. Морфология Р. hollandica сходна с морофологией осциллаториевых
цианобактерий. Неподвижные трихомы имеют длину до 400 мкм и состоят из недифферен-
цированных цилиндрических клеток диаметром 0,5-1,5 и длиной 3-10 мкм. Перифериче-
ские тилакоиды расположены в 8-10 рядов и в отдельных участках ламеллярной системы
объединяются в пучки, что, по-видимому, свидетельствует об истинной адгезии (рис. 34).
Мембраны тилакоидов обнаруживают латеральную гетерогенность - PSI и АТР-синтаза
локализованы в свободных зонах, тогда как PSII, хлорофилл «//э-белковый комплекс и ОЕС
сосредоточены в участках адгезии (Miller et al., 1988; van der Staay et al., 1993; van der Staay,
Staehelin, 1994).

Светособирающими пигментами P. hollandica являются хлорофиллы а и h. Коэффици-
ент хлорофилл a\b составляет 7-18, что гораздо выше соответствующего показателя для
хлоропластов высших растений (2-3). При низкой освещенности соотношение этих пигмен-
тов еще более увеличивается (Burger-Wiersma, Post, 1989). По некоторым данным, клетки Р.
hollandica могут содержать следы второго вспомогательного хлорофилла - хлорофилл с-
подобного пигмента (Larkum et al., 1994).
Рис. 34. Общий вид и ультраструктура Prochlorothrix hollandica (верхний ряд)
«Р. scandica» (нижний ряд).

а, в - световые микрофотографии; б. г - электронные микрофотографии ультратонких
срезов; б - стопка тилакоидов и карбоксисома; г - стопка тилакоидов с «виридосомами»
Масштаб - 20 мкм (а, в), 0,2 мкм (б) и 0,05 мкм (г)

К главным каротиноидам Р. hollandica, так же, как у Р. didemni и цианобактерий, отно-
сятся /3-каротин и зеаксантин (Burger-Wiersma et al., 1986). Последний входит в состав каро-
тиноид-бел кового комплекса, который содержит два апопротеина (Мг 56 и 58 кДа) и ассо-
циирован с липополисахаридами наружной мембраны. По-видимому, он выполняет фото-
протекторную функцию при высокой освещенности (Engle et al., 1991).

Электрофорез в неденатурирующих условиях в зависимости от типа экстрагирующего
детергента дает 4-5 полос, соответствующих PSI, PSII и хлорофилл д/b-LHC (Bullerjahn et
al., 1987; Post et al., 1992). Медленнее всех мигрирует комплекс PSI, наиболее подвижен
LHC, в то время как PSII обнаруживается в полосах с промежуточной скоростью миграции.
Результаты денатурирующего электрофореза говорят о значительном сходстве полипептид-
ного состава PSI и PSII Р. hollandica и цианобактерий, а также высших растений (Bullerjahn
et al., 1987; van der Staay, Staehelin, 1994).

Апопротеины хлорофилл a/Z?-LHC P. hollandica (Mr 30-32; 33-33,5; 35 и 38 кДа) коди-
руются генами pcbA-C (Bullerjahn et al., 1987; van der Staay, Staehelin, 1994; Nikolaitchik,
Bullerjahn, 1998; van der Staay et al., 1998). Они не реагируют с антисывороткой к LHC1I
хлоропластов, однако взаимодействуют с антителами к 34 кДа-апопротеину Р. didemni, а
также полипептиду СР431 цианобактерии Synechocystis sp. РСС 7942 (Bullerjahn et al., 1987).

Вопрос о том, с какой из двух фотосистем Р. hollandica преимущественно ассоцииро-
ван хлорофилл a/b-LHC, долго был предметом споров. Первоначальные данные говорили о
том, что фотосинтетический аппарат перманентно пребывает в состоянии 2, когда преобла-
дающая часть LHC (апопротеины с Мг 30 и 35 кДа) ассоциирована с PSI, а минорная часть
(апопротеин с Мг 33 кДа) - с PSII (Bullerjahn et al., 1987; Post, Bullerjahn, 1994). Дальнейшие
исследования показали, что в противоположность Р. didemni хлорофилл a/Z>-LHC Р.
hollandica перманентно ассоциирован с PSII (van der Staay, Staehelin, 1994). На ярком свету
фосфорилируется стромальный домен одного из апопротеинов (Мг 38 кДа), что приводит к
частичной дезагрегации LHC и латеральной миграции образующихся субкомплексов в пре-
делах «гран». Таким образом, смена состояний 1<->2 осуществляется иным способом, чем в
хлоропластах, и не связана с редислокацией хлорофилл a/A»-LHC (van der Staay, Staehelin,
1994).

Как и у цианобактерий, у Р. hollandica в составе ОЕС отсутствуют полипептиды с Мг 16
и 32 кДа. В отличие от цианобактерий и хлоропластов высших растений, полипептид MSP
имеет более крупный размер (Мг 37 кДа) и проявляет гидрофобные свойства. Возможно, что
это отражает промежуточный этап в эволюции ОЕС (Mor et al., 1993).

«Prochlorothrix scandica». Единственный изолят этого нитчатого вида происходит из
оз. Меларен под Стокгольмом (Pinevich et al., 1999). Причинами того, что подобные объек-
ты долго оставались критическими, служат их ограниченная способность к формированию
плотных природных популяций, проблематичность создания условий для получения лабора-
торных накопительных культур и, главным образом, высокое сходство с осциллаториевыми
цианобактериями. Как показали результаты морфологического и физиолого-биохими-
ческого анализа, данный организм (рис. 34) имеет ультраструктурные отличия от Р.
hollandica и другой температурный оптимум роста.

Особенность Р. scandica— «виридосомы», или эпимембанные частицы размером -10
нм, напоминающие мини-PBS. Поскольку эта бактерия не содежит РВР, виридосомы скорее
всего соответствуют периферическим доменам интегральных белок-пигментных комплек-
сов (Pinevich et al., 1999).

Результаты определения мол. % Г+Ц и коэффициента гибридизации ДНК-ДНК (Пине-
вич и др., неопубликованные данные) свидетельствуют о том, что данный изолят относится
к новому таксону нитчатых прохлорофитов, для которого предложен видовой эпитет
scandica.

Prochlorococcus marinus. Третий, в порядке обнаружения, представитель прохлорофи-
тов (Chisholm et al., 1992) известен как один из основных компонентов пикопланктона эвфо-
тической зоны Атлантического, Индийского и Тихого океанов, Саргассова и Средиземного
морей, а также Персидского залива (Partensky et al., 1999). Прохлорококки представлены
рядом штаммов— это типовой штамм (ССМР1375Т), а также ССМР1378, РСС9511, GP2,
РАС1, TATLl, NATL2, MIT9312 и ряд других, которые изолированы из различных мест
обитания. Возможно, что некоторые из них впоследствии будут обособлены в самостоя-
тельные виды. Наряду с одноклеточными цианобактериями Synechococcus sp. из «морского
кластера А» прохлорококки принадлежат к «ветви морского фитопланктона», расположен-
ной в середине эволюционного древа Cyanobacteria (Rippka et al., 2000).

Культуры P. marinus поддерживаются на минеральной среде при слабом освещении си-
ним светом (Scanlan et al., 1996).

Р. marinus имеет эллипсоидную форму и по размеру (диаметр 0,5-0,6 и длина
0,7-0,8 мкм) намного меньше большинства хроококковых цианобактерий. Центральную
область клетки занимают нуклеоид и несколько мелких карбоксисом; на периферии парал-
лельными рядами лежат тилакоиды (Chisholm et al., 1988).

Р. marinus - единственный оксигенный фототроф, у которого светособирающими пиг-
ментами служат 2,4-дивинил-хлорофиллы а и b (в соотношении 11-15:1). В дополнение к
ним имеется хлорофилл с-подобный пигмент, до этого обнаруженный у Prochloron sp. Сре-
ди каротиноидов преобладают а-каротин и зеаксантин (Goericke, Repeta, 1992). Набор пиг-
ментов Р. marinus дополняет минорный РЕ, сходный с «коротковолновым» РЕ морской
цианобактерии Synechococcus sp. WH 8103. Главным хромофором в данном случае оказался
PUB-подобный тетрапиррол. Из-за необычных аминокислотных последовательностей а- и
/7-субъединиц этот РВР отнесен к особому типу, получившему название РЕ-Ш. Предполага-
ется, что точно так же, как РЕ Synechococcus sp. WH 8103, он используется не только в ка-
честве антенного пигмента, но и как запасной источник азота (Hess et al., 1996; Lokstein et
al., 1999; Penno et al., 2000).

Хотя на электронных микропрепаратах на поверхности тилакоидов не видно PBS, им-
мунохимические данные не дают основания считать, что агрегаты РВР расположены в лю-
менальном компартменте, как у Cryptophyceae (Hess et al., 1999).

При неденатурирующем электрофорезе детергентного экстракта были выявлены четы-
ре полосы, соответствующие тримеру и мономеру PSI, а также гетеродимеру PSI/PSII и
LHC. Полипептидный состав PSII оказался весьма сходным с составом PSII Synechocystis sp.
РСС 6803 - согласно результатам иммуноблоттинга, в нее входят апопротеины DI, D2,
СР43, СР47 и апоцитохром Ь559. В то же время Р. marinus несколько отличается от
Synechococcus sp. WH 8103 составом апопротеинов PSI - значение Мг для трех ее субъеди-
ниц равны соответственно 21, 25 и 66 кДа (van der Staay et al., 1998; Garczarek et al., 2000).

Антенные апопротеины Prochlorococcus sp. имеют Mr 32,5; 34 и 38 кДа. Они перекре-
стно реагируют с антителами к 32 кДа-апопротеину Р. hollandica и антенному полипептиду
СР431 Synechocystis sp. РСС 7942. По предварительным данным, хлорофилл a/b-LHC Р.
marinus ассоциирован с PSII. Общая схема фотосинтетического аппарата Р. marinus сходна
со схемой, предложенной для цианобактерий (Partensky et al., 1999).

Прохлорококки, обитающие в верхних и нижних слоях эвфотической зоны, которая
уходит от поверхности вглубь на —250 м, существенно различаются по относительному со-
держанию антенных пигментов. В частности, коэффициент 2,4-дивинил-хлорофилл а:Ь
варьирует в пределах 1-10 (Partensky et al., 1999). Способность отдельных штаммов к фото-
акклиматизации выражается в изменении не только состава пигментов, но и относительного
содержания апопротеинов в составе LHC. Экотипы, адаптированные к слабой освещенности
в нижних этажах эвфотической зоны, имеют по семь транскрибируемых генов, которые ко-
дируют различные Pcb-апопротеины, а экотипы, адаптированные к сильной освещенно-
сти, — только один такой ген (Partensky et al., 1999; Garczarek et al., 2000). По всей видимо-
сти, множественная дупликация рсб-генов служит ключевым фактором выживания популя-
ции Р. marinus при низком уровне освещенности (Garczarek et al., 2000).

Acaryochloris marina. Минорный хлорофилл, отличающийся по спектральным свойст-
вам от хлорофиллов а-с и названный хлорофиллом d, был выделен из талломов красных
водорослей еще в первой половине XX в. (Manning, Strain, 1943). Однако доказательства
того, что этот пигмент не соответствует окисленному деривату хлорофилла а, образующе-
муся в ходе экстракции, до сего времени так и не были представлены.

A. marina, у которого главным пигментом оказался хлорофилл d (пик при 714-718 нм
на спектре поглощения интактных клеток), впервые изолирован в западной части акватории
Тихого океана. Аутентичность пигмента доказана с помощью методов структурного анализа
включая масс-спектрометрию (Miyashita et al., 1996). По последним данным, хлорофилл d не
только входит в состав антенного комплекса, но и выполняет функцию первичного донора
RCI (Mimuro et al., 1999).

A. marina — эписимбионт внутренней полости колониальной асцидии Lissoclinum
patella. Это довольно мелкий (диаметр 1,8-2,1 и длина 1,5-1,7 мкм) одноклеточный орга-
низм сферической или эллипсоидной формы. Тилакоиды прижаты друг к другу и распола-
гаются в 7-11 поверхностных рядов (Miyashita et al., 1996).

Мембранная система A. marina имеет уникальную особенность — агрегаты фотосинте-
тических ламелл пронизаны каналами, которые соединяют зону нуклеоида с периферией
клетки (Marquardt et al., 2000). На продольном срезе на всем протяжении канала прослежи-
вается стержень, достигающий внутренней поверхности СМ. Канал составлен из пор в от-
дельных тилакоидах; на поперечном срезе они имеют диаметр ~30 нм и содержат круглую
электронплотную структуру диаметром -12-18 нм. Функциональное значение каналов, пер-
форирующих тилакоиды, неизвестно, хотя можно предположить, что они обеспечивают со-
общение между центральной областью клетки и периферией, а стержни играют какую-то
стабилизирующую роль.

Помимо хлорофилла d (до 95% суммарного количества хлорофилла) в клетках обнару-
жен хлорофилл а (коэффициент хлорофилл a:d составляет 0,027-0,092), а также хлорофилл
с-подобный пигмент. Главные каротиноиды — ос-каротин и зеаксантин (Miyashita et al.,
1997; Mimuro et al., 2000).

A. marina содержит небольшое количество PC и APC, которые образуют гетерогекса-
меры, что служит уникальной особенностью данного организма (Marquardt et al., 1998; Hu et
al., 1999). Тороидальные мини-PBS размером 1,3 x 26 нм построены из четырех гексамеров.
Входящие в их состав апопротеины имеют Мг 5,5; 22; 24; 26; 40; 50 и 58 кДа (Marquardt et
al., 2000). В отсутствие более крупных агрегатов мини-PBS выполняют роль светособираю-
щсй антенны и ассоциированы с PSII (Hu et al., 1999).

На цитоплазматической поверхности разлома тилакоидной мембраны выявляются ма-
лые (10 нм) и большие (18 нм) частицы, представляющие собой соответственно мономеры и
тримеры PSI. Плотность их упаковки -4103 мкм-2. С экзоплазматической поверхностью
ассоциированы крупные (диаметром до 25 нм) частицы с плотностью упаковки
~2,5103 мкм-2, соответствующие PSII (Marquardt et al., 2000). По сравнению с аналогичны-
ми частицами у цианобактерий они имеют более крупный размер и располагаются не парал-
лельными рядами, а собраны в группы, что может объясняться присутствием в составе PSII
дополнительной хлорофиллсодержащей антенны.

Таким образом, тилакоидные мембраны A. marina латерально гетерогенны. Один из
домейов содержит PS1I и ассоциированную с ней фикобилипротеиновую антенну (мини-
PBS), тогда как другой избирательно обогащен PSI. Как уже отмечалось (см. разд. 5.1.1),
пространственная изоляция фотосистем выгодна с энергетической точки зрения. Однако
если у хлоропластов и хлорофилл ^-содержащих прохлорофитов PS1I преимущественно
располагается в гранальных, a PSI — в агранальных участках, то у A. marina адгезия наблю-
дается в участках мембран, не содержащих PSII.

Особое значение A. marina как объекта для изучения структуры и эволюции оксигенно-
го фотосинтетического аппарата состоит не только в том, что это пока единственный орга-
низм, у которого обнаружен хлорофилл d. Как видно из приведенных данных, у него есть и
другие беспрецедентные признаки.

5.2. ЭНЕРГОАССИМИЛИРУЮЩИЕ КСЕНОСОМЫ

Фототрофные бактерии снабжены эффективными системами ассимиляции энергии и,
как правило, способны к углеродавтотрофии. Именно этим объясняется выбор эндоцито-
биоза как цитологической макростратегии, на основе которой произошли царства Protista,
Fungi, Animalia и Plantae. По мере эволюции эндоцитобиоза сформировались и ксеносо-
мы — полу автономные цитоплазматические органеллы, осуществляющие ассимиляцию
энергии (митохондрии) или сопряженную ассимиляцию энергии и неорганического углеро-
да (пластиды).

История образования энергоассимилирующих ксеносом всех типов уходит корнями в
«простой» эндоцитобиоз. Происхождение простых пластид и митохондрий от бактерий до-
казывается многочисленными фактами, а ксеногенез перестал быть спорной гипотезой и
превратился в теорию (см. Gray, 1992; Pinevich, 1994; Гамалей, 1997).

Основным аргументом в пользу ксеногенеза служат данные молекулярной палеонтоло-
гии. Как уже указывалось, на основе гомологии rm-оперонов простые пластиды однозначно
идентифицируются как представители филы Cyanobacteria. Аналогичным образом показано,
что митохондрии принадлежат к субфиле Alphaproteobacteria (Olsen et al., 1994).

Дополнительными доказательствами клеточной природы и бактериального происхож-
дения простых пластид и митохондрий служат:

- гомология «информационных» генов (англ, informational genes), кодирующих поли-
пептидные компоненты аппаратов репликации/транскрипции/трансляции;

- гомология генов «домашнего хозяйства» (англ, house-keeping genes), или «рабочих»
генов (англ, operational genes), т.е. генов, которые кодируют полипептидные компоненты
генераторов PMF, субъединицы АТР-синтазы, ферменты конструктивного метаболизма,
транспортные белки, регуляторные белки, шапероны;

- гомология полипептидов, участвующих в цитокинезе, а также идентичность его ме-
ханизма, когда тубулинподобные белки образуют так называемое «кольцо деления» (англ,
division ring);

- тождество морфотипа, в основе которого лежит мембранная система, состоящая из
СМ, ОМ и ICM;

- сходство в строении и механизмах биогенеза ICM.

Каталог энергоассимилирующих ксеносом оказался бы неполным, если бы ограничи-
вался только тривиальными примерами простых пластид и митохондрий. Формирование
реально наблюдаемого спектра биоразнообразия полуавтономных цитоплазматических ор-
ганелл происходило в соответствии с двумя сценариями эволюционной биоэнергетики, на-
званными соответственно «энергетической конверсией» (англ, energy conversion) и «энерге-
тической редукцией» (англ, energy reduction) (Broda, Peschek, 1979). При энергетической
конверсии фототрофные ксеносомы в ходе эволюции преобразуются в хемотрофные. В
свою очередь, при энергетической редукции ксеносомы теряют энергоассимилирующие
функции (см. разд. 5.2.1.4) или происходит абортирование энергоассимилирующей ксено-
сомы (см. рис. 37).

К сказанному необходимо добавить, что эволюционная история пластид на самом деле
более сложна, чем предполагала классическая гипотеза ксеногенеза, и не укладывается в
элементарную схему бактериального эндоцитобиоза. Помимо простых пластид, которые
являются потомками эндоцитобиотических бактерий и структурно эквивалентны их клет-
кам, существуют еще сложные пластиды. Эти органеллы произошли не от бактерий, а от
эндоцитобиотических эукариотных водорослей. Цитологическую основу, или кор-струк-
туру, сложной пластиды образует простая пластида. В дополнение к простой пластиде внут-
ри органеллы в ряде случаев имеется рудиментарное ядро (нуклеоморф) и «эукариотные»
80S рибосомы.
В соответствии со способом ассимиляции энергии ксеносомы подразделяются на пла-
стиды и митохондрии.

Пластидами называются такие ксеносомы, которые содержат фотосинтетический аппа-
рат— реакционные центры и антенны. Как правило, они ассимилируют энергию путем ок-
сигенной фототрофии.

В отличие от пластид у митохондрий отсутствует фотосинтетический аппарат, и они ас-
симилируют энергию исключительно хемотрофным путем. Митохондрии обычно осуществ-
ляют аэробное «митодыхание» (англ, mitorespiration), с которым сопряжено мембранное
фосфорилирование.

В состав сборной группы пластид входят ксеносомы нескольких типов, имеющие раз-
личное происхождение и строение, а также обладающие определенными функциональными
особенностями и физиологической специализацией. По современным представлениям, сюда
относятся:

- цианеллы;

- простые пластиды;

- сложные пластиды;

- специализированные пластиды (не смешивать с дифференцированными хлоропласта-
ми; см. разд. 5.2.1.2).

5.2.1. Пластиды

Как уже указывалось, пластидами (англ, plastid, от греч. nZotapot — восковая фигурка,
et5o^ — вид) называются такие ксеносомы, у которых имеется оксигенный фотосинтетиче-
кий аппарат. За исключением особых случаев, связанных с дифференцированными формами
хлоропластов и специализированными пластидам!'!, в результате функционирования этих
полуавтономных органелл световая энергия ассимилируется в форме свободной энергии
АТР и низкопотенциального восстановителя. Регулярно восполняемый пул указанных со-
единений используется не только для метаболических, транспортных и репродуктивных
нужд самой ксеносомы, но и для поддержания соответствующих процессов на уровне всей
эндоцитобиотической ассоциации.

В отличие от митохондрий, содержащих только катаболическую систему, с помощью
которой регенерируется АТР, пластиды осуществляют фотосинтез — комплексный процесс
ассимиляции световой энергии и неорганического углерода. Однако в некоторых случаях
пластиды ведут себя как бивалентные ксеносомы, т.е. в /дополнение к специфической фото-
трофной функции они могут осуществлять «митохондриальный» процесс. Дело в том, что
помимо линейного транспорта электронов от PSII к PSI, осуществляемого в соответствии с
Z-схемой (см. рис. 4), в пластидах существуют еще один линейный путь, связанный с транс-
портом электронов через дыхательную цепь. Поскольку при этом происходит поглощение
кислорода, такой процесс называют «аэробным хлородыханием», или просто «хлородыха-
нием» (англ, chlororespiration).

Независимо от того, какова истинная физиологическая роль хлородыхания, оно имеет
все характерные признаки биоэнергетического дыхательного процесса. Во-первых, при хло-
родыхании происходит энергизация тилакоидной мембраны. Во-вторых, в нем, как в боль-
шинстве дыхательных систем, принимает участие терминальная оксидаза. Поэтому хлоро-
дыхание не следует смешивать с фотодыханием, которое представляет собой поглощение
кислорода в оксигеназной реакции, катализируемой RuBisCO. Хлородыхание также не име-
ет ничего общего с реакцией Мелера, заключающейся в неферментативном восстановлении
кислорода в акцепторном участке PSI (см. разд. 3.7.2).

Явление хлородыхания было впервые изучено на лишенном PSI мутанте F14 С.
reinhardtii (Bennoun, 1982). Кинетика темновой флуоресценции хлорофилла, наблюдаемой
после периода освещения, свидетельствовала о том, что PQ-пул восстанавливается с помо-
щью NADH: пластохинон-оксидоредуктазы и окисляется терминальной оксидазой. Этот
процесс подавляется ингибиторами альтернативных терминальных оксидаз — цианидом,
азидом и окисью углерода. Кроме NADH субстратами хлородыхательной цепи могут быть
NADPH и сукцинат. Опыты с измерением замедленной флуоресценции и ингибиторный
анализ показали, что благодаря хлородыханию на мембране тилакоида поддерживается PMF
(Bennoun, 1982). На примере мутантов ас21, ас206 и ас208 С. reinhardtii, дефектных соот-
ветственно по белку Риске, цитохрому /557 и Рс, установлено, что мутационные поврежде-
ния не влияют на интенсивность хлородыхания, и, таким образом, единственным инте-
гральным компонентом хлородыхательной цепи служит PQ-пул (Bennoun, 1983).

Помимо С. reinhardtii способность к хлородыханию продемонстрирована у хлоропла-
стов Chlorella pyrenoidosa (Chlorophyceae') и Mantoniella squamata (Prasinophyceae). Наряду
с этим в хлоропластных геномах ряда высших растений — от мхов до однодольных и дву-
дольных покрытосеменных (Marchantia polymorpha, Oryza sativa, Beta vulgaris, Vicia faba и
др.) обнаружены открытые рамки считывания, гомологичные п^/г-последовательностям, а
также нгй-гены, кодирующие гомологи субъединиц митохондриальной NADH-дегидро-
геназы. В настоящее время в пластидах охарактеризован продукт nd/z-генов — NAD(P)H-
дегидрогеназный комплекс, входящий в состав мембраны тилакоидов (Guedeney et al., 1996;
Sazanov et al., 1998).

Молекулярная природа других переносчиков хлородыхательной цепи оставалась неиз-
вестной до тех пор, пока в тилакоидах Arabidopsis thaliana не был обнаружен гомолог мито-
хондриальной альтернативной оксидазы, кодируемый геном immutans (Carol et al., 1999; Wu
et al., 1999).

To, что в хлородыхании C. reinhadrtii участвует именно оксидаза, было доказано с по-
мощью масс-спектрометрического метода с использованием 18О2. Ингибиторный анализ
показал, что фермент устойчив к цианиду, но чувствителен к блокаторам альтернативных
оксидаз — салицилгидроксамовой кислоте и пропилгаллату (Coumac et al., 2000).

Возможно, что в определенных ситуациях хлородыхание осуществляется с помощью
пероксидазной системы и акцептором электронов служит перекись водорода (Casano et al.,
2000). В частности, это может происходить в стрессовых ситуациях, связанных с накопле-
нием ROS (см. раз. 3.9.1), а также при старении пластид.

Физиологический смысл хлородыхания не вполне ясен. Вначале его рассматривали как
рудиментарное биоэнергетическое явление (Bennoun, 1982; Wilhelm, Duval, 1990). Действи-
тельно, бактериальные предки пластид, судя по всему, имели бифункциональную ЕТС, ко-
торая альтернативно использовалась при фотосинтетическом и дыхательном транспорте
электронов. Это позволяло в рамках компактной генетической структуры экономно адапти-
роваться к резким изменениям энергетической ниши, а также обеспечивало регуляцию ды-
хания со стороны фотосинтеза (Scherer, 1990). Поскольку основу ЕТС составляют цитохром
/^//-комплекс и Q-пул, можно предположить, что физиологическую двойственность циано-
бактерии и пластиды унаследовали от общего предка Cyanobacteria.

В отличие от темнового дыхания у цианобактерий (см. разд. 5.1.1) пластидное хлоро-
дыхание осуществляется без участия цитохром />б//-комплекса и цитохромоксидазы па3-
типа. Утилитарная энергетическая роль хлоро дыхания представляется маловероятной, по-
скольку его скорость составляет не более 10% скорости митохондриального. Трудно допус-
тить, что бесполезный рудиментарный механизм мог сохраниться на протяжении миллио-
нов лет эволюции пластид. Скорее всего, в соответствии с общебиологическим принципом
смены функций, реликтовое хлородыхание в конечном счете приобрело какое-то иное фи-
зиологическое значение. Не исключено, что оно определяет эффективность таких глобаль-
ных регуляторов энергетического метаболизма, как величина PMF и уровень восстановлен-
ности PQ-пула (см.: Scherer, 1990).

5.2.1.1. Цианеллы

Цианеллы — это традиционное название сине-зеленых ксеносом в клетках Glauco-
cystophyceae. Их одно время рассматривали как переходную эволюционную стадию между
эндоцитобиотическими цианобактериями и простыми пластидами Rhodophyceae (родопла-
стами), т.е. считали уже не цианобактериями, но еще не пластидами (Bayer, Schenk, 1986).
Однако в последнее время цианелл все чаще интерпретируют как архаичную ветвь простых
пластид (Bhattacharya, Schmidt, 1997).

Чтобы подчеркнуть большое сходство с пластидами, для обозначения цианелл введен
термин «цианопласты», однако он не получил широкого распространения. Что касается тер-
мина «цианеллы», то его предложено сохранить в новом качестве — применительно к эндо-
цитобиотическим цианобактериям (Schenk, 1992).

Как уже указывалось, цианеллы входят в состав филы Cyanobacteria, т.е. филогенетиче-
ски близки цианобактериям, прохлорофитам и простым пластидам (Giovannoni et al., 1988).

Впервые цианеллы были описаны в конце XIX в. (R. Lauterborn) у амебоидного орга-
низма Paulinella chromatophora, хотя известны более ранние упоминания о сине-зеленых
хроматофорах у Glaucocystis nostochinearum и Gloeochaete wittrockiana. Термин «цианелла»
(англ, cyanella; от греч. Kvavco^— синий и лат. -ella — уменып. оконч.) и термин «цианом»
(англ, cyanome; от греч. KvavEO^— синий и лат -от— оконч. совокупности; A. Pascher),
который обозначает симбиотическую ассоциацию с участием цианелл, были введены в
1930-х годах.

.Цианеллы содержатся в клетках протистов и водорослей с различным типом морфоло-
гической организации — Rhodophyceae, Bacillariophyceae, Cryptophyceae и Dinozoa. Все
виды, обладающие цианеллами, объединены в девять родов класса Glaucocystophyceae, к
которому относятся подвижные и неподвижные одноклеточные организмы коккоидной или
лопастной формы (Kies, Kremer, 1990). В составе коллекций поддерживаются культуры че-
тырех представителей Glaucocystophyceae: Cyanophora paradoxa, Glaucosphaera vacuolata,
G. wittrockiana и G. nostochinearum.

Цианеллы имеют ряд признаков, характерных для примитивных пластид:

- PBS, локализованные на цитоплазматической поверхности тилакоидов;

- отсутствие вспомогательных хлорофиллов;

- периферически-концентрическое расположение тилакоидов, неспособных к адгезии;

- карбоксисомы;

- клеточная стенка бактериального типа.

Эти признаки позволяют рассматривать Glaucocystophyceae как пример относительно
поздно сложившейся эндоцитобиотической ассоциации между фаготрофными эукариотами
и эволюционно редуцированными цианобактериями (Bhattacharya, Schmidt, 1997). Тем не
менее некоторые исследователи вопреки очевидным фактам склонны рассматривать циа-
неллы С. paradoxa и G. nostochinearuni как самостоятельные виды цианобактерий.

Цианеллы имеют сферическую (С. paradoxa', G. wittrockiana) или эллипсоидную (G.
nostochinearuni', Р. chromatophora) форму и располагаются некомпартментализованно, непо-
средственно в цитоплазме клетки-хозяина. Тилакоиды несут на цитоплазматической по-
верхности гемидискоидные PBS. Рибосомы лежат свободно в центре ксеносомы или ассо-
циированы с тилакоидами. Крупные одиночные (С. paradoxa и G. wittrockiana) или много-
численные мелкие (Р. chromatophora) карбоксисомы занимают центральное положение. В
отдельных случаях (G. wittrockiana) видно, что они окружены монослойной белковой мем-
браной (Trench, 1982).

Цитоплазматический компартмент цианеллы окружен двумя мембранами, гомологич-
ными соответственно бактериальным СМ и ОМ. Во всех случаях (за исключением G.
vacuolata) в промежутке между двумя мембранами оболочки цианеллы расположен ригид-
ный слой клеточной стенки, однако отсутствует связь между ним и ОМ, которая у всех гра-
мотрицательных бактерий осуществляется с помощью «липопротеина Брауна» (англ. Braun
lipoprotein). Толщина ригидного слоя (~7 нм у С. paradoxa) меньше, чем в среднем у циано-
бактерий и сравнима с таковой у Е. coli. На примере С. paradoxa и G. nostochinearuni пока-
зано, что ригидный слой клеточной стенки цианелл состоит из пептидогликана. Именно
этим обстоятельством объясняется ингибирующее действие, которое оказывают на цианел-
лы /7-лактамные антибиотики (Loffelhardt, Bohnert, 1994b). В частности, добавление пени-
циллина к среде для культивирования вызывает абортирование цианелл (С. paradoxa) или их
деградацию внутри хозяйской клетки (G. wittrockiana', G. nostochinearuni).

По данным биохимического анализа, пептидогликан цианелл относится к наиболее рас-
пространенному варианту молекулярного строения этого полимера, обозначаемому как А1
у-тип. Муропептидные боковые цепочки содержат N-ацетилпутресцин, что редко встречает-
ся у бактерий и характерно для группы облигатно анаэробных грамположительных кокков,
относящихся к филе Firmicutes (ВХШ). Следует отметить, что собственно цианобактерии по
структуре пептидогликана также сближаются с грамположительными бактериями. Предпо-
лагается, что включение катиона ацетилпутресцина в состав олигопептидных сшивок при-
водит к локальному уменьшению отрицательного заряда, что сужает поры в пептидоглика-
новом слое и тем самым — понижает проницаемость клеточной стенки цианелл для белко-
вых молекул (Schwartzbach et al., 1998).

Подобно пластидам, цианеллы зависят от эукариотного компартмента и, покинув его,
теряют способность к размножению (Trench, 1982). Вне хозяйской клетки они проявляют
низкую физиологическую активность. Хотя в автономном состоянии цианеллы сохраняют
структурную целостность дольше, чем изолированные хлоропласты высших растений, ос-
новные физиологичекие параметры — скорость фиксации СО2 и выделения О2 снижаются
намного быстрее.

Размер генома цианелл у двух исследованных штаммов С. paradoxa составляет соот-
ветственно 130 и 140 т.п.н., что почти в десять раз меньше, чем у цианобактерий, но сопос-
тавимо с размером генома хлоропласта (Loffelhardt, Bohnert, 1994a,b).

Формирование фотосинтетического аппарата цианелл осуществляется по аналогии с
пластидами, однако меньше зависит от хозяйской трансляции. Так, например, у С. paradoxa
хлорамфеникол (ингибитор «прокариотной» трансляции на 70S рибосомах) подавляет био-
синтез хлорофилла а и биогенез ОЕС сильнее, чем циклогексимид (ингибитор «эукариот-
ной» трансляции на 80S рибосомах). Подобно пластидам высших растений, но в отличие от
цианобактерий, цианеллы восстанавливают протохлорофиллид в хлорофиллид светозависи-
мым ферментативным путем. В темноте тилакоиды превращаются в сеть тубулярных мем-
бран, или «тилакоидо-организующий центр» (англ, thylakoid-organizing centre). Эта структу-
ра эквивалентна проламеллярному телу этиопластов высших растений— при освещении
она тоже дает начало мембранам протилакоидов. Ингибирующее действие циклогексимида
на образование тилакоидо-организующих центров свидетельствует о том, что «эукариотная»
трансляция принимает непосредственное участие в биогенезе эндомембран ксеносомы
(Marten et al., 1983).

Световые реакции в цианеллах протекают в результате совместного функционирования
двух фотосистем. Основной светособирающий комплекс представляет собой стандартную
PBS, содержащую РС и АРС. В геноме цианелл С. paradoxa имеются гены, кодирующие
субъединицы RCI и RCII (psaA-C, psal-K, psbA, psbC-F), а также апопротеины PBS (cpcA,
cpcB, apcA, apcB, apcD и apcE. Гены цианелл, которые кодируют субъединицы цитохром
^//-комплекса и ATP-синтазы, обнаруживают высокий уровень гомологии с соответствую-
щими генами хлоропластов (Loffelhardt, Bohnert, 1994a,b).

Как показал биохимический анализ бесклеточных препаратов С. paradoxa, активность
RuBisCO локализуется во фракции полиэдральных белковых включений — карбоксисом. В
геноме цианелл содержатся гены, кодирующие обе субъединицы RuBisCO, в то время как у
высших растений, Chlorophyceae и Euglenozoa ген rbcS, кодирующий малую субъединицу,
входит в состав ядерно го генома. Гены, кодирующие обе субъединицы, у цианелл котранс-
крибируются так же, как у цианобактерий (Loffelhardt, Bohnert, 1994а,b).

Продукты фотоассимиляции СО2 оказались практически одинаковыми у С. paradoxa, G.
vacuolata, G. wittrockiana и G. nostochinearum. Наблюдается активное включение 14С в липи-
ды (моно- и дигалактозилдиглицерид, фосфатидилхолин и фосфатидилглицерин). К числу
низкомолекулярных соединений, в составе которых обнаружена метка, относятся фосфаты
сахаров и аминокислоты, а также органические кислоты; большинство из них — это интер-
медиаты цикла Кребса. Гексозы представлены главным образом глюкозой и фруктозой, а
дисахариды мальтозой (Trench, 1982).

Филогенетический анализ ядерной рДНК (генов, кодирующих РНК цитоплазматиче-
ских рибосом клетки-хозяина) свидетельствует о монофилетическом происхождении эука-
риотного партнера внутри кроны эволюционного древа Еисагуа (Bhattacharya, Schmidt,
1997). В свою очередь, анализ рДНК цианелл показывает, что они также имеют монофиле-
тическое происхождение, несмотря на то, что их размер, форма и ультраструктура (в част-
ности, морфология карбоксисом) существенно варьируют.

G. vacuolata имеет ряд морфобиохимических особенностей, которые дают повод для
пересмотра таксономического положения этого организма и его объединения с
Rhodophyceae, а не с Glaucocystophyceae. Важным аргументом в пользу этого служит лока-
лизация ксеносомы на эволюционном древе Cyanobacteria по соседству с родопластами
(Bhattacharya, Schmidt, 1997).

Цианеллы — единственный пример энергоассимилирующих ксеносом, сохранивших в
ходе эволюции бактериальную клеточную стенку. По-видимому, они представляют собой
архаичную ветвь пластид, которая после своего обособления слабо радиировала и не полу-
чила дальнейшего морфофизиологического развития (Bhattacharya, Schmidt, 1997). В отли-
чие от нее другая ветвь, тоже обладавшая признаками примитивных пластид, стала эволю-
ционным предшественником родопластов и хлоропластов (Loffelhardt, Bohnert, 1994b).
5.2.1.2. Простые пластиды

Простые пластиды имеют монофилетическое происхождение. Об этом свидетельствуют
результаты сравнительного анализа нуклеотидных последовательностей генов!6S рРНК,
гена psbA (кодирующего мономер ядра RCII), гена tufA (кодирующего фактор элонгации EF-
Ти), а также гена atpB (кодирующего а-субъединицу интегрального домена АТР-синтазы).
Еще убедительнее об этом говорят результаты сравнения структуры 14 полностью секвени-
рованных хлоропластных геномов (Morden et al., 1992; Nelissen et al., 1995; Delwiche,
Palmer, 1997; Douglas, 1998; Gray, 1999).

По данным секвенирования генов 16S рРНК (Nelissen et al., 1995), простые пластиды
относятся к потомкам облигатно эндоцитобиотических представителей филы Cyanobacteria
(см. рис. 30).

Для простых пластид, за исключением пропластид и этиопластов, характерен свойст-
венный цианобактериям ламеллярный тип строения эндомембранной системы (рис. 35). Как
и в клетках цианобактерий, ламеллы пластид структурно отделены от оболочки ксеносомы
(de Boer, Weisbeek, 1991).

Оболочка простых пластид состоит из двух мембран, внутренняя из которых гомоло-
гична СМ бактериального эндоцитобионта. В соответствии с данными молекулярного сек-
венирования, компоненты транслоказного комплекса (Tic20, Tic22 и Tic55), а также боль-
шинство шаперонов, способствующих импорту белков в пластиду, принадлежат к белкам
«цианобактериального» типа (Cavalier-Smith, 2000).

Во внутренней мембране оболочки содержатся ксантофиллы, в частности виолаксан-
тин. До сих пор не выяснено, существуют ли они в свободном виде внутри билипидного
слоя или вместе с апопротеинами входят в состав каротиноид-белкового комплекса.

Что касается наружной мембраны оболочки, то ее эволюционное происхождение оста-
ется загадкой. Согласно первой, «эукариотной», гипотезе она гомологична мембране фаго-
сомы, внутри которой в свое время располагался эволюционный предшественник пластиды
(Гамалей, 1994). По второй, «бактериальной», гипотезе эта мембрана происходит от ОМ
эндоцитобионта (Whatley, 1993).

В пользу первой гипотезы свидетельствуют анастомозы между наружной мембраной
оболочки пластиды и мембранами ER, а также другими элементами эндомембранной систе-
мы клетки-хозяина (Гамалей, 1997). Такие анастомозы редко наблюдаются на ультратонких
срезах растительных клеток и преимущественно выявляются с помощью метода криоскалы-
вания (Whatley, 1992).

В пользу второй гипотезы говорит «бактериальный» набор липидов наружной мембра-
ны оболочки пластиды, в число которых входят фосфатидилглицерин и моногалактозилдиг-
лицерид. Отсутствие липополисахаридов в наружном полумембранном листке и наличие
фосфатидилхолина — типичного «эукариотного» липида — во внутреннем полумембранном
листке объясняется соответственно редукцией исходного липидного состава и вторичной
заменой, произошедшей в ОМ эндоцитобионта (Joyard et al., 1991).

Белки транспортных систем, локализованные в наружной мембране оболочки пласти-
ды, могут иметь «цианобактериальное» (Тос75), «эукариотное» (Тос159 GTP-аза) и химер-
ное (Тос34) происхождение (Cavalier-Smith, 2000). Там же находятся белки-порины, кото-
рые по своей 3-мерной структуре сходны с бактериальными поринами и имеют несколько
трансмембранных p-цепей. В наружной мембране хлоропластов выявлены как неспецифи-
5

Рис. 35. Хлоропласт Bracteacoccus minor (Chlorococcales, Chlorophyceae).

Электронная микрофотография улыратонкого среза. 1 - строма хлоропласта; 2 - внут-
реннее пространство тилакоида (люмен); 3 - мембрана тилакоида; 4 - двойная оболочка хло-
ропласта; 5 - цитоплазматическая мембрана клетки-хозяина. Масштаб - 0,5 мкм.

ческие, так и селективные порины (ОЕР16, ОЕР21, ОЕР24), хотя для последних не показана
способность к молекулярной селекции in vivo (Fliigge, 2000; Soil et al., 2000).

Прокариотные предки простых пластид, по-видимому, имели мультивариантные свето-
собирающие комплексы. Это подтверждается существованием рудиментарной хлорофилл fl-
антенны в родопластах— пластидах Rhodophyceae (Dumford et al., 1999). Согласно «кон-
сенсусной» гипотезе, которая в общих чертах воссоздает молекулярную эволюцию оксиген-
ного фотосинтетического аппарата (Bryant, 1992), предковые формы пластид содержали
РВР одновременно с хлорофиллами а и Ь. У таких организмов, по-видимому, имелся ген
хлорофилл п-оксигеназы, что позволяло синтезировать хлорофилл b из хлорофилла а
(Tomitani et al., 1999).

В дальнейшем РВР сохранились у родопластов линий Rhodophyceae и Glauco-
cystophyceae, однако редуцировались у хлоропластов линии Viridiplantae. В свою очередь,
хлорофилл a/b-антенны остались у Viridiplantae, но исчезли у Rhodophyceae и Glauco-
cystophyceae (Palmer, 2000).

В результате избирательной потери способности к образованию РВР-антенн и хлоро-
филл д/Ь-антенн сформировались два типа простых пластид. Они различаются общим пла-
ном строения ламеллярной системы, характером cis-дислокации, или латерального распре-
деления, фотосистем в плоскости мембраны, а также механизмом паритетного возбуждения
PSI и PSII (Wilhelm, 1990; Paulsen, 1995),

К простым пластидам первого типа относятся родопласты (англ, rhodoplast; от греч.
poSov — роза и лАосацос — восковая фигурка), которые содержат РВР, но не содержат хло-
рофиллов b и с. Тилакоиды родопластов неспособны к адгезии и имеют монотонное ламел-
лярное строение. Комплексы PSI и PSII распределены гомогенно в плоскости тилакоида.
Эпимембранная антенна PBS преимущественно взаимодействует с PSII (Bryant, 1986).

Простые пластиды второго типа представлены хлоропластами (англ, chloroplast; от
греч. /Аоэро^ — зеленый и лХаоца — восковая фигурка), которые содержат хлорофилл Ь,
но не имеют хлорофилла с, а также РВР. Исключение составляют Prasinophyceae, в их ан-
тенну помимо хлорофиллов а и b входит хлорофилл с (Wilhelm, 1990). Тилакоиды хлоро-
пластов содержат стромальные и гранальные домены, причем комплексы PSII избирательно
сосредоточены в гранах (рис. 35). Интегральная хлорофилл «/^-антенна играет роль мо-
бильного LHC, который альтернативно взаимодействует с PSI и PSII (Allen, 1992).

В результате эндосимбиотической эволюции спектр биоразнообразия хлорофилл а/Ь-
содержащих пластид значительно расширился. В частности, у этих органелл появились
фиксированные стадии отногенеза, а также несколько дифференцированных форм (Whatley,
1983; Joyard et al., 1991).

Пропластиды. Среди представителей «онтогенетического» семейства хлорофилл а/Ь-
содержащих пластид высших растений необходимо прежде всего упомянуть пластиды ме-
ристематических клеток, или пропластиды (англ, proplastid). Они имеют слабо развитую
систему эндомембран, структурно связанных с внутренней мембраной оболочки ксеносомы.
В результате дифференциации пропластид образуются:

- хлоропласты;

- этиопласты, которые на свету превращаются в хлоропласты и содержат проламелляр-
ное тело, состоящее из тубулярных мембран;

- амилопласты, накапливающие запасные вещества.

Из пропластид и хлоропластов образуются обогащенные каротиноидами хромопласты
sensu stricto.

Хлоропластный геном (cpDNA, сокр. англ, chloroplastic) имеет средний размер
150 т.п.н. и помимо генов рРНК и мРНК содержит последовательности примерно 100 поли-
пептидов с известной функцией, а также открытые рамки считывания (Sugiura, 1992). По-
скольку биогенез и функционирование оксигенного фотосинтетического аппарата требуют
участия более емкой кодирующей системы, чем пластидная, многие генетические детерми-
нанты в ходе эволюции эндоцитобиоза были переданы в ядро клетки-хозяина и лишь наибо-
лее консервативные из них сохранились в составе генофора ксеносомы (Clegg et al., 1994).
Развивающиеся из пропластид и хлоропластов «ле-зеленые» пластиды, а также хлоропласты
паразитических высших растений сохраняют хлоропластную ДНК, хотя во втором случае
многие гены редуцируются (Feierabend, 1992).

Пропластиды содержатся в меристеме Rhodophyceae, Phaeophyceae, Chlorophyceae и
высших растений. Их дифференциация связана с развитием клетки в целом. Как правило, в
пропластидах можно обнаружить слабо выраженные элементы эндомембранной системы. У
Rhodophyceae имеется периферический тилакоид, у Phaeophyceae - опоясывающая ламелла
(англ, girdle lamella), тогда как в пропластидах сифональных Chlorophyceae немногочислен-
ные тилакоиды образуют так называемое терминальное тело (англ, terminal body). В любом
случае в пропластидах существует примордиальная эндомембранная система, из которой
развиваются тилакоиды (Whatley, 1983).

Хлоропласты. Зрелые хлоропласты представляют собой продукт дифференциации
пропластид. Они имеют интенсивно развитую, структурно непрерывную сеть эндомембран,
ограничивающих единое интратилакоидное пространство, или люменальный компартмент.

Ламеллярная структура хлоропласта была впервые выявлена в 1940-х годах с помошью
поляризационной и UV-микроскопии. Позднее в результате применения электронно-
микроскопических методов были морфологически охарактеризованы ее основные структур-
ные элементы — уплощенные мембранные цистерны, названные тилакоидами (англ,
thylakoid; от греч. 0иХаков15г|^ —мешковидный). В отдельных участках ламеллярной систе-
мы тилакоиды собраны в стопки — граны (англ, grana; от лат. granum — зерно). Тилакоиды,
соединяющие граны друг с другом, называются ламеллами стромы (англ, stroma; от греч.
сгтрщца — ложе).

Анизотропная структура тилакоидов, в частности гетерогенное распределение белков
между цитоплазматической и экзоплазматической поверхностями мембраны, была впервые
продемонстрирована в начале 1960-х годов (см: Menke, 1990) и с тех пор неоднократно под-
тверждалась данными об асимметричной ориентации интегральных и эпимембранных ком-
понентов оксигенного фотосинтетического аппарата.

Помимо вышеуказанной «transw-анизотропии существует еще «сл5»-анизотропия, или
латеральная гетерогенность тилакоидов (см. разд. 5.1.1). Вопреки априорным предположе-
ниям, что для эффективного транспорта электронов PSI и PSII должны образовывать бинар-
ные суперкомплексы, равномерно распределенные в плоскости мембраны, выявилась иная
картина — в действительности две фотосистемы приурочены к разным доменам эндомем-
бранной системы хлоропласта.

Латеральная гетерогенность тилакоидов выражается прежде всего в том, что комплек-
сы PSII сосредоточены примущественно в гранальных, а комплексы PSI — преимуществен-
но в стромальных участках. Свидетельства этого получены в биохимических экспериментах
с фракционированными мембранами, а также при морфологическом анализе распределения
интрамембранных частиц методами криофрактографии и иммуноэлектронной микроскопии.
По имеющимся данным, до 80% комплексов PSII и около 70-90% комплексов LHCII сосре-
доточено в гранах, а -90% комплексов PSI и вся ATP-синтаза ассоциированы с ламеллами
стромы. В то же время цитохром b//1 комплекс распределен между гранальными и стромаль-
ными доменами равномерно (Anderson, 1987).

Адгезия гранальных тилакоидов обеспечивается межмолекулярным взаимодействием
LHCII в соседствующих дисках. Для экранирования отрицательно заряженных группировок
на стромальной поверхности мембран необходимы дивалентные катионы. Взаимное притя-
жение комплексов LHC1I спрессовывает тилакоиды, что приводит к их уплощению и допол-
нительно способствует сегрегации LHCII в участках адгезии. Характерно, что при удалении
катионов граны распадаются на отдельные разбухшие диски. Однако то, что тилакоиды му-
тантов ячменя, не имеющих хлорофилла Ь, сохраняют способность к образованию гран,
свидетельствует в пользу участия в адгезионном взаимодействии не только САВ-белков, но
и других полипептидов, а также липидов (Webb, Green, 1991).

Состояние гран зависит от метаболического баланса между фотосинтезом и сопряжен-
ными с ним процессами. В частности, при подавлении оттока ассимилятов уменьшается
размер гран и число входящих в них дисков (Гамалей, 1997).

Гранальные домены морфологически оформлены в виде стопок, образованных прижа-
тыми друг к другу мембранными дисками. Отдельные диски соединяются с ламеллами
стромы с помощью тонких анастомозов. При подходе к гране ламелла стромы веерообразно
рассекается на отдельные окончания, которые по спирали образуют «орнамент» (англ, fret)
анастомозов с дисками. Количество ламелл стромы, взаимодействующих с одной тканой,
составляет 2-12 (Staehelin, van der Staay, 1996).

Размеры хлоропластов высших растений могут сильно различаться в зависимости от
типа клеток, в состав которых они входят. Гранальные домены также варьируют по величи-
не и пространственной ориентации. Растения, вегетирующие при высоком уровне освещен-
ности, имеют «светолюбивые» (англ, sun-type) хлоропласты с гранами уменьшенного разме-
ра, причем количество дисков в гране может быть сокращено до двух. В отличие от них
«теневыносливые» (англ, shade-type) хлоропласты растений, развивающихся при низком
уровне освещенности, обладают сильно развитой гранальной системой с увеличенным чис-
лом дисков в гранах и гранами повышенного диаметра. Образование светолюбивых хлоро-
пластов можно искусственно индуцировать, освещая растения слабым синим светом. На-
против, теневыносливые хлоропласты формируются под красным светом независимо от его
интенсивности (Sarafis, 1998).

Ультраструктура хлоропластов отклоняется от стандартного типа в клетках ситовидных
трубок (Behnke, 1994), в обкладке С4-растений, образующих 4-углеродные органические
кислоты в качестве первичного продукта фиксации СО2 (Kanai, Edwards, 1999), а также у так
называемых CAM-растений (сокр. англ, crassulacean acid metabolism), которые в условиях
резких суточных колебаний температуры временно запасают ассимилированный углерод в
форме органических кислот (Toh et al., 1994).

Характерные изменения в ультраструктуре хлоропластов могут наблюдаться при ги-
пертрофированном накоплении запасных продуктов, в частности белков и липидов. Депо-
нирование белка в хлоропластах многих представителей Chlorophyceae и некоторых видов
Anthocerotae осуществляется в пиреноиде (англ, pyrenoid; от греч. 7TupT|v — зерно, ei5o^
подобие).

Распространение пиреноида не ограничено хлоропластами. Он весьма характерен для
тех типов пластид, которые не содержат хлорофилла Ь, например, для «хромопластов»
Cryptophyceae.

Пиреноид представляет собой электронплотное включение внутри пластиды. Он не
имеет ограничивающей мембраны и легко разрушается в ходе препаративного выделения.
Установлено, что пиреноид в основном состоит из RuBisCO и является функциональным
аналогом, а возможно — гомологом карбоксисомы автотрофных бактерий (McKay, Gibbs,
1990). Таким образом, роль пиреноида скорее всего не ограничивается депонированием
белка, и он может активно участвовать в конструктивных процессах. В некоторых случаях,
например в пластидах Cryptophyceae, Rhodophyceae и Bacillariophyсеае, так назывемые «ин-
трапиреноидные» тилакоиды поодиночке или попарно пронизывают тело белковой глобулы.
По-видимому, фотосинтетический аппарат в этом участке ламеллярной системы специали-
зирован, однако функциональное значение его структурной ассоциации с пиреноидом неиз-
вестно.

Альтернативный способ запасания белка используется в протеинопластах (англ,
proteinoplast; от англ, protein — белок и греч. лХаоцос — восковая фигурка) многих покры-
тосеменных растений. Протеинопласты лишь условно можно считать дифференцированной
формой хлоропласта, поскольку они не ассоциированы с определенным типом клеток и тка-
ней, а также какой-либо специализированной стадией развития пластид. Резервный матери-
ал, состав которого не исследован, накапливается в окруженном мембраной теле и может
иметь кристаллическое или аморфное строение (Whatley, 1983).

Хлоропласты некоторых высших растений наряду с белками накапливают липиды в ви-
де осмиофильных гранул. В этом случае их называют элайопластами (англ, elaioplast; от
греч. eXaiov— масло и лкаоца— восковая фигурка). Такие пластиды, в частности, содер-
жатся в клетках экскреторных желез цветковых растений (Whatley, 1983).

Этиопласты. Этиопласты (etioplast; от англ, etiolate— делать бледным и греч.
лХосаца— восковая фигурка) развиваются из пропластид у растений, выращиваемых в
полной темноте. В этиопластах блокирован синтез хлорофиллов а и Ь, однако они накапли-
вают биосинтетический предшественник хлорофилла а — протохлорофиллид а, а также не-
большое количество каротиноидов. За исключением зачаточных гранальных участков, со-
держащих сдвоенные тилакоиды, этиопласты характеризуются почти полным отсутствием
ламеллярной системы. В этиопласте имеются ATP-синтаза, мембранные цитохромы и рас-
творимые медиаторы PSI и PSII, в частности Рс и Fd. При этом этиопласты не содержат
апопротеинов RCI и RCII. Кроме того в них отсутствует LHC.

Наиболее характерный морфологический признак этиопластов — «проламеллярное те-
ло» (англ, prolamellar body, PLB), или паракристаллическая решетка, состоящая из ячеек,
образованных тетраэдрически ориентированными субъединицами. Соединяясь между со-
бой, они образуют упорядоченную структуру с гексагональным, квадратным или скошен-
ным профилем. От периферии PLB в строму расходятся зачатки ламеллярных «протилакои-
дов» (англ, prothylakoid, РТ). Проламеллярное тело представляет собой резерв мембранного
материала, который не может влиться в ламеллярную систему из-за того, что ее биогенез ,в
этиопластах блокирован (Murakami et al., 1985).

Проламеллярное тело обогащено галактолипидами и каротиноидами, а также содержит
протохлорофиллид а. При возобновлении освещения пул накопленного в темноте протохло-
рофиллида под действием NADPH-зависимой протохлорофиллидредуктазы и хлорофиллазы
без задержки преобразуется в хлорофиллид и хлорофилл а. После непродолжительного лаг-
периода начинается интенсивный синтез хлорофиллов а и Ь. Он происходит в течение ~1
сут в проламеллярном теле в процессе «позеленения» (англ, greening) этиопласта с превра-
щением его сначала в этиохлоропласт, а затем в хлоропласт. Позеленение сопровождается
перестройкой эндомембранной системы этиопласта, приводящей к образованию ламелляр-
ной системы, которая содержит все функциональные компоненты оксигенного фотосинте-
тического аппарата (blitz, 1986).

Амилопласты. Характерным примером пластид, откладывающих запасные вещества,
служат амилопласты (англ, amyloplast; от греч. apukov — крахмал и лкаора — восковая фи-
гурка). Раньше их вместе с протеинопластами и элайопластами называли «лейкопластами»
(англ, leucoplast; от греч. tarvKO^— белый и яА.аоца— восковая фигурка). Однако отсутст-
вие или низкое содержание пигментов — это общий признак пластид, имеющих различную
онтогенетическую предысторию и накапливающих различный запасной материал.

Амилопласты образуются в результате дифференциации пропластид или хлоропластов,
и их отличительный признак — накопление запасного полигликозида (крахмала). Способ-
ность откладывать крахмальные гранулы в строме пластид вообще характерна для
Chlorophyceae и высших наземных растений. При этом полимер, образующийся в хлоропла-
стах, выполняет функцию пула ассимилированного углерода, мобилизуемого при снижении
фотосинтетической активности.

Накопление крахмала может происходить и на постоянной основе — в специализиро-
ванных амилопластах клеток различных растительных тканей и органов. Прежде всего это
запасающие ткани, хотя амилопласты также содержатся в клетках меристемы и корневого
чехлика (Whatley, 1983).

Амилопласты имеют преимущественно сферическую форму, причем крахмал отклады-
вается в виде нескольких мелких гранул или одной единственной крупной гранулы. Морфо-
логическая связь между гранулами крахмала и фотосинтетическими ламеллами указывает
на существование между ними тесного функционального взаимодействия (Thomson,
Whatley, 1980).

Хромопласты. Хромопласты sensu stricto (англ, chromoplast; от греч. %ршцос— цвет и
лХасща — восковая фигурка) богаты желтыми, оранжевыми и красными каротиноидами,
что служит главной причиной феномена яркой окраски стареющих листьев. Цвет некоторых
типов цветков, плодов и корней также связан с образованием хромопластов, которые изби-
рательно накапливают окрашенные каротиноиды.

Хромопласты могут иметь довольно причудливую, например амебоидную форму. В за-
висимости от способа накопления каротиноидов их можно подразделить на четыре основ-
ных типа (Thomson, Whatley, 1980):

- глобулярный, когда каротиноиды вместе с другими липидами образуют в строме
аморфные осмиофильные включения, или пластоглобулы (англ, plastoglobule; от греч.
лА-аоца — восковая фигурка и лат. globula — шарик);

- кристаллический, когда каротиноиды образуют кристаллические включения, как пра-
вило, состоящие из /5-каротина и ликопина и расположенные внутри тилакоидов или по со-
седству с ними; при своем росте кристаллы могут деформировать хромопласт;

- тубулярный, когда каротиноиды входят в состав сети тубулярных эндомембран, при
образовании которых, возможно, используется материал пластоглобул;

- мембранный, когда каротиноиды накапливаются в агрегированных ламеллярных эн-
домембранах; такая система формируется не путем преобразования ламелл стромы или
гран, а скорее всего на основе инвагинатов внутренней мембраны оболочки хромопласта.

5.2.1.3. Сложные пластиды

Хотя сложные пластиды имеют полифилетическую природу (Gray, 1999), все они про-
изошли одним и тем же способом — в результате вторичного эндоцитобиоза между нефото-
синтезирующим фаготрофным хозяином и одноклеточным эукариотным оксифотобионтом,
содержащим простую пластиду. Таким образом, в отличие от простых пластид, представ-
ляющих собой цитологический эквивалент бактериальной клетки, сложные пластиды — это
неравномерно редуцированные эукариотные эндоцитобионты, окруженные оболочкой из
трех или четырех мембран.

Первичный эндоцитобиоз, который привел к образованию простых пластид, состоялся
-2 млрд лет назад. В то же время самые древние ископаемые остатки организмов со слож-
ными пластидами (Dinozoa) имеют возраст «всего лишь» -0,25 млрд лет. Естественно, воз-
никает вопрос, почему в течение -1,75 млрд лет не было случаев эволюционного закрепле-
ния вторичного эндоцитобиоза, а затем все его варианты реализовались почти в одно и то
же время? Можно предположить, что вторичные симбиотические ассоциации неоднократно
возникали с момента появления организмов с простыми пластидами, однако быстро элими-
нировались, поскольку не обладали селективными преимуществами перед уже существо-
вавшими оксифотобионтами.

Согласно одной из современных гипотез (Lee, Kugrens, 2000), различные группы водо-
рослей, имеющих сложные пластиды, произошли примерно 260-275 млн лет назад, что бы-
ло связано с резким снижением содержания атмосферного СО2 к концу палеозойской эры. В
пермском периоде оно, по-видимому, было втрое меньше современного, в результате чего
уровень растворенного неорганического углерода (англ, dissolved inorganic carbon, DIC) стал
лимитирующим фактором для осуществления фотосинтеза в древнем Океане.

Как известно, DIC может находиться в трех взаимно превращающихся формах (Н2О +
СО2 <-> [Н2СО3] <-> Н+ + НСО3 " <-» 2Н+ + СО32-), соотношение концентраций которых зави-
сит от активной кислотности среды. При низких значениях pH преобладает СО2, а при слабо
щелочных значениях (например, в морской воде) DIC существует преимущественно в фор-
ме НСО3~.

Субстратом в реакции карбоксилирования, катализируемой RuBisCO, служит СО2, а не
НСО3~. По-видимому, предки современных водорослей со сложными пластидами могли
более эффективно использовать DIC из-за того, что их эукариотные эндоцитобионты нахо-
дились внутри фагоцитарной вакуоли, представлявшей собой закисленный компартмент, где
DIC в основном существовал в форме диоксида углерода. Такое селективное преимущество
в условиях дефицита DIC позволило вторичным симбиозам закрепиться и развиться в
процессе эволюции, что привело к образованию современных групп водорослей со
сложными пластидами.

Сложные пластиды подразделяются на две группы в соответствии с пигментным соста-
вом. К первой относятся сложные хлоропласты, имеющиеся у Chlorarachniophyceae и
Euglenozoa. Они содержат хлрофиллы а и Ь. Ко второй группе принадлежат хромопласты
sensu lato, характерные для Chromista и Dinozoa. Они содержат хлорофиллы а и с. Пластиды
первой группы произошли от эндоцитобиотических Chlorophyceae, в то время как пластиды
второй группы ведут начало от эндоцитобиотических Rhodophyceae (см. Cavalier-Smith,
1999).

По строению ламеллярной системы сложные хлоропласты сходны с простыми. В функ-
циональном плане между этими типами пластид также не наблюдается принципиальных
различий — для них свойствен одинаковый характер cis-дислокации PSI/PS1I, и они исполь-
зуют тот же механизм распределения энергии между двумя фотосистемами (Wilhelm, 1990;
Paulsen, 1995).

Хлорофилл с-содержашие хромопласты Chromista и Dinozoa не имеют хлорофилла b и
РВР. В отличие от хлоропластов тилакоиды хромопластов не образуют гран. Комплексы PSI
и PSII распределены гомогенно в плоскости мембраны тилакоида. Интегральные и эпимем-
бранные хлорофилл а/с-содержащие антенны взаимодействуют одновременно с двумя фо-
тосистемами (Wilhelm, 1990).

Особенностью хромопластов Cryptophyceae служит то, что они имеют сразу два типа
LHC — интегральный, содержащий хлорофиллы а!с, и периферический, состоящий из РВР.
В отличие от PBS, характерных для родопластов, квази-PBS в пластидах Cryptophyceae рас-
положены не на цитоплазматической поверхности тилакоидов, а на ее противоположной
стороне — в люменальном компартменте (Wilhelm, 1990).

Специфическим признаком интегральной антенны Eustigmatophyceae служит вторичная
редукция сайтов связывания хлорофилла с. Такой LHC содержит только хлорофилл а, разу-
меется, не считая каротиноидов (Grevby, Sundqvist, 1999).

Сложные пластиды Cryptophyceae и Chlorarachniophyceae помимо двух мембран, при-
надлежащих оболочке простой пластиды, чаще всего окружены двумя дополнительными
мембранами (рис. 36). Предполагается, что одна из них, а именно ближняя к кору ксеносо-
мы, представляет собой видоизмененную СМ эукариотного эндоцитобионта. Перифериче-
ская мембрана, скорее всего, произошла от мембраны фагосомы клетки-хозяина.

Между наружной и внутренней парами мембран находится перипластидное простран-
ство, которое эквивалентно редуцированному цитоплазматическому компартменту эукари-
отного эндоцитобионта. Здесь находится нуклеоморф (англ, nucleomorph; от лат. nucleus —
ядро и греч. цорсрт] — образ) — рудиментарное ядро, способное к амитотическому деле-
нию. Он имеет двойную оболочку с порами, заполненными электронплотным материалом.
Внутри нуклеоморфа содержится фиброгранулярное тело, соответствующее ядрышку
(Gillott, Gibbs, 1980). У некоторых видов Cryptophyceae, а также у Chlorarachnion reptans
нуклеоморф располагается внутри глубокой инвагинации пиреноида (см. разд. 5.2.1.2).

Геном нуклеоморфа Cryptophyceae имеет размер -600 т.п.н. (в случае С. reptans 380
т.п.н.) и состоит из трех линейных хромосом размером 95-230 т.п.н. Хромосомы нуклео-
морфа С. reptans содержат небольшие теломеры, однако кариокинез не сопровождается об-
разованием митотического веретена и проходит в отсутствие видимой конденсации хрома-
тина. Согласно данным секвенирования генома нуклеоморфа С. reptans, в его состав входят
до 200-300 генов (Cavalier-Smith et al., 1996; McFadden et al., 1997). Помимо генов «домаш-
него хозяйства» нуклеоморф криптомонад кодирует белки, участвующие в репликации и
экспрессии резидентных генов. Кроме того, в хромосомах нуклеоморфа содержатся гены
некоторых белков, импортируемых в кор ксеносомы, в частности ген тубулинподобного
белка FtsZ, который играет важную роль в делении простой пластиды, а также ген рубре-
доксина (Cavalier-Smith, 2000).

Помимо нуклеоморфа в перипластидном пространстве находятся гранулы крахмала и,
что особенно существенно, 80S рибосомы (Cavalier-Smith et al., 1996). Таким образом, в
сложных пластидах имеются две популяции рибосом (рис. 36). «Бактериальные» 70S рибо-
сомы локализованы в коре ксеносомы, и 16S рРНК кодируется «бактериальным» хлоропла-
стным геномом. «Эукариотные» 80S рибосомы расположены в перипластидном пространст-
ве, и 18S рРНК закодирована в «эукариотном» геноме нуклеоморфа (Sitte, 1993; Reith,
1995).

Хотя сложные пластиды Cryptophyceae и Chlorarachniophyceae обладают сходной мор-
фологией и ультраструктурой, они имеют различное происхождение и представляют собой
продукты конвергентной эволюции. Согласно данным секвенирования 18S рРНК, филогене-
тические предшественники сложных пластид Cryptophyceae — это Rhodophyceae. В отличие
Рис. 36. Клетка протиста, содержащая сложную пластиду.

С - сложная пластида; S - простая пластида; М - митохондрия; N - ядро;
G - генофор; R - рибосома.

от них предшественниками Chlorarachniophyceae служат представители Chlorophyceae,
близкие современным Volvocales (Cavalier-Smith et al., 1996).

Сложные пластиды Cryptophyceae и Chlorarachniophyceae рассматриваются как эука-
риотные аналоги цианелл. Полуавтономные цитоплазматические органеллы обоих типов —
пример того, какими могли быть переходные стадии в эволюции пластид. Они сохранили
муреиновый слой, служащий ригидной структурой бактериальных клеток в условиях авто-
номного существования, и кодирование обеих субъединиц RuBisCO бактериальным гено-
мом (в случае цианелл), а также нуклеоморф и «эукариотные» рибосомы (в случае сложной
пластиды). Большое число видов Cryptophyceae свидетельствует о том, что их пластиды су-
ществуют в своем нынешнем статусе в течение долгого эволюционного периода (Whatley,
1993).
По аналогии с геномом цианелл, одним из самых маленьких бактериальных геномов
(см.: Mushegian, Koonin, 1996), геном нуклеоморфа соответствует минимальному геному
эукариотного организма. Изучение таких предельно редуцированных генофоров, метко на-
званных «бонсай»-геномами (англ, bonsai genomes) представляет большой интерес для по-
нимания эволюции генных структур (McFadden et al., 1997).

Наряду с Cryptophyceae к группе Chromista относятся некоторые таксоны гетероконт-
ных водорослей (Chry sophy ceae, Xanthophyceae, Phaeophyceae, Bacillariophyceae,
Eustigmatophyceae, Raphidophyceae), а также представители Haptophyceae. Они включают в
себя как фотосинтезирующих, так и хемогетеротрофных представителей. Отдельные виды
являются фаготрофными. Часть нефотосинтезирующих видов имеют пластиды без ламел-
лярной системы, другие вообще лишены пластид.

Каротиноиды Chromista классифицируют по принадлежности к двум различным путям
биосинтеза. Фукоксантиновый путь имеется у Chrysophyceae, Phaeophyceae, Bacillario-
phyceae, Haptophyceae и некоторых Raphidophyceae, а вашериоксантиновый путь характерен
для Eustigmatophyceae, Xanthophyceae и большинства представителей Raphidophyceae
(Whatley, 1993).

Сложные пластиды Chromista обладают рядом общих структурных признаков. Хромо-
пласты sensu lato окружены четырьмя мембранами, причем самая периферическая из них -
мембрана «хлоропластного» эндоплазматического ретикулума (англ, chloroplast endoplasmic
reticulum, CER) несет на поверхности рибосомы и связана с внешней мембраной ядерной
оболочки. В отличие от пластид Cryptophyceae и Chlorarachniophyceae у Chromista внутрен-
няя и наружная пары мембран оболочки сложной пластиды тесно прилегают друг к другу, и
в промежутке между ними нет явно выраженного перипластидного компартмента (Cavalier-
Smith, 2000). Редуцированное перипластидное пространство не содержит нуклеоморфа, и
помимо отдельных мембранных везикул в нем не обнаружены никакие морфологически
выраженные структурные элементы.

У гетероконтных водорослей, содержащих фотосинтетически активные хромопласты,
тилакоиды обычно объединены по три в протяженные полимембранные слои, хотя для
представителей Eustigmatophyceae характерны локальные ламеллярные агрегаты, состоящие
из большего количества тилакоидов. У Bacillariophyceae, пресноводных Chrysophyceae,
Xanthophyceae, Phaeophyceae, Haptophyceae, а также у представителей Raphidophyceae,
имеющих фукоксантиновый путь биосинтеза каротиноидов, тилакоиды соединяются с ок-
ружающей их периферической опоясывающей ламеллой, образованной тремя мембранами.
В таких пластидах часто имеются одномембранные перемычки между соседними тилакои-
дами, а также анастомозы между периферическими тилакоидами и опоясывающей ламел-
лой. Поскольку представители перечисленных групп водорослей имеют сходную организа-
цию ламеллярной системы, это служит дополнительным аргументом в пользу единого про-
исхождения их пластид. В то же время отсутствие опоясывающей ламеллы в хромопластах,
для которых характерен вашериоксантиновый путь биосинтеза каротиноидов, может свиде-
тельствовать о существовании второй ветви Chromista, возникшей в результате независимо-
го акта вторичного симбиоза (Whatley, 1993).

Представители Chromista, за исключением Raphidophyceae и Bacillariophyceae, облада-
ют стигмой (англ, stigma; от лат. stigma - глазок; англ, синоним - eyespot). Стигма выступа-
ет в роли фоторецептора и участвует в фототаксисе. Аппарат стигмы состоит из группы ка-
ротиноидных глобул, которые в большинстве случаев находятся внутри пластиды и распо-
ложены по соседству с модифицированным участком базального тела жгутика. Таким обра-
зом, стигма объединяет в единый функциональный комплекс пластиду, произошедшую от
эукариотного эндоцитобионта, и жгутик, принадлежащий клетке-хозяину. Очевидно, что
компоненты этой системы совместно эволюционировали в течение продолжительного вре-
мени. На основании того, что у Chromista существуют три типа аппаратов стигмы, некото-
рые исследователи допускают, что сложные пластиды у разных представителей этой группы
имеют независимое эволюционное происхождение (см. Whatley, 1993).

Стигма первого типа, характерная для Chrysophyceae, Xanthophyceae и Phaeophyceae,
состоит из монослоя каротиноидных глобул, который находится внутри хромопласта, рас-
положенного непосредственно под плазматической мембраной клетки-хозяина. В состав
аппарата стигмы первого типа входит простой вырост базального тела гладкого жгутика.

Стигма второго типа, свойственная Haptophyceae, состоит из слоя каротиноидных гло-
бул, лежащего под оболочкой хромопласта, который примыкает к инвагинации цитоплазма-
тической мембраны клетки-хозяина. В состав аппарата стигмы второго типа входит слож-
ный вырост базального тела гладкого жгутика.

Стигма третьего типа встречается только у зооспор некоторых Eustigmatophyceae, и ее
филогенетическая интерпретация вызывает затруднения. Кластер каротиноидных глобул
расположен на некотором расстоянии от пластиды, не связан с ней и не имеет собственной
мембранной оболочки. Стигма третьего типа всегда ассоциирована с перистым жгутиком
(Whatley, 1993).

Euglenozoa часто объединяют с Chlorarachniophyceae на основании их общего происхож-
дения путем вторичного симбиоза между фаготрофными протистами и одноклеточными зеле-
ными водорослями. В пользу такого объединения свидетельствует сходство морфологии ла-
меллярной системы, одинаковый набор хлорофиллов, гомология САВ-белков, а также генов
малой субъединицы RuBisCO (rbcS'), которые были перенесены из ксеносом в ядра клеток про-
тестов (Cavalier-Smith, 2000). Тем не менее, по составу каротиноидов Euglenozoa обнаружива-
ют близкое сходство с представителями гетероконтных водорослей (см. главу 1).

Хлоропласты Euglenozoa имеют три ограничивающие мембраны, что объясняется ре-
дукцией СМ, ранее принадлежавшей эукариотному эндоцитобионту. Нуклеоморф, по-
видимому, был утрачен в ходе внутриклеточной эволюции, что сопровождалось переносом
генов в ядро клетки-хозяина (Cavalier-Smith, 2000). У части видов, относящихся к данной
группе, наблюдается вторичная редукция пластид. В настоящее время лишь около трети
представителей Euglenozoa содержат хлоропласты. Многие из непигментированных видов
способны к фаготрдфии (Whatley, 1993).

Euglenozoa — как фотосинтезирующие, так и нефотосинтезирующие, обладают экзо-
пластидной стигмой. Она лежит в цитоплазме и контактирует с агрегатом микротрубочек,
расположенным у раздутого основания одного из жгутиков. В состав стигмы входит до 15
каротиноидных глобул, окруженных общей мембраной. Некоторые исследователи полага-
ют, что стигма Euglenozoa соответствует рудименту пластиды, принадлежавшей к архаич-
ной ветви эволюции хлоропластов (см. Whatley, 1993).

Dinozoa рассматривают как сестринскую группу, которая развилась параллельно с
Chromista от общего эволюционного предшественника, причем до половины видов диноф-
лагеллят вторично утратили пластиды и перешли к фаготрофному типу питания (Cavalier-
Smith, 2000). У большинства фотосинтезирующих видов Dinozoa хромопласт окружен тремя
мембранами, хотя они не всегда легко различимы. Тилакоиды объединяются в рыхлые,
обычно не связанные друг с другом агрегаты, расположенные вдоль продольной оси пла-
стиды. У некоторых видов в хромопласте имеется окаймляющая ламелла (Whatley, 1993).
Третичные эндоцитобиозы и замена пластид. Современные Dinozoa часто вступают
в симбиотические ассоциации. Они могут быть транзитными и устойчивыми, в том числе
типа эндоцитобиоза. Примером последнего служат Peridinium balticum и Р. foliaceum, кото-
рые помимо собственных частично редуцированных пластид, сохранившихся в виде стигмы
с тремя ограничивающими мембранами, содержат видоизмененные клетки фотосинтези-
рующих Bacillariophyceae. Эндоцитобионт отделен от цитоплазмы клетки-хозяина мембра-
ной фагосомы, его пластида окружена четырьмя мембранами и по пигментному составу и
ультраструктуре подобна хромопласту фукоксантинсодержащих гетероконтных водорослей.
Клетки эндоцитобионта не имеют митохондрий, однако сохранили ядро (Whatley, 1993;
Cavalier-Smith, 2000).

Для некоторых видов Dinozoa характерно присутствие неординарных пластид, приоб-
ретенных в результате третичного эндоцитобиоза с различными водорослями.

1 Третичные эндоцитобиозы принципиально отличаются от первичных и вторичных (ко-
гда на основе межклеточных химерных ассоциаций с участием фаготрофного хозяина про-
исходит эволюционное формирование крупных таксономических групп). В случае /третич-
ного эндоцитобиоза хозяин имеет собственные пластиды, однако они замещаются простыми
или сложными пластидами клетки-пришельца. В результате этого кладогенез органичивает-
ся уровнем аберрантных (обособленных) видов в пределах группы перидиниевых Dinozoa,
которые проявляют ярко выраженную способность к потере собственных пластид и их за-
мене чужими пластидами.

По современным представлениям, типичные перидининсодержащие пластиды Dinozoa
в ходе эволюции неоднократно замещались пластидами представителей других групп водо-
рослей (Cavalier-Smith, 2000). Поскольку пластиды не имеют генов, необходимых для авто-
номной репродукции, а при становлении эндоцитобиотической ассоциации пришельцы те-
ряют ядро и рибосомы, клетка-хозяин должна была выработать механизм импорта белков в
кор ксеносомы.

Таким образом, третичный эндоцитобиоз Dinozoa с одноклеточными водорослями пе-
реходит в симбиогенез пластид не по принципу приоритетной колонизации фаготрофной
клетки эукариогной ксеносомой, а посредством замещения органелл. Одним из примеров
этого своеобразного цитоэволюционного процесса служит Lepidodinium viride, зеленая пла-
стида которого содержит хлорофиллы а и Ь. По типу организации ламеллярной системы она
является продуктом третичной эндоцитобиотической интеграции зеленой водоросли, родст-
венной современным Prasinophyceae (Whatley, 1993; Cavalier-Smith, 2000).

Вторым примером служит Gymnodiniutn breve и несколько родственных ему видов,
пластиды которых содержат гексаноилфукоксантин, характерный для Haptophyceae
(Whatley, 1993; Cavalier-Smith, 2000).

Третий пример — Dinophysis, содержащий криптомонадные пластиды. Однако некото-
рые виды этоого рода не растут в монокультуре и многие являются фаготрофами. Поэтому
нельзя исключить возможность того, что их пластиды на самом деле относятся к продуктам
третичного эндоцитобиоза, а представляют собой неразмножающиеся «клептохлоропласты»
(англ, kleptochloroplast; от греч. кХелтш— краду, — зеленый и лХаоца— восковая
фигурка), которые при фаготрофном питании поступают в пищевые вакуоли протистов вме-
сте с клетками водорослей и временно эксплуатируются ими в качестве автотрофной асси-
миляционной системы (Palmer, Delwiche, 1996).

Согласно результатам секвенирования ядерных генов 18S рРНК, все указанные орга-
низмы располагаются внутри ветви перидининсодержащих Dinozoa (Cavalier-Smith, 2000).
По-видимому, здесь действительно имеет место третичная замена пластид, а не вторичный
эндоцитобиоз с участием примитивного фаготрофного хозяина.

Таким образом, существование многообразных сложных пластид может рассматри-
ваться как результат нескольких независимых актов вторичного эндосимбиоза. Разные ав-
торы насчитывают от двух до шести подобных примеров (Reith, 1995; Cavalier-Smith, 2000).
Наконец, возможно приобретение простых или сложных пластид путем замены органелл в
результате третичного эндоцитобиоза.

5.2.1.4. Специализированные пластиды

Термином «специализированные» пластиды можно обозначить такие ксеносомы, кото-
рые, как и собственно пластиды, содержат главные компоненты фотосинтетического аппа-
рата — реакционные центры и светособирающие антенные комплексы. Подобно собственно
пластидам, специализированные пластиды имеют ламеллярную систему. Однако они бес-
цветны из-за крайне низкого удельного содержания каротиноидов и хлорофилла, которые
удается выявить лишь с помощью высокочувствительных аналитических методов. Естест-
венно, что специализированные пластиды практически не осуществляют фототрофной ас-
симиляции энергии, и это не позволяет провести параллель между ними и квазифототроф-
ными бактериями (см. разд. 1.4).

В настоящее время известны только два примера специализированных пластид — пла-
стиды Apicomplexa и «тилакосомы» амебожгутиконосцев (рис. 37).

протистыг

протистьц

протистыз
(Amitozoa)

Рис. 37. Схема эволюционного происхождения химерных клеток и энергоассимилирующих ксеносом.

N - ядро; М - митохондрия; S - простая пластида; С - сложная пластида; Н - гидрогеносома; Т - тилакосо-
ма; А - пластида Apicomplexa.
Пластиды Apicomplexa. Внутриклеточные паразиты из группы Apicomplexa
(Toxoplasma gondii. Eimeria tenella, Plasmodium falciparum, Sarcocystis muris и др.) содержат
два генома с материнским типом наследования. Один из них соответствует митохондриаль-
ному геному размером -7 т.п.н. Другой геном имеет размер ~35 т.п.н. и представляет собой
кольцевую ДНК, в составе которой выявлены хлоропластные гены гроВ/С (гены двух субъе-
диниц РНК-полимеразы), tufA (ген фактора элонгации Ти) и clpC (ген протеазной субъеди-
ницы).

С помощью гибридизации in situ показано, что транскрипты гена 16S рРНК, входящего
в состав более крупного генома Т. gondii, локализуются в цитоплазматических органеллах,
ранее известных под названиями «сферическое тело» (англ, spherical body), «полимембран-
ная вакуоль» (франц, vacuole plurimembranaire), «полый цилиндр» (нем. Hohlzylinder) и др.
(Kohler et al., 1997). Согласно электронно-микроскопическим данным эти структуры имеют
четыре ограничивающие мембраны, размножаются путем бинарного деления и заполнены
частицами размером ~18 нм, напоминающими бактериальные 70S рибосомы.

Морфологическое сходство ксеносом Apicomplexa со сложными пластидами подтвер-
ждается филогенетическим анализом гена tufA, который показал, что они родственны пла-
стидам Dinozoa (Blanchard, Hicks, 1999).

Имея явное сходство с пластидами, ксеносомы Apicomplexa не обладают способностью
к фотосинтезу. Однако с помощью методов высокочувствительной жидкостной хромато-
графии (англ, high performance liquid chromatography, HPLC) и низкотемпературной флуо-
ресцентной спектроскопии в них удалось обнаружить незначительное количество протохло-
рофиллида и следы хлорофилла а. Кроме того, в геноме ксеносом Т. gondii и S', muris с по-
мощью методов PCR и саузерн-блот гибридизации был выявлен ген psbA, кодирующий по-
липетид D1 реакционного центра PSII (Hackstein et al., 1995).

Особый интерес вызывает то обстоятельство, что паразитические Apicomplexa, в част-
ности вызывающие малярию плазмодии, проявляют очень высокую чувствительность к
триазиновым гербицидам и DCMU, действующим на уровне акцепторного участка PSII (см.
разд. 3.5.2). Мишень для действия этих гербицидов — специализированные пластиды прак-
тически бесцветны, и поэтому исключена возможность того, что эффект подавления парази-
тических Apicomplexa связан с блокированием фототрофии.

Тилакосомы. Первый представитель группы амебожгутиконосцев, Psalteriomonas
lanterna, был выделен в начале 1990-х годов из пресноводного водоема близ г. Наймеген в
Нидерландах. Этот свободноживущий представитель микроаэробных протистов не имеет
пластид, митохондрий, микротелец и диктиосом, а также развитого ER. Однако на обеих
стадиях развития Р. lanterna — амебоидной и жгутиковой — в клетках содержатся гидроге-
носомы, а также 10-20 цитоплазматических органелл с внутренними структурами, напоми-
нающими тилакоиды (Hackstein et al., 1994). Из-за морфологического сходства с пластидами
эти ксеносомы были названы «тилакосомами» (англ, thylakosome). На ранних стадиях фор-
мирования они похожи на этиолированные хлоропласты или хромопласты, на промежуточ-
ной стадии — на цианобактерий, в зрелом состоянии — на пластиды Apicomplexa (Hackstein
et al., 1995; 1997). '

Присутствие ДНК в тилакосомах доказывается положительным окрашиванием специ-
фическими флуорохромами — бромистым этидием и диамидинфенилиндолом (англ,
diamidino-phenylindole,' DAPI). В составе тилакосом содержатся гены рРНК в виде инверти-
рованных повторов, характерных для пластид (Hackstein et al., 1997). О наличии рибосом
свидетельствует грануляция, наблюдаемая в строме тилакосомы. Кроме того, с помощью
иммуномикроскопического метода в тилакосомах найдена RuBisCO, а также цитохромокси-
даза аа3-типа, образование которой блокируется ингибиторами «прокариотной» трансляции.
При ее посредстве осуществляется слабое аэробное дыхание.

В ацетоновых экстрактах Р. lanterna методами HPLC и масс-спектроскопии обнаруже-
ны следы хлорофилла а и каротиноидов. Помимо генов psaB и psbA, выявленных с помо-
щью PCR-реакции, о наличии RCI и RCII свидетельствуют пики при 700 и 686 нм на спек-
трах низкотемпературной флуоресценции. Доказательством физиологической активности
двух фотосистем служит стимулируемое светом поглощение кислорода по типу реакции
Мелера и слабое выделение кислорода, которое блокируется триазиновыми гербицидами и
DCMU (Hackstein et al., 1994).

Таким образом, пластиды Apicomplexa проявляют способность к рудиментарному фо-
тосинтезу, а тилакосомы амебожгутиконос цев - еще и к рудиментарному аэробному дыха-
нию (Hackstein et al., 1997). Однако физиологическое значение специализированных пластид
для организмов, ведущих паразитическое или гетеротрофное существование в микроаэроб-
ных слабо освещенных нишах, остается непонятным. Сам факт сохранения таких ксеносом
на протяжении миллионов лет может означать, что они выполняют какую-то ключевую ре-
гуляторную или метаболическую функцию (Kohler et al., 1997).

5.2.2. Митохондрии

По современным представлениям, митохрондрии всех типов относятся к простым ксе-
носомам и имеют монофилетическое происхождение (см. рис. 37). В отличие от простых
пластид, прямых потомков эндоцитобиотических Cyanobacteria, митохондрии— это пря-
мые потомки эндоцитобиотических Alphaproteobacteria. Предполагается, что их энергоас-
симилирующая система представляет собой продукт эволюционной конверсии аноксигенно-
го фотосинтетического аппарата того же типа, что у современных пурпурных бактерий
(Olsen et al., 1994).

Поскольку митохондрии не принадлежат к филогенетической ветви Cyanobacteria и их
предки содержали аноксигенный, а не оксигенный фотосинтетический аппарат, формально
они не имеют отношения к теме оксигенной фототрофии. Однако общая картина эволюци-
онного биоразнообразия энергоассимилирующих ксеносом (см. рис. 37) оказалась бы не-
полной без основных сведений об организации, эволюции и биоразнообразии митохондрий.

Митохондрии sensu stricto. Классический термин «митохондрии» не указывает на
функциональные особенности этих органелл, а лишь отмечает форму нитей с перетяжками,
которую они имеют в некоторых типах клеток, например в кардиомиоцитах (англ,
mitochondrion; от греч. щто^ — нить, xov5po^ — зерно).

Энергетическая специализация и метаболическая интеграция митохондрий в эндоцито-
биотическую систему основаны на мембранном фосфорилировании и экспорте свободной
энергии фосфагена в цитозоль клетки-хозяина с помощью ADP: АТР-транслоказной систе-
мы.

Перед этим в матриксе митохондрии происходит окислительное декарбоксилирование
пирувата с помощью пируватдегидрогеназы, кофактором которой является СоА. Ацетил-
СоА используется в цикле Кребса, a NADH — продукт серии дегидрогеназных реакций
окисляется в донорном участке дыхательной цепи, создающей PMF.

Канонический вариант митохондрий — это аэробные митохондрии гепатоцитов печени
человека с терминальной оксидазой цитохром «а3-типа, для которой акцептором электронов
служит молекулярный кислород. Однако в отдельных случаях митохондрии способны к ана-
эробному дыханию при низком парциальном давлении кислорода (Tielens, Van Hellemond,
1998). Примерами служат нитратное дыхание Fusarium oxysporum и некоторых цилиат, а
также фумаратное дыхание Plathelminthes и ряда трипаносомид. В онтогенезе нематоды
Ascaris suum митохондрии могут переходить от аэробного к анаэробному фумаратному ды-
ханию (см. Rotte et al., 2000). Наконец, митохондрии анаэробной инфузории Nyctotherus sp.
осуществляют субстратное фосфорилирование, что позволяет рассматривать их как тран-
зитную форму от собственно митохондрии к гидрогеносоме (см. ниже).

В плане генетической автономии митохондрии значительно уступают пластидам и де-
монстрируют предельно тесную ассоциацию эндоцитобионта с эукариотной клеткой. Так,
митохондриальный геном ретортомонады Reclinamonas americanus состоит из 97 генов, в то
время как пластидный геном красной водоросли Porphyra purpurea содержит 253 гена
(Blanchard, Lynch, 2000).

Хотя большинство митохондриальных генов унаследовано от прокариотного предше-
ственника, в настоящее время они включены в ядерный геном. Вместе с тем митохондрии
сохранили бактериальный морфотип, однако в отличие от архаических пластид— циа-
нелл — полностью утратили ригидный слой клеточной стенки.

Подобно хлоропластам, у которых существует инициирующая онтогенетическая стадия
пропластиды, митохондрии могут проходить стадию промитохондрии при отсутствии эндо-
мембран - гомологов ICM. В зрелых митохондриях имеется дифференцированная система
эндомембранных структур, или крист, которые содержат дыхательную цепь и развиваются
соразмерно уровню энергетических потребностей клетки-хозяина.

Мембрана кристы соединяется с внутренней мембраной оболочки митохондрии с по-
мощью узкого стеблевидного коннектора (Mannella et al., 1997). Вопреки своему названию
(англ, crista; от лат. crista — гребень) кристы могут принимать различную форму у разных
организмов, а также изменять ее в зависимости от метаболического статуса органеллы.

Митохондриальные кристы растений, грибов и животных имеют преимущественно ла-
меллярное строение, хотя в последнем случае возможны тубулярные и призматические ва-
рианты. Кристы митохондрий у представителей разных групп протистов имеют тубулярную,
тубуло-везикулярную, везикулярную, дискоидную, ламеллярную, а также нерегулярную
форму. Форма крист учитывается в современных классификационных системах протистов, а
ее разнообразие интерпретируется как доказательство полифилетического происхождения
митохондрий (Cavalier-Smith, 1992; Corliss, 1994). Однако скорее всего эти морфологиче-
ские особенности были вторично приобретены после возникновения органеллы, и несмотря
на различия в структуре митохондриальной ДНК, а также мультивариантность организации
и экспрессии митохондриальных генов, более вероятен монофилетический сценарий
(Leblanc et al., 1997).

Биогенез митохондрий в гораздо большей степени, чем биогенез пластид, зависит от
клетки-хозяина, ядерно-цитоплазматические системы которой кодируют и экспрессируют
95-98% митохондриальных белков. Сами митохондрии кодируют и транслируют лишь не-
сколько высоко гидрофобных полипептидов, к числу которых относятся апоцитохром Z>6,
три субъединицы цитохромоксидазы и OSCP-субъединица (сокр. англ, oligomycin sensitivity
conferring protein) Н+-транслоцирующей ATP-азы. Остальные митохондриальные белки син-
тезируются в цитозоле в виде препротеина с N-концевым транзитным пептидом и импорти-
руются в матрикс через зоны адгезии между наружной и внутренней мембранами митохон-
дриальной оболочки. В ходе этого многоэтапного процесса, при котором используется сво-
бодная энергия гидролиза АТР, препротеины приобретают развернутую конформацию и
распознаются рецепторами, расположенными на поверхности митохондрии (Hartl et al.,
1989). Таргетинг экзогенных белков, поступивших в строму, осуществляется с помощью
Hsp60 — гомолога бактериального шаперонина GroEL. Подобно люменальным полипепти-
дам хлоропластов, полипептиды интрамембранного компартмента реэкспортируются с по-
мощью секреторного механизма бактериального типа с использованием удаляемой С-
концевой последовательности в роли трансфертного домена (Neupert, 1997).

Физиологическая специализация митохондрий, которые были приобретены доменом
Еисагуа раньше, чем пластиды (Gray, 1999), служит характерным примером энергетической
конверсии. Такой эволюционный сценарий сопровождался:

- делецией генов, кодирующих апопротеины реакционного центра и антенных систем;

- исчезновением дегидрогеназ, специфичных по отношению к неорганическим суб-
стратам;

- селекцией высокопотенциального участка электрон-протонофорной цепи в направле-
нии более высокого сродства к молекулярному кислороду.

Кроме того, митохондрии утратили генетические детерминанты прародительской фор-
мы бактерий, которые придавали ей способность к углеродавтотрофии.

Гидрогеносомы. Энергоассимилирующие ксеносомы этого типа имеются у трихомо-
над, реснитчатых инфузорий (Metopus consortus, Plagiopyla frontata), амебожгутиконосцев
(Psalteriomonas lanterna), а также хитридиевых грибов. В качестве конечных продуктов ме-
таболизма они выделяют ацетат и молекулярный водород (отсюда англ, название —
hydrogenosome).

Подобно митохондриям, гидрогеносомы окружены оболочкой, состоящей из двух мем-
бран. Иногда они даже имеют эндомембранные структуры, напоминающие кристы. Сходст-
во гидрогеносом с митохондриями подчеркивается тем, что деление обеих органелл, по-
видимому, осуществляется с помощью «бактериального» механизма, хотя тубулинподобные
белки кольца деления (FtsZ) у митохондрий были найдены только в одном случае. У гидро-
геносом они до сих пор не обнаружены. Так же, как и митохондрии, гидрогеносомы импор-
тируют белки, препротеины которых содержат характерные N-концевые транзитные пепти-
ды. Среди импортируемых белков выявлены молекулярные шапероны HsplO, Hsp60 и
Hsp70>, имеющие гомологов у митохондрий. ADP: ATP-транслоказа гидрогеносом гомоло-
гична митохондриальной (см. Rotte et al., 2000).

В отличие от митохондрий гидрогеносомы осуществляют окислительное декарбокси-
лирование пирувата не с помощью пируватдегидрогеназы, а с помощью пируват: Fd-
оксидоредуктазы. Водород образуется в гидрогеназной реакции в результате окисления
Fdred. Регенерация CoA-SH происходит не в цикле Кребса, а при участии 2-компонентной
ферментативной системы, которая состоит из сукцинат: ацетат СоА-трансферазы и сукци-
нат-тиокиназы, или сукцинил-СоА-синтазы, катализирующей реакцию субстратного фосфо-
рилирования (Muller, 1993).

В большинстве случаев гидрогеносомы не имеют собственного генома и поэтому не
исключено, что они произошли полифилетическим путем (Biagini et al., 1997). Тем не менее
у Nyctotherus ovalis, представителя подкласса Heterotrichia, амплифицирован ген, гомоло-
гичный митохондриальному гену 16S рРНК (Akhmanova et al., 1998). Это позволяет рас-
сматривать, по крайней мере, некоторые варианты гидрогеносом, как органеллы, которые
эволюционно произошли от митохондрий в результате энергетической конверсии (см. рис.
37). По альтернативной гипотезе общим предком митохондрий и гидрогеносом мог быть
факультативно анаэробный представитель Alphaproteobacteria.

В свое время повышенное внимание эволюционистов привлекла сборная группа
Amitozoa, к которой относятся такие амитохондриальные протесты, как Giardia,
Trichomonas, Entamoeba и микроспоридии (см. Cavalier-Smith, 1993). На основании резуль-
татов филогенетического анализа 18S рРНК многие авторы склонялись к мнению о том, что
эти организмы — реликтовые архаичные эукариоты, изначально не содержавшие ксеносом-
митохондрий. Однако существование первично амитохондриальных протистов в настоящее
время все чаще подвергается сомнению и постепенно начинает преобладать точка зрения,
что большинство Amitozoa вторично потеряли эта органеллы (Embley, Hirt, 1998). В пользу
данной возможности говорит то, что в ядерном геноме Entamoeba histolytica содержатся
рудиментарные митохондриальные гены (Clark, Roger, 1995). Видимо, вторичная редукция
митохондрий, происходившая в филогенезе протистов, столь же закономерна, как и вторич-
ная редукция пластид (см. рис. 37).

Недавно у Е. histolytica был обнаружен новый тип ксеносом, названный «криптоном»
(англ, crypton; от греч. крилто^ — скрытый), или «митосомой» (англ, mitosome). Эти орга-
неллы представляют собой реликтовые митохондрии, утратившие способность к ассимиля-
ции энергии (Mai et al., 1999; Tovar et al., 1999). По-видимому, по аналогии co специализи-
рованными пластидами их можно рассматривать как редко наблюдаемую переходную ста-
дию в процессе эволюционной редукции ксеносом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, мы подробно рассмотрели на одну из ключевых тем эволюционной клеточной
биологии — оксигенную фототрофию. По разным причинам не все ее аспекты смогли полу-
чить равноценный комментарий, однако среди них нет и таких, которые остались бы неза-
тронутыми.

При подведении итогов встают три вопроса общего характера:

- какое место занимают оксигенные фототрофы, прежде всего цианобактерии, в био-
сфере и какую роль они сыграли в ее эволюции;

- какие результаты и открытия можно считать наиболее важными из успехов, достиг-
нутых при изучении оксигенной фототрофии на рубеже XX-XXI в.;

- возможны ли прогнозы дальнейшего развития исследований в данной области.

Ответы на эти вопросы частично уже даны в главах 1-5. Однако мы сочли возможным
привести их в развернутом виде вместе с дополнительными сведениями, которые показа-
лись наиболее существенными и необходимыми.

Значение оксигенных фототрофов. Масштабы созидательной деятельности этих ор-
ганизмов общеизвестны — достаточно указать, что на долю высших растений приходится
—0,8-Ю11 т годовой продукции целлюлозы— главного углевода, накапливающегося в про-
цессе фотосинтеза (Duchesne, Larson, 1989). Масса углерода, ассимилированного океаниче-
ским фитопланктоном (англ, phytoplankton; от греч. tpuiov — растение, ttXavato — скитать-
ся), не превышает 1-2% уровня глобальной ассимиляции. Однако из-за высокой скорости
обновления биомассы фототрофных микроорганизмов ежегодная продуктивность водных
экосистем достигает -5-Ю10 т углерода, что составляет 30-40% глобальной (Falkowsky,
1994)'.

Согласно современным оценкам, морские цианобактерии по продуктивности не усту-
пают эукариотному фитопланктону. Среди важнейших первичных продуцентов необходимо
особо отметить океанический одноклеточный пикопланктон (англ, picoplankton; от исп.
pico— малая величина, слово используется как приставка к названию 1-1012 доли физиче-
ской единицы, и греч. TiXavaoj — скитаться). В составе пикопланктона обнаружен ряд РЕ-
содержащих штаммов Synechococcus sp.; многие из них способны к диазотрофии, что весь-
ма существенно для роли первичных продуцентов (Carr, Мапп, 1994; Neveux et al., 1999).

Наряду со штаммами Synechococcus sp. важное значение для первичной продукции
имеют штаммы Р. marinus, географический ареал которых распространяется до 40-й парал-
лели по обе стороны от экватора, а их продвижение в более высокие широты, по-видимому,
лимитируется только температурным минимумом роста. Плотность природных популяций
Р. marinus достигает 2105 кл • мл-1, а использование ими высокоэффективных механизмов
фотоакклиматизации обеспечивает до 80% локального биосинтеза органического вещества
(Partensky et al., 1999).
Таким образом, прокариотные оксифотобионты играют одну из ведущих ролей в гло-
бальном процессе первичной продукции. Новые данные о расселении и популяционном со-
ставе прокариотного пикопланктона Мирового океана позволяют считать Р. marinus наибо-
лее многочисленным среди первичных продуцентов.

В соответствии с эмпирическим уравнением оксигенного фотосинтеза (18) количество
образуемого «биологического» кислорода можно приравнять к количеству неорганического
углерода, ассимилируемого в форме СО2, т. е. оксифотобионты ежегодно производят до
1011 т молекулярного кислорода (Peschek, 1999).

На протяжении эволюционной истории Cyanobacteria служили причиной глобальных
геохимических и биотических изменений. Прежде всего они насытили биосферу кислоро-
дом, что создало условия для возникновения и бурного развития аэробов — от микроорга-
низмов до высших многоклеточных организмов. В результате накопления атмосферного
кислорода в водной среде, почве и верхних слоях земной коры возникли градиенты pH и
окислительно-восстановительного потенциала. Это позволило микроорганизмам — и преж-
де всего бактериям — достичь большого метаболического разнообразия и создать сложную
пространственно-временную трофическую сеть (Paerl et al., 2000).

Как продуценты органического вещества и биопродуцепты кислорода Cyanobacteria
функционально эквивалентны всем остальным оксифотобионтам, и их сообщество с други-
ми бактериями составляет консервативное трофическое ядро биосферы (Заварзин, 2000).

На основе использования первичных химических продуктов оксигенной фототрофии —
АТР и низкопотенциальных восстановителей (Fd Iet! и NADPH) многие цианобактерии уча-
ствуют в глобальном ассимиляционном процессе азотавтотрофии, или диазотрофии. Как
известно, все формы нитрогеназ теряют активность под действием кислорода. Однако у
большинства образующих гетероцисты, а также у некоторых не образующих гетероцист
штаммов цианобактерий существуют многокомпонентные системы защиты, которые позво-
ляют этому ферменту функционировать не только на фоне экзогенного кислорода, но и в
условиях его эндогенного выделения при оксигенной фототрофии.

Количество атмосферного азота, который переводится в связанную (аммонийную и
нитратную) неорганическую форму биологическим и абиотическим путем, составляет
-2-108 т в год (Postgate, 1982). Частично этот процесс протекает в атмосфере под действием
грозовых разрядов и UV (15%), 25% приходятся на долю промышленного синтеза, тогда как
оставшиеся 60% — это результат ферментативного восстановления азота в аммоний, осу-
ществляемого свободноживущими и симбиотическими диазотрофными бактериями (Kim,
Rees, 1994).

Основной вклад в глобальный процесс диазотрофии вносят цианобактерии. В частно-
сти, широко распространенная в субтропических и тропических морях и океанах нитчатая
цианобактерия Trichodesmium sp. обеспечивает потребность других компонентов фито-
планктона в связанном азоте. По имеющимся данным, на ее долю приходится до 6% гло-
бальной диазотрофии, что составляет не менее 20% продуктивности клубеньковых бактерий
(Bergman et al., 1997).

По сравнению с хемогетеротрофными бактериями цианобактерии образуют мало экзо-
ферментов и вторичных метаболитов. С одной стороны, некоторые штаммы проявляют спо-
собность к ферментативной деградации ксенобиотиков — органических веществ небиоло-
гического происхождения, что способствует очищению окружающей среды (ремедиации) и
уже находит практическое применение. С другой стороны, цианобактерии могут играть от-
рицательную роль — накопление в водоемах и водных артериях гепатотропных, нейротроп-
ных и других соединений, происходящее в результате цветения штаммов Microcystis sp.,
Anabaena sp. и Nodularia sp., представляет серьезную угрозу для жизни диких и домашних
животных, а также может привести к фатальным последствиям для здоровья человека, в
частности к канцерогенезу (Carmichael, 1994).

К настоящему времени накоплено много данных, которые позволяют считать архаич-
ных представителей филы Cyanobacteria одним из ранних продуктов биологической эволю-
ции и участниками эндоцитобиотического процесса формирования химерных клеток про-
тестов и растений. Более того, именно цианобактерии являются пионерами жизни — геохи-
мическая датировка начала оксигенного фотосинтеза приблизительно соответствует возрас-
ту палеонтологических документов о первых клеточных организмах.

Важнейшим материалом, с помощью которого можно реконструировать ранний этап
органической жизни, служат строматолиты и микрофоссилии. Образование строматолитов
(англ, stromatolite; от греч. спршца — ложе и Zi0o£ — камень) в исторической ретроспек-
тиве происходило на основе макроскопических стратифицированных микробных систем —
матов, или консорциумов (лат. consortium — общность).

Современные микробные маты прикрепляются ко дну водоемов и образованы преиму-
щественно цианобактериями, аноксигенными фототрофными и хемотрофными бактериями.
Они состоят из горизонтальных слоев (толщиной от ~1 мкм до нескольких миллиметров),
между которыми происходит избирательный обмен растворенными веществами и газами. В
толще матов создаются микрониши, в которых развиваются формы, способные осуществ-
лять фототрофию, аэробное дыхание, углерод- и азотавтотрофию, а также другие метаболи-
ческие процессы (Paerl et al., 2000). Бактериальные маты постепенно увеличиваются в раз-
мере благодаря росту микроорганизмов, а также путем образования слоев при механиче-
ском отложении сезонных осадков детрита и из-за биоминерализации карбонатов.

По своей структуре современные бактериальные маты поразительно напоминают стро-
матолиты — окаменевшие микробные консорциумы, которые доминировали в докембрий-
ских морских и наземных биотах. Самые ранние ископаемые остатки такого типа имеют
возраст ~3 млрд лет (Walter, 1976).

В то время как строматолиты воспроизводят макроструктуру микробного консорциума,
картины срезов микрофоссилий (лат. fossicius — ископаемый) дают представление о мор-
фологии ископаемых цианобактерий и даже о некоторых деталях их ультраструктуры.

При микроскопическом изучении прозрачных микрошлифов образцов докембрийских
осадочных пород возрастом 1,5-3,5 млрд лет регулярно наблюдаются хорошо сохранив-
шиеся микрофоссилии, морфологически почти не отличающиеся от современных однокле-
точных и нитчатых цианобактерий (Schopf, 2000а).

В настоящее время для таких объектов получены морфометрические данные по десяти
основным параметрам: размеру и форме клеток, морфологии микроколоний, толщине и
структуре чехла и т. д. (1400 образцов, извлеченных из 260 геологических формаций с одно-
клеточными формами; 650 образцов из 160 формаций с нитчатыми формами). Они сопос-
тавлены с соответствующими данными для 600 форм современных цианобактерий. На ос-
нове достоверных определений показано — морфологические и морфометрические совпа-
дения настолько выражены, что микрофоссилии можно идентифицировать вплоть до рода.
Стало даже общим правилом давать им названия современных цианобактерий с добавлени-
ем приставки palaeo- и ео- или окончаний -opsis и -ites (например. Palaeolyngbya и
Aphanocapsaopsisy Большинство докембрийских микрофоссилий (263 морфотипа), имею-
щих внешние признаки цианобактерий, соответствуют диагнозу современных хроококковых
(25%) и осциллаториевых (37%) форм.

Таким образом, изучение микрофоссилий убедительно свидетельствует о том, что циа-
нобактерии были широко распространены ~2 млрд лет назад. Этот вывод подтверждается
геологическими и геохимическими данными, а также результатами радиоуглеродного ана-
лиза (Schopf, 2000b). Более ранние микрофоссилии из сланцев формации Апекс в Западной
Австралии, имеющие возраст 3,465 ± 0,005 млрд лет, обнаруживают высокое сходство с
осциллаториевыми цианобактериями (Schopf, 2000а). Если учесть, что возраст Земли со-
ставляет около 4,5 млрд лет, то цианобактерии, возникшие вскоре после зарождения жизни,
относятся к одним из первых обитателей планеты.

Результаты палеобиологических исследований, свидетельствующие о том, что возраст
древнейших ископаемых цианобактерий приближается к 3,5 млрд лет, дают повод еще раз
обратиться к выводам молекулярной палеонтологии, согласно которым расхождение трех
глобальных филогенетических доменов произошло —1,5 млрд лет назад (Doolittle et al.,
1996). Причина столь гигантского несоответствия остается неясной. Возможно, что перво-
начальный темп эволюции был более медленным, и, таким образом, основной постулат мо-
лекулярной палеонтологии — изохронность, т.е. одинаковый темп мутирования, генов тре-
бует более критического к нему отношения.

Изучение ископаемых остатков, датированных на основе результатов геологии, геохи-
мии и радиоуглеродного анализа, служит надежным способом реконструкции филогении
Cyanobacteria. Однако более достоверными палеонтологическими документами, чем стро-
матолиты и микрофоссилии, оказались ископаемые биомаркеры. Как известно, для каждого
из трех филогенетических доменов имеются свои «сигнальные» липиды с рекальцитрант-
ными (лат. re-calcitro — устойчивый к разрушению, букв. — «брыкающийся») углеводород-
ными скелетами, которые накапливаются в древнейших осадочных породах. Для Archaea
сигнальными липидами служат фитаны (предельные С2о-углеводороды с двумя концевыми
метильными группами в iso-конфигурации и тремя регулярно расположенными метильными
группами внутри цепи), для Еисагуа — стероиды, а для Bacteria — гопаноиды.

Гопаноиды (англ, hopanoid, от лат. Нореа mengarawan — малайского дерева, из смолы
которого они были впервые выделены; растение, в свою очередь, названо в честь англий-
ского ботаника J. Норе), или пентациклические тритерпеноиды, синтезируются из сквалена
(С3о). В составе бактериальных мембран они выполняют ту же функцию, что и тетрацикли-
ческие стеролы в мембранах эукариотов, т.е. подавляют структурные переходы билипидно-
го слоя Путем стабилизации его в промежуточном фазовом состоянии между жидким и кри-
сталлическим (Taylor, 1984). Углеводородный скелет гопаноидов обладает исключительно
высокой рекальцитрантностью и почти не поддается биодеградации. Гопаноиды выявляют-
ся в составе керогена— органической фракции углерода осадочных пород, а также во
фракции ископаемых жидких углеводородов нефти.

Гопаноиды содержатся в клетках цианобактерий и строматолитах. Производные гопа-
ноидов обнаружены в богатых органикой осадках возрастом ~2,5 млрд лет, что позволяет
соответственно датировать момент возникновения оксигенной фототрофии и исторический
возраст цианобактерий (Summons et al., 1999).

Таким образом, история филы Cyanobacteria тесно переплетена с путями возникнове-
ния жизни на Земле, и в этом плане общебиологическое значение этих организмов не нуж-
дается в дополнительных аргументах.
Основные успехи в исследовании оксигенной фототрофии на рубеже XX-XXI в.
Одним из важнейших достижений в области изучения молекулярной структуры оксигенного
фотосинтетического аппарата несомненно стало создание 3-мерной модели реакционного
центра PSI. Экспериментальную основу этой модели составили рентгеноструктурные дан-
ные, полученные на кристаллических препаратах Synechococcus sp. при уровне разрешения
~4,5А (Fromme et al., 1996). Следует напомнить, что за десять лет до этого благодаря слу-
чайной кристаллизации реакционного центра пурпурной бактерии Rhodopseudomonas viridis
в конечном счете была построена пространственная модель его гомолога — реакционного
центра PSII (Deisenhofer et al., 1985). Через семь лет после опубликования результатов этого
исследования оно было отмечено Нобелевской премией.

Последние годы XX в. ознаменовались возросшим интересом к хлорофилл a/b-LHC,
имеющимся у прохлорофитов. Большой неожиданностью оказалось то, что между ним и
пластидным LHCII нет эволюционной преемственности (La Roche et al., 1996). Результаты
молекулярно-генетического анализа антенны IsiA-типа, ассоциированной с PSI, проливают
свет на эволюцию антенных комплексов цианобактерий и пластид, а также способствуют
пониманию механизма, с помощью которого регулируется перераспределение энергии меж-
ду двумя фотосистемами (см. разд. 3.2.1).

На исходе XX в. были достигнуты крупные успехи в изучении механизмов поврежде-
ния фотосинтетической электрон-протонофорной цепи высокими дозами видимого света и
UV, а также соответствующих компенсаторных механизмов, в том числе хлородыхания
(Niyogi, 2000).

В 1990-х годах охарактеризованы ключевые реакции и ферменты пути биосинтеза хло-
рофиллов и каротиноидов. Велик прогресс в понимании биогенеза оксигенного фотосинте-
тического аппарата, в том числе систем импорта белков в пластиды (Dalbey, Robinson,
1999).

Одним из важнейших успехов при исследовании оксигенной фототрофии в конце XX в.
стала реконструкция филогенетического древа, отражающего эволюционные взаимоотно-
шения цианобактерий и простых пластид (Wilmotte, 1994). С помощью молекулярно-
биологических методов окончательно доказано происхождение сложных пластид от окси-
фотобионтных протистов (Cavalier-Smith et al., 1996).

Наконец, открытие и всесторонний анализ прохлорофитов расширили границы изучен-
ного биоразнообразия цианобактерий и простых пластид (см. Пиневич и др., 2000). Интен-
сивные исследования пикопланктона Мирового океана увенчались открытием Р. marinus —
чемпиона среди бактерий по численности и биологической продуктивности. Наряду с цен-
тральным модельным объектом молекулярной генетики цианобактерий — Synechocystis sp.
РСС 6803, структура генома которого полностью реконструирована с помощью методов
молекулярного секвенирования (Kaneko, Tabata, 1997), перспективным объектом при изуче-
нии оксигенной фототрофии должны стать культивируемые штаммы Р. marinus.

Дальнейшее развитие исследований оксигенной фототрофии. Хотя научные про-
гнозы всегда составляются на каждом новом рубеже теоретических представлений и экспе-
риментальных данных, они не обязательно сбываются точно и в предсказанные сроки. Тем
не менее в ближайшее время ожидается решающий прорыв в изучении тонкой структуры
Mn-кластера в составе ОЕС, что позволит расшифровать химизм реакции окисления воды. В
недалеком будущем предстоит реконструировать сценарий эволюции этого комплекса, по-
добно тому, как были выявлены закономерности молекулярной эволюции фотосинтетиче-
ских реакционных центров (Barber et al., 1999). Это позволит вплотную приблизиться к соз-
данию искусственной фотохимической системы, которая будет функциональным эквивален-
том ОЕС (Hammarstrom et al., 1998).

Уверенно прогнозируются и дальнейшие исследования в области изучения биоразнооб-
разия цианобактерий. Прежде всего речь идет о формах, которые могут получить фенотипи-
ческое описание на основе анализа природных популяций и лабораторных культур.

Таблица 8. Способность цианобактерий к росту или выживанию в зависимости
от основных абиотических факторов среды (Schopf, 2000b; с изменениями)

Абиотический фактор Интервал значений Условия реализации Одноклеточ- ные формы Нитчатые формы
Относительная влажность <20-100% Дистиллированная вода/аридные зоны, хранение в высушен- ном виде >80 лет + +
Соленость <0,001-20% Пресные водоемы/со- лярни + +
Температура -269°-70°С Хранение в жидком гелии/гидротермы ±* +
Активная ки- слотность pH 4-11 Кислые гидротермы/ щелочные озера + ±
Аэрация <0,01-100% О2 Аноксические озе- ра/культуры + +
Ионизирующее излучение 2-102-106 рад Рентгеновское облу- чение/гамма-облу- чение ± +
Видимый свет 2-2-103 мЭ/с-м2 Культуры/ литораль + +
Углекислота 0,001-40% Культуры + +

* Слабо выраженная способность.

Биоразнообразие прокариотных объектов преимущественно оценивается категориями
физиологии и метаболизма, в меньшей степени — структуры и поведения. В этом отноше-
нии функционально однотипные оксигенные фототрофные бактерии существенно отлича-
ются от остальных бактерий (Заварзин, 2000). Обладая высоким адаптационным потенциа-
лом и осуществляя метаболизм «автотрофного» типа, цианобактерии сохраняют жизнеспо-
собность и порой процветают в широких интервалах значений абиотических факторов.
Троглофитные формы (англ, troglophyte; от греч. трспуЛт] — нора, фитоу — растение) обхо-
дятся почти без света; штаммы Spirulina sp. способны вызывать цветение содовых озер; ко-
лонии хроококковых цианобактерий вырастают на почве безводной чилийской пустыни
Атакама и среди вечных снегов; цианобактерии первыми заселяют безжизненную поверх-
ность вулканических островов и ядерных атоллов; в лабораторных условиях они могут рас-
ти в атмосфере, насыщенной углекислотой или кислородом (табл. 8). Таким образом, циа-
нобактерии ведут себя как автономные космополиты, способные развиваться не только в
экстремальных условиях, но и выдерживать конкуренцию за источники энергии и биоген-
ные элементы с другими компонентами биоты. При медленном росте и слабо выраженном
гетеротрофном потенциале цианобактерии сосуществуют с более динамичными жизненны-
ми формами, однако всегда сохраняют за собой потенциальную возможность переместиться
в ниши, где отсутствуют их реальные конкуренты. Именно поэтому на протяжении эволю-
ционной истории цианобактерии не испытывали необходимости в функциональной эволю-
ции (Заварзин, 2000; Schopf, 2000b).

Несмотря на физиологическую однотипность, а возможно благодаря ей, оксигенные
фототрофы очень разнообразны в морфологическом отношении. Поэтому неудивительно,
что классификация Cyanophyceae всегда проводилась (и ныне проводится) в соответствии с
особенностями морфологии вегетативных клеток, дифференцированных форм и клеточных
агрегатов. Высокая активность флористических исследований отмечалась на протяжении
второй половины XIX — первой половины XX в. Хотя в настоящее время описания нетри-
виальной морфологии Cyanobacteria редко появляются в литературе, находки новых форм
несомненно предстоят и в дальнейшем.

Помимо особенностей клеточной морфологии биоразнообразие Cyanobacteria проявля-
ется в различном строении светособирающих антенных комплексов (Pinevich et al., 1997).
Изучение прокариотных оксифотобионтов методами молекулярной биохимии, проводимое с
начала 1970-х годов, позволило обнаружить объекты, сочетающие тривиальную морфоло-
гию с нестандартным строением светособирающих антенн. Подобные формы, к которым
прежде всего относятся прохлорофиты, привлекают внимание исследователей в различных
областях фотобиологии; в первую очередь они интересны с точки зрения эволюции окси-
генного фотосинтетического аппарата (см. Пиневич и др., 2000). Таким образом, использо-
вание современных экспериментальных подходов к изучению прокариотных оксифотобион-
тов открывает дорогу новым представлениям об их разнообразии, функциональной органи-
зации и филогении.

Реальный спектр разнообразия Cyanobacteria скорее всего не ограничивается формами,
которые могут быть охарактеризованы только путем анализа природных и лабораторных
накопительных культур.

В настоящее время мы стали свидетелями того, как изменяются не только методы, но и
концептуальные подходы, на основе которых изучается разнообразие прокариотных орга-
низмов. Перефразируя известный афоризм, можно сказать, что на смену охоте за микробами
приходит охота за последовательностями. Вместо использования привычной стратегии, свя-
занной с получением лабораторных культур и сравнительным анализом фенотипов, экспе-
риментаторы предпочитают напрямую сопоставлять структуру прокариотных геномов. Для
достижения этой цели достаточно иметь в своем распоряжении образцы воды, почвы или
другого субстрата, содержащего следы фенотипически не идентифицированного биологиче;
ского материала. ДНК после экстракции амплифицируется с помощью PCR-реакции, а затем
производится автоматическое секвенирование участков генома, содержащих гены 16S
рРНК. По чувствительности и разрешающей способности этот косвенный метод анализа
гетерогенности природных популяций намного превосходит метод прямого микроскопиро-
вания, который наряду с высевом на твердые питательные среды был основным инструмен-
том традиционной микробиологии. Кроме того, отпадает необходимость в культивирова-
нии. Это особенно существенно, поскольку получение чистых культур, их поддержание,
масштабирование и физиолого-биохимическое тестирование обычно требуют значительных
затрат времени и материальных средств.

Однако фундаментальные проблемы, связанные с культивированием, намного важнее
его технических сложностей. Как известно, результаты, получаемые при использования
элективных сред в оптимальных условиях роста, отражают не истинную структуру микроб-
ного сообщества, а селективное действие лабораторной среды обитания (Theron, Cloete,
2000). Поддержание природных изолятов на богатых питательных средах в термостатируе-
мом режиме и — в случае фототрофов — в условиях непрерывного интенсивного освеще-
ния превращает их в монстрозные формы с фенотипами, адаптированными к искусственно-
му гомеостазу. Внутрипопуляционная селекция и дрейф генов, происходящие на таком се-
лективном фоне, вызывают генетические различия между музейными штаммами и природ-
ными популяциями. Кроме того, введение в культуру материала, взятого из разбросанных
участков ареала, дает ограниченное представление об истинном характере географического
распределения вида.

Наконец, лишь незначительную часть природного разнообразия прокариотных орга-
низмов удается культивировать с помощью стандартных методов (Palleroni, 1997). Несоот-
ветствие между количеством инвентаризованных объектов и криптических форм можно, в
частности, объяснить тем, что некоторые организмы теряют способность к росту на пита-
тельных средах, однако проявляют метаболическую активность и, таким образом, жизне-
способны. Это так называемые «живые, но не культивируемые» (англ, viable but
nonculturable, VBNC) клетки, и такое физиологическое состояние индуцируется стрессовы-
ми условиями, создающимися при культивировании (McDougald et al., 1998).

В настоящее время общепризнанно, что культуры представляют собой ничтожно малую
часть природного разнообразия бактерий. Бесспорно есть гигантский разрыв между числом
бактериальных видов, представленных коллекционными штаммами (~5 тыс.), и прогнози-
руемым числом видов, существующих в виде природных и клональных популяций (~5 млн).
Таким образом, основная часть домена Bacteria — это криптические объекты, и современ-
ная макросистема бактерий лишь отдаленно отражает действительность (Busse et al., 1996).

Благодаря использованию методов быстрого секвенирования клонированных генов при
анализе последовательностей 16S рРНК применительно к 15 тыс. культивируемых и некуль-
тивируемых организмов список канонических фил бактериального древа расширился с 12
до 36-38. По-видимому, это далеко не предел (Dojka et al., 2000). Отсутствие информации о
фенотипических признаках (за исключением тех, которые можно дедуктивным путем вы-
вести на основе знания макроскопических свойств экосистемы) исключает возможность
биологической классификации некультивируемых форм. Поэтому такие организмы не име-
ют родовых названий и условно обозначаются как «Candidatus» (Murray, Schleifer, 1994).

Анализ образцов воды из пресных водоемов Европы и Северной Америки выявил су-
ществование ряда криптических форм цианобактерий и прохлорофитов (Zwart et al., 1998).
Однако поистине неисчерпаемым резервуаром разнообразия Cyanobacteria служит морской
и океанический пикопланктон (Giovannoni, Rapp6, 2000), а также симбиотические ассоциа-
ции с участием беспозвоночных животных (Mimuro et al., 1999). Подтверждением этому
стали открытие прохлорофитов 20 лет тому назад и новые находки цианобактерий, имею-
щих неканонический пигментный состав (см. Пиневич и др., 2000).

По современным данным, молекулярный механизм оксигенной фототрофии уникален
для филы Cyanobacteria. Другой особенностью этой филы служит то, что она не содержит
ни одного хемотрофа (Olsen et al., 1994). Однако нельзя исключить вероятность того, что в
будущем удастся выделить такие оксигенные фототрофные бактерии, которые окажутся
представителями не Cyanobacteria, а другой филы. Возможно также, что с помощью PCR-
реакции будут выявлены криптические объекты, не принадлежащие к филе Cyanobacteria,
однако имеющие гены оксигенной фототрофии. В свою очередь, в составе самой филы
Cyanobacteria могут быть обнаружены ранее неизвестные хемотрофные формы.
Наконец, есть еще одна неучтенная возможность. Не исключено, что способность к ок-
сигенной фототрофии встречается за пределами домена Bacteria. Речь идет об археях, но не
облигатных экстремофилах из фил Euryarchaeota и Crenarchaeota (оксигенная фототрофия
несовместима с условиями их обитания). Такие организмы, если, конечно, они существуют,
могут быть найдены среди некультивируемых «умеренных» представителей этих фил, а
также в пределах филы Korarchaeota, которая пока что представлена только фантомными
объектами, широко распространенными в водной и почвенной среде (DeLong, 1998). Буду-
щее покажет, фантастичны или нет высказанные предположения.

* * *

Краткое знакомство с молекулярно-цитологическими основами оксигенной фототро-
фии можно считать завершенным.

Этот фундаментальный биологический процесс впервые привлек к себе внимание на
заре цивилизации, стал объектом экспериментальных исследований в «золотом веке» есте-
ственных наук в конце XVIII — начале XIX в. и послужил предметом всестороннего изуче-
ния на протяжении прошедшего XX в. Теперь ясно, что оксигенная фототрофия не до конца
раскрыла перед исследователями свои тайны, и ее дальнейший анализ требует труда многих
коллективов, широкой международной кооперации, разумного сочетания комплексных ци-
тофизиологических подходов с точными и быстрыми методами анализа биомолекул.

Оксигенная фототрофия еще надолго останется в центре внимания научного сообщест-
ва; ее изучение подарит новые факты и приведет к основополагающим открытиям.
ЛИТЕРАТУРА

Бекасова О.Д. Биохимия фикобилисом //Биофизика. 1993. Т. 38. С. 1003-1024.

Гамалей Ю.В. Эндоплазматическая сеть растений. Происхождение, структура и функции// 53-е
Тимирязевское чтение. С.-Петербург: БИН РАН, 1994. 81 с.

Гамалей Ю.В. Происхождение и локализация органелл растений// Физиология растений. 1997.
Т. 44. С. 115-137.

Заварзин Г.А. Недарвиновская область эволюции // Вестник РАН. 2000. Т. 70. С. 403-411.

Карапетян Н.В. Фотосистема 1 цианобактерий: организация и функции//Успехи биол. химии.
2001. Т. 41. С. 39-76.

Кондратьева Е.Н. Автотрофные прокариоты. М.: Изд-во МГУ, 1996. 302 с.

Пиневич А.В. Проблемы классификации цианей и других прокариотных оксифотобионтов // Бот.
журн. 1999. Т. 84. С. 1-19.

Пиневич А.В., Величко Н.В, Базанова А.В. Прохлорофиты двадцать лет спустя // Физиология рас-
тений. 2000. Т. 47. С. 730-734.

Скулачев В.П. Биоэнергетика. Мембранные преобразователи энергии. М.: Высшая школа, 1989.
271 с.

Akhmanova A., Voncken F., van Alen Т. et al. A hydrogenosome with a genome// Nature. 1998.
Vol. 396. P. 527-528.

Allen J.F. Protein phosphorylation in regulation of photosynthesis// Biochim. Biophys. Acta. 1992.
Vol. 275. P. 275-335.

Allen J.P., Williams J.C. Photosynthetic reaction centers // FEBS Lett. 1998. Vol. 438. P. 5-9.

Altendorf K., Stalz W.-D., Greie J.-C., Deckers-Heberstreit G. Structure and function of the Fo complex
of the ATP synthase from Escherichia coli // J. Exper. Biol. 2000. Vol. 203. P. 19-28.

Anderson J.M. Molecular organization of thylakoid membranes // Photosynthesis. J. Amesz (ed.). New
Comprehensive Biochemistry. Vol. 15. Amsterdam: Elsevier, 1987. P. 273-297.

Anderson J.M. Cytochrome bff complex: dynamic molecular organization, function and acclimation //
°hotosynth. Res. 1992. Vol. 34. P. 341-357.

Apt K.E., Collier J.L., Grossman A.R. Evolution of the phycobiliproteins// J. Mol. Biol. 1995.
Vol. 248. P. 79-96.

Apt K.E., Metzner S., Grossman A.R. The у subunits of phycoerythrin from a red alga: position in phy-
obilisomes and sequence characterization // J. Phycol. 2001. Vol. 37. P. 64-70.

Araoz R-, Hader D.P. Phycoerythrin synthesis is induced by solar UV-B in the cyanobacterium
Nostoc // Plant Physiol. Biochem. 1999. Vol. 37. P. 223-229.

Arieli B., Padan E., Shahak Y. Sulfide-induced sulfide-quinone reductase activity in thylakoids of
Oscillatoria limnetica // J. Biol. Chem. 1991. Vol. 266. P. 104-111.

Arieli B., Shahak Y., Taglicht D. et al. Purification and characterization of sulfide-quinone reductase, a
novel enzyme driving anoxygenic photosynthesis in Oscillatoria limnetica // J. Biol. Chem. 1994. Vol. 269.
P. 5705-5711.

Armstrong G.A. Genetics of eubacterial carotenoid biosynthesis: a colorful tale // Annu. Rev. Microbiol.
1997. Vol. 51. P. 629-659.
Armstrong G.A. Greening in the dark: light-independent chlorophyll biosynthesis horn anoxygenic pho-
tosynthetic bacteria to gymnosperms // J. Photochem. PhotobioL B. 1998. Vol. 43. P. 87-100.

Armstrong G.A., Apel K., Rudiger W. Does a light-harvesting protochlorophyllide a/b-binding protein
complex exist? // Trends Plant Sci. 2000. Vol. 5. P. 40-43.

Arnon D. The discovery of ferredoxin: the photosynthetic path// Trends Biochem. Sci. 1988. Vol. 13.
P. 30-33.

Aro E.-M., Virgin I., Andersson B. Photoinhibition of photosystem II. Inactivation, protein damage and
turnover// Biochim. Biophys. Acta. 1993. Vol. 1143. P. 113-134.

Asada K. The water-water cycle in chloroplasts: scavenging of active oxygen and dissipation of excess
photons // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1999. Vol. 50. P. 601-639.

Baird BA., Hammes G.G. Structure of oxidative- and photo-phosphorylation coupling factor com-
plexes // Biochim. Biophys. Acta. 1979. Vol. 549. P. 31-53.

Bald D., Kruip J., Rbgner M. Supramolecular architecture of cyanobacteria! thylakoid membranes: how
is the phycobilisome connected with the photosystems? // Photosynth. Res. 1996. Vol. 49. P. 103-118.

Ball R., Wild A. History of photoinhibition research // J. Photochem. PhotobioL 1993. Vol. 20. P. 9-85.

Baltscheffsky M., Schultz A., Baltscheffsky H. H+-PPases: a tightly membrane-bound family // FEBS
Lett. 1999. Vol. 457. P. 527-533.

Barber J., Andersson B. Too much of a good thing: light can be bad for photosynthesis // Trends Bio-
chem. Sci. 1992. Vol. 17. P. 61-66.

Barber J., Kiihlbrandl W. Photosystem II//Cun. Opin. Struct. Biol. 1999. Vol. 9. P. 469-475.

Barber J., Nield J., Morris E.P., Hankamer B. Subunit positioning in photosystem II revisited // Trends
Biochem. Sci. 1999. Vol. 24. P. 43-45.

Baroli I., Niyogi K.K. Molecular genetics of xanthophyll-dependent photoprotection in green algae and
plants// Phil. Trans. R. Soc. Lond. ser. B. 2000. Vol. 355. P. 1385-1394.

Barry B.A., Boerner R.J., de Paula J.C. The use of cyanobacteria in the study of the stincture and func-
tion of photosystem II // The Molecular Biology of Cyanobacteria. D.A. Bryant (ed.). Dordrecht e.a.: Kluwer
Acad. PubL, 1994. P. 217-257.

Bayer M.G., Schenk H.E.A. Biosynthesis of proteins in Cyanophora paradoxa 1. Protein import into the
endocyanelle analyzed by micro two dimensional gel electrophoresis// Endocytobiosis and Cell Res. 1986.
Vol. 3. P. 197-202.

Beale S.l. Biosynthesis of cyanobacterial tetrapyrrole pigments: hemes, chlorophylls, and phycobilins H
The Molecular Biology of Cyanobacteria. D.A.Bryant (ed.). Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. PubL, 1994.
P. 519-558.

' Beale S.l. Enzymes of chlorophyll biosynthesis // Photosynth. Res. 1999. Vol. 60. P. 43-73.

Behnke H.-D. Seeve-element plastids: their significance in the evolution and systematics of the orders H
Caryophylides: Evolution and Systematics. H.-D. Behnke, T.Y. Marby (eds.). Berlin: Springer-Verlag, 1994.
P. 87-121.

Beja O., Aravind L., Koonin E.V. et al. Bacterial rhodopsin: evidence for a new type of phototrophy in
the sea// Science. 2001. Vol. 289. P. 1902-1906.

Belkin S., Shahak Y., Padan E. Anoxygenic photosynthetic electron transport// Meth. Enzymol. 1987.
Vol. 167. P. 380-386.

Belkin S., Siderer Y., Shahak Y. et al. 2,3-Dimercaptopropanol (Bal), an aerobic electron transport in-
hibitor, but an anaerobic photosynthetic electron donor// Biochim. Biophys. Acta. 1984. Vol. 766.
P. 567-579.

Bendall D.S. Photosynthetic cytochromes of oxygenic organisms// Biochim. Biophys. Acta. 1982.
Vol. 683. P. 119-151.

Bendall D.S., Manasse R.S. Cyclic photophosphorylation and electron transport// Biochim. Biophys.
Acta. 1995. Vol. 1229. P. 23-38.

Bennoun P. Evidence for a respiratory chain in the chloroplast// Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1982.
Vol. 79. P. 4352-4356.
Bennoun P. Effects of mutations and of ionophore on chlororespiration in Chlamydomonas reinhard-
tii// FEBS Lett. 1983. Vol. 156. P. 363-365.

Bergman B., Gallon J.R., Rai A.N., Sial L.J. N2 fixation by non-hetcrocyslous cyanobacteria// FEMS
Microbiol. Revs. 1997. Vol. 19. P. 139-185.

Berks B.C., Sargent F., Palmer T. The Tat protein export pathway// Mol. Microbiol. 2000. Vol. 35.
P. 260-274.

Bhattacharya D., Schmidt Н.Л. Division Glancocyslophyta H Plant Syst. Evol. (Suppl.) 1997. Vol. 11.
P. 139-148.

Biagini G.A., Finlay B.J., Lloyd D. Evolution of the hydrogenosome H FEMS Microbiol. Lett. 1997.
Vol. 155. P. 133-140.

Biswal U.C., Biswal B. Ultrastructural modifications and biochemical changes during senescence of
chloroplasts//Int. Rev. Cytol. 1988. Vol. 113. P. 271-321.

Blanchard J.L., Hicks J.S. The non-photosynthetic plastid in malarial parasites and other apicomplexans
is derived from outside the green plastid lineage // J. Eukaryot. Microbiol. 1999. Vol. 46. P. 367-375.

Blanchard J.L., Lynch M. Organellar genes // Trends Genet. 2000.Vol. 16. P. 315-320.

Blankenship R.E., Hartman H. The origin and evolution of oxygenic photosynthesis // Trends Biochem.
Sci. 1998. Vol. 23. P. 94-97.

de Boer A.D., Wcisbeek P.J. Chloroplast protein topogenesis: import, sorting, and assembly// Biochim.
Biophys. Acta. 1991. Vol. 1071. P. 221-253.

van der Bolt F„ Vermaas W. Photoinactivation of photosyslem II as studied with site-directed D2 mu-
tants of the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 // Biochim. Biophys. Acta. 1992. Vol. 1098.
P. 247-254.

Britt R D. Oxygen evolution // Oxygenic Photosynthesis: the Light Reactions. D.R. Ort and C.F. Yocum
(eds.). Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. Publ., 1996. P. 137-164.

Brock T.D. The bacterial nucleus: a history // Microbiol. Rev. 1988. Vol. 52. P. 397-41 I.

Broda E., Peschek G.A. Did respiration or photosynthesis come first?// J. Theor. Biol. 1979. Vol. 81.
P. 201-212.

Bruce D., Brimble S., Bryant D.A. State transitions in a phycobilisome-less mutant of the cyanobacte-
rium Synechococcus sp. PCC 7002// Biochim. Biophys. Acta. 1989. Vol. 974. P. 66-73.

Brusslan J., Haselkorn R. Molecular genetics of herbicide resistance in cyanobacteria // Photosynth.
Res. 1988. Vol. 17. P. 115-124.

Bryant D.A. The cyanobacterial photosynthetic apparatus: comparison to those of higher plants and
photosynthetic bacteria//Can. Bull. Fish. Aqual. Res. 1986. Vol. 214. P. 423-500.

Bryant D.A. Puzzles of chloroplast ancestry// Curr. Biol. 1992. Vol. 2. P. 240-242.

Bullerjahn G.S., Matthijs H.C.P., Mur L.R., Sherman L.A. Chlorophyll-protein composition of the thy-
lakoid membrane from Prochlorothrix hollandica, a prokaryote containing chlorophyll b. // Eur. J. Biochem.
1987. Vol. 168. P. 295-300.

Bullerjahn G.S., Sherman L.A. Identification of a carotenoid-binding protein in the cytoplasmic mem-
brane from the heterotrophic cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC6714// J. Bacteriol. 1986. Vol.
167. P. 369-399.

Burger-Wiersma T., Post A.F. Functional analysis of the photosynthetic apparatus of Prochlorothrix
hollandica (Prochlorales), a chlorophyll b containing procaryote // Plant Physiol. 1989. Vol. 91. P. 770-774.

Burger-Wiersma T, Veenhuis M., Korthals H.J. et al. A new prokaryote containing chlorophylls a and
b // Nature. 1986. Vol. 320. P. 262-264.

Bitmap R.L., Troyan T., Sherman L.A. The highly abundant chlorophyll-protein complex of iron-
deficient Synechococcus sp. PCC7942 (CP431) is encoded by the isiA gene// Plant Physiol. 1993. Vol. 103.
P. 893-902.

Busse H. J., Denner E.B.M., Lubitz. W. Classification and identification of bacteria: current approaches
to an old problem//J. Biotechnol. 1996. Vol. 47. P. 3-38.

Carmichael W.W. The toxins of cyanobacteria// Sci. Amer. 1994. Vol. 270. P. 78-86.
Carol P., Stevenson D., Bisanz. C. et al. Mutations in the Arabidopsis gene immutans cause a variegated
phenotype by inactivating a chloroplast terminal oxidase associated with phytoene desaturation // Plant Cell.
1999. Vol. 11. P. 57-68.

Carr N.G., Mann N.H. The oceanic cyanobacterial picoplankton // The Molecular Biology of Cyanobac-
teria. D.A. Bryant (ed.). Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. Publ., 1994. P. 27-48.

Casano L.M., Zapata J.M., Martin M., Sabatier B. Chlororespiration and poising of cyclic electron
transport - plastoquinone as electron transporter between thylakoid NADH dehydrogenase and peroxidase 11
J. Biol. Chem. 2000. Vol. 275. P. 942-948.

Castenholz R.W. General characteristics of the cyanobacteria// Bergey’s Manual of Systematic Bacteri-
ology (2nd ed.). V.I. D.R. Boone, R.W. Castenholz (eds.). New York e.a.: Springer-Verlag, 2001.
P. 1474-487.

Castenholz R.W., Waterbury J.B. Group I. Cyanobacteria// Bergey’s Manual of Systematic Bacteriol-
ogy. Vol. 3, J.G. Holt (ed.). Baltimore.: Williams & Wilkins, 1989. P. 1710-1727.

Castresana J., Lubben M., Saraste M. New archaebacterial genes coding for redox proteins: implica-
tions for the evolution of aerobic metabolism // J. Mol. Biol. 1995. Vol. 250. P. 202-210.

Castresana J., Saraste M. Evolution of energetic metabolism: the respiration-early hypothesis // Trends
Biochem. Sci. 1995. Vol. 20. P. 443-448.

Cavalier-Sniith T. The origin and early evolution cf the eukaryotic cell // Molecular and Cellular As-
pects of Microbial Evolution. M.J. Carlile e.a. (eds.). Cambridge: Cambrige Univ. Press, 1981. P. 33-84.

Cavalier-Smith T. The number of symbiotic origins of organelles// BioSystems. 1992. Vol. 28.
P. 91-106.

Cavalier-Smith T. Kingdom Protozoa and its 18 phyla// Microbiol. Rev. 1993. Vol. 57. P. 953-994.

Cavalier-Smith T. Principle of protein and lipid targeting in secondary symbiogenesis: euglenoid,
dinoflagellate, and sporozoan plastid origins and the eukaryote family tree// J. Eukaryot. Microbiol. 1999.
Vol. 46. P. 347-366.

Cavalier-Smith T. Membrane heredity and early chloroplast evolution // Trends Plant Sci. 2000. Vol. 5.
P. 174-182.

Cavalier-Smith 7’., Cough J.A., Thorsteinsen K.E. et al. Cryptomonad nuclear and nuclcomorph 18S
rRNA phylogeny//Eur. J. Phycol. 1996. Vol. 31. P. 315-328.

Chisholm S.W., Frankel S.L., Goencke R. et al. Prochlorococcus marinus nov. gen. nov. sp.: an oxy-
phototrophic marine prokaryote containing divinyl chlorophyll a and b H Arch. Microbiol. 1992. Vol. 157.
P. 197-300.

Chisholm S.IV., Olson R.J., Zettler E.R. et al. A novel free-living prochiorophyte occurs at high cell
concentrations in the oceanic euphotic zone // Nature. 1988. Vol. 334. P. 340-343.

Chitnis P.R. Photosystem I // Plant Physiol. 1996. Vol. 111. P. 661-669.

Clark. C.G., Roger A. J. Direct evidence for secondary loss of mitochondria in Entamoeba hystolitica H
Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1995. Vol. 92. P. 6518-6521.

Clegg M.T., Gaut B.S., Learn, Jr., G.H., Morton B.R. Rates and patterns of chloroplast DNA evolu-
tion// Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1994. Vol. 91. P. 6795-6801.

Cline K., Henry R. Import and routing of nucleus-encoded chloroplast proteins// Annu. Rev. Cell Dev.
Biol. 1996. Vol. 12. P. 1-26.

Cohen Y., Padan E., Shilo M. Facultative anoxygenic photosynthesis in the cyanobacterium Oscillatoria
limnetica // J. Bacteriol. 1975. Vol. 123. P. 855-861.

Cohen Y., Yalovsky S., Nechushtai R. Integration and assembly of photosynthetic protein complexes in
chloroplast thylakoid membranes// Biochim. Biophys. Acta. 1995. Vol. 1241. P. 1-30.

Corliss J.O. An interim («user-friendly») hierarchical classification and characterization of the protists //
Acta Protozool. 1994. Vol. 33. P. 1-51.

Cournac L, Josse E.-M., Joet T. et al. Flexibility in photosynthetic electron transport: a newly identi-
fied chloroplast oxidase involved in chlororespiralion // Phil. Trans. R. Soc. Lond. ser. B. 2000. Vol. 355.
P. 1447-1454.
Cunningham F.X., Ganti E. Genes and enzymes of carotenoid biosynthesis in plants // Annu. Rev. Plant
Physiol. Plant Mol. Biol. 1998. Vol. 49. P. 557-583.

Dalbey R.E., Robinson C. Protein translocation into and across the bacterial plasma membrane and the
plant thylakoid membrane // Trends Biochem. Sci. 1999. Vol. 24. P. 17-22.

Darrouzet E., Valkova-Valchanova M., Moser C.C. et al. Uncovering the [2Fe2S] domain movement in
cytochrome bc} and its implications for energy conversion// Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2000. Vol. 97.
P. 4567-4572.

Deckers-Heberstreit G., Greie J.-C., Stalz W.-D., Altendorf K. The ATP synthase from Escherichia coli:
structure and function of Fo subunits // Biochim. Biophys. Acta. 2000. Vol. 1458. P. 364-373.

Deisenhofer J., Epp O., Miki K. el al. Structure of the protein subunits in the photosynthetic reaction
centre of Rhodopseudomonas viridis at ЗА resolution // Nature. 1985. Vol. 318. P. 618-624.

DeLong E.F. Everything in moderation: archaea as ‘non-extremophilcs’ // Curr. Opin. Genet. Devel.
1998. Vol. 8. P. 649-654.

Delwiche C.F., Palmer J.D. The origin of plastids and their spread via secondary symbiosis// Plant
' Syst. Evol. (Suppl.) 1997. Vol. 11. P. 53-86.

Dem.ming-A.dams B. Carotenoids and photoprotection in plants: a role for the xanthophyll zeaxanthin //
Biochim. Biophys. Acta. 1990. Vol. 1020. P. 1-24. । >

Dillon J.G., Castenholz R.W. Scytonemin, a cyanobacteria! sheath pigment, protects against UV-C ra-
diation: implications for early photosynthetic life // J. Phycol. 1999. Vol. 35. P. 673-681.

Dimroth P. Operation of the Fo motor of the ATP synthase // Biochim. Biophys. Acta. 2000. Vol. 1458.
P. 374-386.

Dimroth P., Kaim G., Matthey U. The motor of the ATP synthase// Biochim. Biophys. Acta. 1998.
Vol. 1365. P. 87-92.

Dimroth P., Schink B. Energy conservation in the decarboxylation of dicarboxylic acids by fermenting
bacteria//Arch. Microbiol. 1998. Vol. 170. P. 69-77.

Dismukes G.C., Klimov V.V., Baranov S.V. et al. The origin of atmospheric oxygen on Earth: the inno-
vation of oxygenic photosynthesis // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001. Vol. 98. P. 2170-2175.

Dojka M.A., Harris J.K., Pace N.R. Expanding the known diversity and environmental distribution of
an uncultured phylogenetic division of bacteria// Appl. Environ. Microbiol. 2000. Vol. 66. P. 1617-1621.

Doolittle W.F. The nature of the universal ancestor and the evolution of the proteome // Curr. Opin.
Struct. Biol. 2000. Vol. 19. P. 355-358.

Doolittle W.F., Feng D. F., Tsang S. et al. Determining divergence times of the major kingdoms of liv-
ing organisms with a protein clock//Science. 1996. Vol. 271. P. 470-477.

Douglas S. Plastid evolution: origin, diversity, trends // Cun. Opin. Genet. Devel. 1998. Vol. 8.
P. 655-661.

Duchesne L.C.. Larson D.W. Cellulose and the evolution of plant life// BioScience. 1989. Vol. 39.
P. 238-241.

Durnford D.G., Deane J.A., Tan S. et al. A phylogenetic assessment of the eukaryotic light-harvesting
antenna proteins, with implications for plastid evolution // J. Mol. Evol. 1999. Vol. 48. P. 59-68.

Duysens L.N.M. The discovery of the two photosynthetic systems: a personal account // Photosynth.
Res. 1989. Vol. 21. P. 61-79.

Dworsky A., Mayer B., Regelsberger G. et al. Functional and immunological characterization of both
«mitochondria-like» and «chloroplast-like» electron/proton transport proteins in isolated and purified cyano-
bacteria! membranes // Bioelectrochem. Bioenerg. 1995. Vol. 38. P. 35-43.

Edge R., McGarvey D.J., 'Truscott T.G. The carotenoids as anti-oxidants: a review// J. Photochem.
PhotobioL 1997. Vol. B41. P. 189-200.

Embley T.M., Hirt R.P. Early branching eukaryotes?// Curr. Opin. Genet. Devel. 1998. Vol. 8.
P. 624-629.
Engle J.M., Burkhart W., Sherman D. M., Bullerjahn G. S. Purification of a surface-associated carote-
noid-binding complex from the photosynthetic prokaryote, Prochlorothrix hollandica I/ Arch. Microbiol.
1991. Vol. 155. P. 453-458.

Fagan M.J., Saier M.H., Jr. P-type ATPases of eukaryotes and bacteria: sequence analyses and con-
struction of phylogenetic trees // J. Mol. Evol. 1994. Vol. 38. P. 57-99.

Falkowsky P.G. The role of phytoplankton photosynthesis in global biogeochemical cycles // Photo-
synth. Res. 1994. Vol. 39. P. 235-258.

Feierabend J. Conservation and structural divergence of organellar DNA and gene expression in non-
photosynthetic plastids during ontogenetic differentiation and phylogenetic adaptation// Bot. Acta. 1992.
Vol. 105. P. 227-231.

Fleischman D., Kramer D. Photosynthetic rhizobia// Biochim. Biophys. Acta. 1998. Vol. 1364.
P. 17-36.

Florenzano G., Balloni W., Materassi R. Nomenclature of Prochloron didemni (Lewin 1977) sp. nov.,
nom. rev., Prochloron (Lewin 1976) gen. nov., nom. rev., Prochloraceae fam. nov., Prochlorales ord. nov.,
nom. rev. in the class Photobacteria Gibbons and Murray 1978// Int. J. Syst. Bacteriol. 1986. Vol. 36.
P. 351-353.

Fliigge U.-I. Transport in and out of plastids: does the outer envelope membrane control the flow?//
Trends Plant Sci. 2000. Vol. 5. P. 135-137.

Fork D.C., Herbert S.K. Electron transport and photophosphorylation by Photosystem I in vivo in
plants and cyanobacteria// Pholosynth. Res. 1993. Vol. 36. P. 149-168.

Fresneau C., Riviere M.-E., Arrio B. Characterization of the plasmalemma ATPase from the cyanobac-
teria Synechococcus PCC 6311 and PCC 7942 // Arch. Biochem. Biophys. 1993. Vol. 306. P. 254-260.

Friedrich C.G. Physiology and genetics of sulfur-oxidizing bacteria// Advances Microbiol. Physiol.
1998. Vol. 39. P. 235-288.

Friso G., Barbate R., Giacometti G.M., Barber J. Degradation of D2 protein due to UV-B irradiation of
the reaction centre of pholosystcm II // FEBS Lett. 1994. Vol. 339. P. 217-221.

Fromme P. Structure and function of photosystem 1// Curr. Opin. Struct. Biol. 1996. Vol. 6.
P. 473-484.

Fromme P., Witt H.T. Improved isolation and crystallization of photosystem I for structural analysis//
Biochim. Biophys. Acta. 1998. Vol. 1365. P. 175-184.

Fromme P., Witt И.Т., Schubert W.-D. et al. Structure of photosystem I at 4.5A resolution: a short re-
view including evolutionary aspects // Biochim. Biophys. Acta. 1996. Vol. 1275. P. 76-83.

Fujita Y. Protochlorophyllide reduction: a key step in the greening of plants // Plant Cell Physiol. 1996.
Vol. 37. P. 411-421.

Gaill F. Aspects of life development at deep sea hydrothermal vents// FASEB J. 1993. Vol. 7.
P. 558-565.

Gambacorta A., Trincone A., Nicolaus B. et al. Unique features of lipids of Archaea // Syst. Appl. Mi-
crobiol. 1994. Vol. 16. P. 518-527.

Gantt E. Supramolecular membrane organization // The Molecular Biology of Cyanobacteria. D.A. Bry-
ant (ed.). Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. Publ., 1994. P. 119-138.

Garcia-Asua G., Lang H.P., Cogdell R.J., Hunter C.N. Carotenoid diversity: a modular role for the phy-
toene desaturase step // Trends Plant Sci. 1998. Vol. 3. P. 445-449.

Garcia-Pichel F., Castenholz R.W. Occurrence of UV-absorbing, mycosporin-like compounds among
cyanobacterial isolates and estimate of their screening capacity// Appl. Environ. Microbiol. 1993. Vol. 59.
P. 163-169.

Garczarek L., Hess W.R., Holtzendorff J. et al. Multiplication of antenna genes as a major adaptation to
low light in a marine prokaryote H Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2000. Vol. 97. P. 4098-4101.

Geerts D., Schubert H., de Vrieze G. et al. Expression of Anabaena PCC 7937 plastocyanin in Synecho-
coccus PCC 7942 enhances photosynthetic electron transfer and alters the electron distribution between pho-
tosystem I and the cytochrome-c oxidase // J. Biol. Chern. 1994. Vol. 269. P. 28068-28075.
Gest H. Sun-beams, cucumbers, and purple bacteria// Photosynth. Res. 1988. Vol. 19. P. 287-308.

Gest H. Photosynthetic and quasi-photosynthetic bacteria// FEMS Microbiol. Lett. 1993. Vol. 112.
P. 1-6.

Gest H. A microbiologist’s odyssey: bacterial viruses to photosynthetic bacteria// Photosynth. Res.
1994. Vol. 40. P. 129-146.

Gille G., Sigler K. Oxidative stress and living cells // Folia Microbiol. 1995. Vol. 40. P. 131-152.

Gillott M.A., Gibbs S.P. The cryptomonad nucleomorph: its ultraslructure and evolutionary signifi-
cance//J. Phycol. 1980. Vol. 16. P. 558-568.

Gilson P.R., McFadden G.l. The miniaturized genome of a eukaryotic endosymbiont contains genes that
overlap, genes that are cotranscribed, and the smallest known spliceosomal introns// Proc. Natl. Acad. Sci.
USA. 1996. Vol. 93. P. 7737-7742.

Giovannoni S., Rappe M. Evolution, diversity, and molecular ecology of marine prokaryotes // Microbi-
lal Ecology of the Oceans. D.I. Kirchman (ed.). New York e.a.: Willey-Liss, Inc., 2000. P. 47-84.

Giovannoni S.J., Turner S., Olsen GJ. et al. Evolutionary relationship among cyanobacteria and green
chloroplasts//J. Bacteriol. 1988. Vol. 170. P. 3584-3592.

Glatz. A.. Vass /., Los D.A., Vigh L. The Synechocystis model of stress: from molecular chaperones to
membranes // Plant Physiol. Biochem. 1999. Vol. 37. P. 1-12.

Glazer A.N. Light harvesting by phycobilisomes// Ann. Rev. Biophys. Biophys. Chem. 1985. Vol. 14.
P. 47-77.

Glazer A.N., Wedemayer GJ. Cryptomonad biliproteins - an evolutionary perspective// Photosynth.
Res. 1995. Vol. 46. P. 93-105.

Gleason F.K., Wood J.M. Secondary metabolism in the cyanobacteria// The Cyanobacteria. P. Fay,
C. Van Baalen (eds.). Dordrecht e.a.: Elsevier Sci. Publ., 1987. P. 437-452.

Goericke R., Repeta I). J. The pigments of Prochlorococcus marinus: the presence of di vinyl chloro-
phyll a and b in a marine prochiorophyte // Liinnol. Oceanogr. 1992. Vol.37. P. 425-433.

Gogarten J.P., Taiz. L. Evolution of proton pumping ATPases: rooting the tree of life// Photosynth.
Res. 1992. Vol. 33. P. 137-146.

Golbeck J.H. Structure and function of pholosystem I// Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol.
1992. Vol. 43. P. 293-324.

Golbeck J.H. Photosystem 1 in cyanobacteria// The Molecular Biology of Cyanobacteria. D.A. Bryant
(ed.). Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. Publ., 1994. P. 319-360.

Golden S. Light-responsive gene expression and the biochemistry of the photosystem II reaction cen-
ter// The Molecular Biology of Cyanobacteria. D.A. Bryant (ed.). Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. Publ., 1994.
P. 693-714.

Golecki J.R. Analysis of the structure and development of bacterial membranes (outer, cytoplasmic and
intracytoplasmic membranes)//Meth. Microbiol. 1988. Vol. 20. P. 61-77.

Graber P., Labahn A. Proton transport-coupled unisite catalysis by the H+-ATPase from chloroplasts//
J. Bioenerg. Biomembr. 1992. Vol. 24. P. 493-497.

Gray M.W. The endosymbiont hypothesis revisited // Int. Rev. Cytol. 1992. Vol. 141. P. 233-357.

Gray M. W. Evolution of organellar genomes // Curr. Opin. Genet. Dcvel. 1999. Vol. 9. P. 678-687.

Green B.R., Durnford D.G. The chlorophyll-carotenoid proteins of oxygenic photosynthesis// Annu.
Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1996. Vol. 47. P. 685-714.

Gregor J., Klug G. Regulation of bacterial photosynthetic genes by oxygen and light// FEMS Micro-
biol. Lett. 1999. Vol. 179. P. 1-9.

Grevby C., Sundqvist C. Characterization of light-harvesting complex in Ochromonas danica (Chryso-
phyceae) // J. Plant Physiol. 1992. Vol. 140. P. 414-420.

Grimm B. Novel insights in the control of telrapyrrole metabolism of higher plants // Curr. Opin. Plant
Biol. 1998. Vol. 1. P. 245-250.

Grossman A.R., Bhaya D., Apt К. E., Kehoe D. M. Light-harvesting complexes in oxygenic photosyn-
thesis: diversity, control, and evolution // Annu. Rev. Genet. 1995. Vol. 29. P. 231-288.
Grossman A.R., Schaefer M.R., Chiang G.G., Collier J.L. The phycobilisome, a light-harvesting com-
plex responsive to environmental conditions // Microbiol. Rev. 1993. Vol. 57. P. 725-749.

Groth G. Molecular models of the structural arrangement of subunits and the mechanism of proton
translocation in the membrane domain of FiF0 ATP synthase// Biochim. Biophys. Acta. 2000. Vol. 1458.
P. 417-427.

Guedeney G., Corneille S., Cuine S., Peltier G. Evidence for an association of ndhB, ndhJ gene prod-
ucts and ferredoxin-NADP-reductase as components of a chloroplastic NAD(P)H dehydrogenase complex//
FEBS Lett. 1996. Vol. 378. P. 277-280.

Guglielmi G., Cohen-Bazire G., Bryant D.A. The structure of Gloeobacter violaceus and its phycobili-
somes// Arch. Microbiol. 1981. Vol. 129. P. 181-189.

Gupta R.S. Life’s third domain (Archaea): an established fact or an endangered paradigm? A new pro-
posal for classification of organisms based on protein sequences and cell structure // Theor. Populat. Biol.
1998. Vol. 54. P. 91-104.

Hackstein J.H.P., Mackenstedt U., Mehlhorn H. et al. Parasitic apicompexans harbor a chlorophyll a-
D1 complex, the potential target for therapeutic triazines // Parasitol. Res. 1995. Vol. 81. P. 207-216.

Hackstein J.H.P., Schubert H., van den Berg M. el al. A novel photosynthetic organelle in anaerobic
mastigotes//Endocytobiosis Cell Res. 1994. Vol. 10. P. 261.

Hackstein J.HP., Schubert H., Rosenberg J. et al. Plastid-like organelles in anaerobic mastigotes and
parasitic apicomplexans // Eukaryotism and Symbiosis. FI.E.A. Schenk et al. (eds.). Berlin e.a.: Springer Ver-
lag, 1997. P. 49-56.

Hager A., Holocher K. Localization of the xanthophyll-cycle enzyme violaxanthin dc-epoxidasc within
the thylakoid lumen and abolition of its mobility by a (light-dependent) pH decrease// Planta. 1994.
Vol. 192. P. 581-589.

Hammarstrom L., Sun L., Akermark B., Styring S. Artificial photosynthesis: towards functional mimics
ofphotosyslem 11?//Biochim. Biophys. Acta. 1998. Vol. 1365. P. 193-199.

Hartl F.-U., Pfanner N., Nicholson D.W., Neuperi W. Mitochondrial protein import// Biochim. Bio-
phys. Acta. 1989. Vol. 988. P. 1-45.

Havau.x M. Carotenoids as membrane stabilizers in chloroplasts// Trends Plant Sci. 1998. Vol. 3.
P. 147-151.

Heinhorst S., Cannon G.C. DNA replication in chloroplasts // J. Cell Sci. 1993. Vol. 104. P. 1-9.

Heins L., Collinson I., Soli ./. The protein translocation apparatus of chloroplast envelopes // Trends
Plant Sci. 1998. Vol. 3. P. 56-61.

Helfrich M., Ross A., King G.C. et al. Identification of [8-vinyl]-protochlorophyllide a in phototrophic
prokaryotes and algae: chemical and spectroscopic properties// Biochim. Biophys. Acta. 1999. Vol. 1410.
P. 262-272.

Hess W R., Partensky F., van der Staay G.W.M. et al. Coexistence of phycoerythrin and a chlorophyll
a/b antenna in a marine prokaryote // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1996. Vol. 93. P. 11126-1 1130.

Hess W.R., Steglich C., Lichtle C, Partensky F. Phycoerythrins of the oxyphotobacterium Prochloro-
coccus marinus are associated to the thylakoid membrane and are encoded by a single large gene cluster //
Plant Mol. Biol. 1999. Vol. 40. P. 507-521.

Hiller R.G., Larkum A.W.D. The chlorophyll-protein complexes of Prochloron sp. (Prochlorophyta)//
Biochim. Biophys. Acta. 1985. Vol. 806. P. 107-115.

Hinterstoisser B., Ciena M., Kuntner O., Peschek G.A. Cooperation of plasma membrane and thylakoid
membranes for the biosynthesis of chlorophyll in cyanobacteria: the role of thylakoid centers // J. Plant
Physiol. 1993. Vol. 142. P. 407-413.

Hirschberg J., Chamovitz D. Carotenoids in cyanobacteria// The Molecular Biology of Cyanobacteria.
D.A. Bryant (ed.). Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. Publ., 1994. P. 559-579.

Hoganson C.W., Ixigenfelt G., Andreasson L.-E. EPR and redox potentiometric studies of cytochrome
c-549 of Anacystis nidulans// Biochim. Biophys. Acta. 1990. Vol. 1016. P. 203-206.
Hoober J.K., While R.A., Marks D.B., Gabriel J.L. Biogenesis of thylakoid membranes with emphasis
on the process in Chlamydomonas!/ Photosynth. Res. 1994. Vol. 39. P. 15-31.

Hooper A.B., DiSpirito A.A. In bacteria which grow on simple reductants, generation of a proton gradi-
ent involves extracytoplasmic oxidation of substrate //Microbiol. Rev. 1985. Vol. 49. P. 140-157.

Hope A.B. The chloroplast cytochrome bf complex: a critical focus on function// Biochim. Biophys.
Acta. 1993. Vol. 1143. P. 1-22.

Hu Q., Ishikawa T, Inoue Y. et al. Heterogeneity of chlorophyll d- binding photosystem I reaction cen-
ters from the photosynthetic prokaryote Acaryochloris marina // Photosynthesis: Mechanisms and Effects.
Vol. 1. G. Garab (ed.). Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. Publ., 1998. P. 437-440.

Hu Q., Marquardt J., Iwasaki I. et al. Molecular structure, localization and funclion of biliproteins in
the chlorophyll aid containing oxygenic photosynthetic prokaryote Acaryochloris marina // Biochim. Bio-
phys. Acta. 1999. Vol. 1412. P. 250-261.

Huijbregts R.P.H., de Kroon A.I.P.M., de Kruijff B. Topology and transport of membrane lipids in bac-
teria//Biochim. Biophys. Acta. 2000. Vol. 1469. P. 43-61.

Hugenholtz P., Goebel B.M., and Pace N.R. Impact of culture-independent studies on the emerging
phylogenetic view of bacterial diversity // J. Bacterio!. 1998. Vol. 180. P. 4765-4774.

Isono T, Katoh T. Cylindrical phycobilisomes from a blue-green alga, Anabaena variabilis // plant Cell
Physiol. 1982. Vol. 23. P. 1347-1356.

Jagendorf A.T., Michaelis A. Rough thylakoids: translation on photosynthetic membranes // Plant Sci.
1990. Vol. 71. P. 137-145.

Jannash H.W. The chemosynthetic support of life and the microbial diversity at deep-sea hydrothermal
vents // Proc. R. Soc. Lond. ser. B. 1985. Vol. 225. P. 277-297.

Jansson S. The light-harvesting chlorophyll a/b-binding proteins// Biochim. Biophys. Acta. 1994.
Vol. 1184. P. 1-19.

Jansson S., Green B., Grossman A.R., Hiller R. A proposal for extending the nomenclature of light-
harvesting proleins of the three transmembrane helix type// Plant Mol. Biol. Reptr. 1999. Vol. 17.
P. 221-224.

Jeffrey 5.1V. Preparation of chlorophyll standards// Phytoplankton Pigments in Oceanography: Guide-
lines to Modem Methods. S.W. Jeffrey et al. (cds.). Paris: UNESCO Publ., 1997. P. 207-238.

Joliot P. Earlier researches on the mechanism of oxygen evolution: a personal account // Photosynth.
Res. 1993. Vol. 38. P. 214-223.

Joyard J., Block M.A., Douce R. Molecular aspects of plastid envelope biochemistry // Eur. J. Biochem.
1991. Vol. 199. P. 489-509.

Joyard J., Teyssier E., Miege C. et al. The biochemical machinery of plastid envelope membranes //
Plant Physiol. 1998. Vol. 118. P. 715-723.

Junemann S. Cytochrome bd terminal oxidase // Biochim. Biophys. Acta. 1997. Vol. 1321. P. 107-127.

Kallas T. The cytochrome />6/complcx // The Molecular Biology of Cyanobacteria. D.A. Bryant (ed.).
Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. Publ., 1994. P. 259-317.

Kanai R., Edwards G.I. Biochemistry of C4-photosynthesis // The Biology C4-Photosynthesis. R.F.
Sage, R.K. Monson (eds.). New York: Acad. Press, 1999. P. 49-87.

Kaneko T., Tabata S. Complete genome structure of the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC68O3 //
Plant Cell Physiol. 1997. Vol. 38. P. 1171-1176.

Katoh T, Tanaka A., Mimuro M. Xanthosomes: supramolecular assemblies of xanthophyll-chlorophyll
rz/c-protein complexes // Meth. Enzymol. 1993. Vol. 214. P. 402-412.

Ke B., Fang Z., Lu R. et al. The presence of phycobilisomes in heterocysts of Anabaena variabilis //
Photobiochem. Photobiophys. 1983. Vol. 6. P. 25-31.

Kies L., Kremer B.P. Phylum Glaucocystophyta// Handbook of Protoctista. L. Margulis et al. (eds.).
Boston: Jones and Bartlett Publ., 1990. P. 152-166.

Kim J., Rees D.C. Nitrogenase and biological nitrogen fixation// Biochemistry. 1994. Vol. 33.
P. 389-397.
Klein M.P., Sauer К., Yachandra V.K. Perspectives on the structure of the photosynthetic oxygen-
cvolving manganese complex and its relation to the Kok cycle // Photosynth. Res. 1993. Vol. 38. P. 265-277.

Klbsgen R.B. Protein transport into and across the thylakoid membrane // J. Photochem. Photobiol.
1997. Vol. 38. P. 1-9.

Kohler S., Delwiche C.F., Denny P.W. et al. A plastid of probable green algal origin in apicomplexan
parasites // Science. 1997. Vol. 275. P. 1485-1489.

Konings W.N., Lolkema J.S., Poolman. B. The generation of metabolic energy by solute transport//
Arch. Microbiol. 1995. Vol. 164. P. 235-242.

Kraufi N., Schubert W.D., Klukas O. et al. Photosystem I at 4A resolution represents the first structural
model of a joint photosynthetic reaction centre and core antenna system// Nature Struct. Biol. 1996. Vol. 3.
P. 965-973.

Krogmann D.W. The low-potential cytochrome c of cyanobacteria and algae // Biochim. Biophys. Acta.
1991. Vol. 1058. P. 35-37.

Kroll D., Meierhoff K., Bechtold N. et al. VIPP1, a nuclear gene of Arabidopsis thaliana essential for
thylakoid membrane formation // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001. Vol. 98. P. 4238-4242.

KUhlbrandt W. Structure and function of the plant light-harvesting complex, LHC-II // Curr. Opin.
Struct. Biol. 1994. Vol. 4. P. 519-528.

Kunkel D.D. Thylakoid centers: structures associated with the cyanobacterial photosynthetic membrane
system//Arch. Microbiol. 1982. Vol. 133. P. 97-99.

Lanyi J.K. Mechanism of ion transport across membranes// J. Biol. Chem. 1997. Vol. 272.
P.31209-31212.

Larkum T, Howe C.J. Molecular aspects of light-harvesting processes in algae // Advances Bot. Res.
1997. Vol. 27. P. 257-330.

Larkum A.W.D., Scaraniuzzi C., Cox G.C. et al. Light-harvesting chlorophyll c-like pigment in Pro-
chloron // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1994. Vol. 91. P. 679-683.

La Roche J., van der Staay G.W.M, Partensky F. et al. Independent evolution of the prochiorophyte and
green plant chloropyll a/b light-harvesting proteins// Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1996. Vol. 93.
P. 15244-15248.

Laudenbach D.E., Herbert S.K., McDowell C. et al. Cytochrome c-553 is not required for photosyn-
thetic activity in the cyanobacterium Synechococcus //Plant Cell. 1990. Vol. 2. P. 913-924.

Ixivergne J. Membrane potential-dependent reduction of cytochrome b-6 in an algal mutant lacking
photosystem I centers // Biochim. Biophys. Acta. 1983. Vol. 725. P. 25-33.

Leblanc C., Richard O., Kloareg B. et al. Origin and evolution of mitochondria: what have we learnt
from'red algae?// Curr. Genet. 1997. Vol. 31. P. 193-207.

Ledoigt G., Freyssinet G. Plastid ribosome // Biol. Cell. 1982. Vol. 46. P. 215-237.

Lee J.W., Tevaull C.V., Owens T.G., Greenbaum E. Oxygenic photoautotrophic growth without photo-
system I // Science. 1996. Vol. 273. P. 364-367.

Lee R.E., Kugrens P. Ancient atmospheric CO2 and the timing of evolution of secondary endosymbio-
ses // Phycologia. 2000. Vol. 39. P. 167-172.

Lewin R.A. Prochloron, the type genus of the Prochlorophyta// Phycologia. 1977. Vol. 16. P. 217.

Lewin R.A. Order Prochlorales // Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology. Vol. 3. J.T. Staley et al.
(eds.). Baltimore: Williams and Wilkins, 1989. P. 1799-1802.

Li X., Bjbrkman O., Shih C. et al. A pigment-binding protein essential for regulation of photosynthetic
light harvesting // Nature. 2000. Vol. 403. P. 391-395.

Lind L.K., Shukla V.K., Nyhus K.J., Pakrasi H.B. Genetic and immunological analyses of the cyanobac-
terium Synechocystis sp. PCC6803 show that the protein encoded by the psbJ gene regulates the number of
photosystem II centers in thylakoid membranes // J. Biol. Chem. 1993. Vol. 268. P. 1575-1579.

Lockau W., Pfeffer S. A cyanobacterial ATPase distinct from the coupling factor of photophosphoryla-
tion // Z. Naturforsch. 1982. Vol. 37c. S. 658-664.
Loffelhardt W„ Rohnert H.J. Molecular biology of cyanelles// The Molecular Biology of Cyanobacte-
ria. D.A. Bryant (ed.). Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. Publ., 1994a. P. 65-89.

Loffelhardt W., Bohnert H.J. Structure and function of the cyanelle genome// Int. Rev. Cytol. 1994b.
Vol. 151. P. 29-65.

Lokstein H., Steglich C., Hess W. R. Light-harvesting function of phycoerythrin in Prochlorococcus
marinus // Biochim. Biophys. Acta. 1999. Vof 1410. P. 97-98.

Lorimer G.H. The carboxylation and oxygenation of ribulose 1,5 bisphosphate: the primary events in
photosynthesis and respiration // Ann. Rev. Plant Physiol. 1981. Vol. 32. P. 349-383.

Losick R., Shapiro L. Changing views on the nature of the bacterial cell: from biochemistry to cytol-
ogy//J. Bactcriol. 1999. Vol. 181. P. 4143-4145.

Lubben M. Cytochromes of archaeal electron transfer chains// Biochim. Biophys. Acta. 1995.
Vol. 1229. P. 1-22.

Luecke H., Schobert B., Richter H.-T. et al. Structure of bacteriorhodopsin at I.55A resolution // J. Mol.
Biol. 1999. Vol. 291. P. 899-911.

Ltiisi P.L. About various definitions of life // Orig. Life Evol. Biosph. 1998. Vol. 28. P. 613-622.

Lutz C. Prolamellar bodies. // Encyclopedia of Plant Physiology New Ser., Vol. 19. Photosynthesis HI.
L.A.Staehelin, C.J.Arntzen (eds.). Berlin-Heidelberg: Springcr-Veriag, 1986. P. 683-692.

MacColl R. Cyanobacterial phycobilisome//J. Struct. Biol. 1998. Vol. 124. P. 311-334.

Macdonald F.D., Buchanan B.B. Carbon dioxide assimilation// Photosynthesis. J. Amesz (ed.).
Dordrecht e.a.: Elsevier Sci. Publ., 1987. P. 493-506.

Mackie M.M., Zilinskas B.A. Role of signal peptides in targeting of proteins in cyanobacteria // J. Bacte-
rio!. 1994. Vol. 176. P. 1857-1864.

Macnab R.M. The bacterial flagellum: reversible rotary propellor and type III export apparatus // J. Bac-
terio!. 1999. Vol. 181. P. 7149-7153.

Mai Z.M., Ghosh S., Frisardi M. et al. Hsp60 is targeted to a cryptic mitochondrion-derived organelle
(«crypton») in the microaerophilic protozoan parasite Entamoeba histolytica // Mol. Cell Biol. 1999. Vol. 19.
P. 2198-2205.

Malkin R. Cytochrome bc: and b6f complexes of photosynthetic membranes// Photosynth. Res. 1992.
Vol. 33. P. 121-136.

Mallipudi L.R., Gleason F.K. Characterization of a mutant of Anacystis nidulans R2 resistant to the
natural herbicide, cyanobacterin // Plant Sci. 1989. Vol. 60. P. 149-154.

Maloney P.C. The molecular and cell biology of anion transport by bacteria// BioEssays. 1992. Vol. 14.
P. 757-762.

Mannella C.A., Marko M., Buttle K. Reconsidering mitochondrial structure: new views of an old organ-
elle // Trends Biochem. Sci. 1997. Vol. 22. P. 37-38.

Manning W.M., Strain H.H. Chlorophyll d, a green pigment of red algae // J.Biol.Chern. 1943. Vol. 151.
P. 1-19.

Marquardt J., Hu Q., Iwasaki I. et al. The structure of the biliprotein aggregates of the chi ^-containing
prokaryote Acaryochloris marina// Photosynthesis: Mechanisms and Effects. G. Garab (ed.). Doordrecht
e.a.: Kluwer Acad. Publ., 1998. P. 217-220.

Marquardt J., Mbrschel E., Rhiel E., Westermann M. Ultrastructure of Acaryochloris marina, an oxy-
photobacterium containing mainly chlorophyll J//Arch. Microbiol. 2000. Vol. 174. P. 181-188.

Marten S., Brandt P., Robinson D.S. Thylakoid development in the endocyanelle Cyanocyta korschikof-
flana in synchronized Cyanophora paradoxa //Eur. J. Cell Biol. 1983. Vol. 30. P. 18-24.

Marlin W., Herrmann R.G. Gene transfer from organelles to the nucleus: how much, what happens, and
why? // Plant Physiol. 1998. Vol. 118. P. 9-17.

Mathis P. Compared structure of plant and bacterial photosynthetic reaction centers // Biochim. Bio-
phys. Acta. 1990. Vol. 1018. P. 163-167.

Matthews R.E.F. Viral taxonomy for the nonvirologist// Ann. Rev. Microbiol. 1985. Vol. 39.
p. 451-474.
Mattoo A.К., Marder J.В., Edelman M. Dynamics of the photosystem II reaction center// Cell. 1989.
Vol. 56. P. 241-246.

McDougald D., Rice S.A., Weichart D., Kjelleberg S. Nonculturability: adaptation or debilitation?//
FEMS Microbiol. Ecol. 1998. Vol. 25. P. 1-9.

McFadden G.I., Gilson P.R., Douglas S.E. et al. Bonsai genomics: sequencing the smallest eukaryotic
genomes // Trends Genet. 1997. Vol. 13. P. 46-49.

McKay R.M.L., Gibbs S.P. Composition and function of pyrenoids: cytochemical and immunocyto-
chemical approaches //Can. J. Bot. 1990. Vol. 69. P. 1040-1052.

Menke W. Retrospective of a botanist// Photosynth. Res. 1990. Vol. 25. P. 77-82.

Messinger J. Towards understanding the chemistry of photosynthetic oxygen evolution: dynamic struc-
tural changes, redox states and substrate water binding of the Mn cluster in photosystem II // Biochim. Bio-
phys. Acta. 2000. Vol. 1459. P. 481-488.

Meyer J. The evolution of ferredoxins //Trends Ecol. Evol. 1988. Vol. 3. P. 222-226.

Miller K.R., Jacob J.S., Burger-Wiersma T., Matthijs H.C.P. Supramolecular structure of the thylakoid
membrane of Prochlorothrix hollandica: chlorophyll ^-containing prokaryote// J. Cell Sci. 1988. Vol. 91.
P. 577-586.

Mills D.A., Ferguson-Miller S. Proton uptake and release in cytochrome c oxidase: separate pathways in
time and space?// Biochim. Biophys. Acta. 1998. Vol. 1365. P. 46-52.

Mimuro M., Akimoto S., Yamazaki U. et al. Fluorescence properties of chlorophyll ^-dominating pro-
karyotic alga, Acaryochloris marina: studies using time-resolved fluorescence spectroscopy on intact cells //
Biochim. Biophys. Acta. 1999. Vol. 1412. P. 37-46.

Miroshnichenko N.A., Bhaya D., Grossman A.R. Cyanobacterial protein with similarity to the chloro-
phyll alb binding proteins of higher plants: evolution and regulation// Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1995.
Vol. 92. P. 636-640.

Mitchell P. Molecular mechanics of proIonmotive F0F] ATPases // FEBS Lett. 1985. Vol. 182. P. 1-7.

Miyashita II., Adachi K., Kurano N. et al. Pigment composition of a novel oxygenic photosynthetic
prokaryote containing chlorophyll d as the major chlorophyll// Plant Cell Physiol. 1997. Vol. 38.
P. 274-281.

Miyashita H., Ikemoto IL, Kurano N. et al. Chlorophyll J as a major pigment // Nature. 1996. Vol. 383.
P. 402.

Mor T.S., Post A.F., Ohad I. The manganese stabilising protein (MSP) of Prochlorothrix hollandica is a
hydrophobic membrane-bound protein // Biochim. Biophys. Acta. 1993. Vol. 1141. P. 206-212.

Morand L.Z., Cheng R.H., Но K.K., Krogmann D.W. Soluble electron transfer catalysts in cyanobacte-
ria// The Molecular Biology of Cyanobacteria. D.A. Bryant (ed.). Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. Publ., 1994.
P. 381-407.

Morden C. W., Delwiche C.F., Kuhsel M., Palmer J.D. Gene phylogenies and the cndosymbiotic origin
of plastids // BioSystems. 1992. Vol. 28. P. 75-90.

Moreland D.E. Mechanisms of action of herbicides// Annu. Rev. Plant Physiol. 1980. Vol. 31.
P. 597-638.

Miihlenhoff U., Haehnel W., Witt H., Herrmann R.G. Genes encoding eleven subunits of Photosystem I
from the thermophilic cyanobacterium Synechococcus sp. // Gene. 1993. Vol. 127. P. 71-78.

Mulkidjanian A.Y., Junge W. On the origin of photosynthesis as inferred from sequence analysis // Pho-
tosynth. Res. 1997. Vol. 51. P. 27-42.

Miiller M. The hydrogenosome// J. Gen. Microbiol. 1993. Vol. 139. P. 2879-2889.

Muller P., Li X., Niyogi K.K. Non-photochemical quenching. A response to excess light energy // Plant
Physiol. 2001. Vol. 125. P. 1558-1566.

Mullineaux C.W. Excitation energy transfer from phycobilisomes to Photosystem I in a cyanobacterial
mutant lacking Photosystem II // Biochim. Biophys. Acta. 1994. Vol. 1184. P. 71-77.

Murakami S., Yamada N., Nagano M., Osumi M. Three-dimensional structure of the prolamellar body
in squash etioplasts//Protoplasma. 1985. Vol. 128. P. 147-156.
Murray R.G.E., Schleifer K.H. Taxonomic notes: a proposal for recording the properties of putative taxa
of procaryotes // Int. J. Syst. Bacteriol. 1994. Vol. 44. P. 174-176.

Mushegian A.R., Koonin E.V. A minimal gene set for cellular life derived by comparison of complete
bacterial genomes // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1996. Vol. 93. P. 10268-10273.

Nakai M., Sugita D., Omata T., Endo T. Sec-Y protein is localized in both the cytoplasmic and thyla-
koid membranes in the cyanobacterium Synechococcus PCC7942 // Biochem. Biophys. Res. Commun. 1993.
Vol. 193. P. 228-234.

Nakamoto R.K., Ketchum C.J., Kuo P.H. et al. Molecular mechanisms of rotational catalysis in the FqF)
ATP synthase // Biochim. Biophys. Acta. 2000. Vol. 1458. P. 289-299.

Neisser A., Fromwald S., Schmatzberger A., Peschek G.A. Immunological and functional localization of
both F-type and P-type ATPases in cyanobacterial plasma membranes // Biochem. Biophys. Res. Commun.
1994. Vol. 200. P. 884-892.

Nelissen B., Van de Peer ¥., Wilmotte A., De Wachter R. An early origin of plastids within the cyano-
bacterial divergence is suggested by evolutionary trees based on complete 16S rRNA sequences // Mol. Biol.
Evol. 1995. Vol. 12. P. 1166-1173.

Nelson N. Evolution of organellar proton-ATPases// Biochim. Biophys. Acta. 1992. Vol. 1100.
P. 109-124.

Neupert W. Protein import into mitochondria// Annu. Rev. Biochem. 1997. Vol. 66. P. 863-917.

Neveux J., Lantoine F., Vaulot D., Marie D. 1999. Phycoerythrins in the southern tropical and equato-
rial Pacific Ocean: evidence for new cyanobacterial types//J. Geophys. Res. 1999. Vol. 104. P. 3311-3321.

Nield J., Funk C., Barber J. Supermolecular structure of photosystem II and location of the PsbS pro-
tein // Phil. Trans. R. Soc. Lond. ser. B. 2000. Vol. 355. P. 1337-1344.

Nikolaitchik O. A., Bullerjahn G.S. Transcript analysis of the pcbABC genes encoding the antenna apo-
proteins in the photosynthetic prokaryote Prochlorothrix hollandica II FEMS Microbiol. Lett. 1998.
Vol. 168. P. 187-194.

Nilsson F., Andersson B., Jansson C. Photosystem II characteristics of a constructed Synechocystis
6803 mutant lacking synthesis of the DI polypeptide // Plant Mol. Biol. 1990. Vol. 14. P. 1051-1054.

Niyogi K.K. Safety valves for photosynthesis // Curr. Opin. Plant Biol. 2000. Vol. 3. P. 455-460.

Norling B., Zarka A., Boussiba S. Isolation and characterization of plasma membranes from cyanobacte-
ria// Physiol. Plant. 1997. Vol. 99. P. 495-504.

Obinger C., Knepper J.-C., Zimmermann U., Peschek G.A. Identification of a periplasmic c-type cyto-
chrome as electron donor to the plasma membrane-bound cytochrome oxidase of the cyanobacterium Nostoc
Mac // Biochem. Biophys. Res. Commun. 1990. Vol. 169. P. 492-501.

Ogura K, Koyama T. Enzymatic aspects of isoprenoid chain elongation// Chem. Rev. 1998. Vol. 98.
P. 1263-1276.

Ohnishi T. NADH-quinone oxidoreductase, the most complex complex // J. Bioenerg. Biomembr. 1993.
Vol. 25. P. 325-329.

Olsen G.J., Woese C.R., Overbeck R. The winds of (evolutionary) change: breathing new life into mi-
crobiology// J. Bacteriol. 1994. Vol. 176. P. 1-6.

Olson J.M., Pierson B.K. Evolution of reaction centers in photosynthetic prokaryotes H Int. Rev. Cytol.
1987. Vol. 108. P. 209-248.

Omata T., Murata N. Isolation and characterization of three types of membranes from the cyanobacte-
rium (blue-green alga) Synechocystis PCC 6714 // Arch. Microbiol. 1984. Vol. 139. P. 113-116.

Oren A., Shilo M. Anaerobic heterotrophic dark metabolism in the cyanobacterium Oscillatoria lim-
netica: sulfur respiration and lactate fermentation // Arch. Microbiol. 1979. Vol. 122. P. 77-84.

Padan E. Facultative anoxygenic photosynthesis in cyanobacteria// Annu. Rev. Plant Physiol. 1979.
Vol. 30. P. 27-40.

Paerl H.W., Pinckney J.L., Steppe T.F. Cyanobacterial-bacterial mat consortia: examining the functional
unit of microbial survival and growth in extreme environments // Environ. Microbiol. 2000. Vol. 2. P. 11-26.
Palenik В, Haselkorn R. Multiple evolutionary origins of prochiorophytes, the chlorophyll /^-containing
prokaryotes // Nature. 1992. Vol. 55. P. 265-267.

Palleroni N.J. The taxonomy of bacteria// BioScicnce. 1983. Vol. 33. P. 370-377.

Palleroni N.J. Prokaryotic diversity and the importance of culturing// Ant. van Leeuwenhoek. 1997.
Vol. 72. P. 3-19.

Palmer J.D. A single birth of all plastids? // Nature. 2000. Vol. 405. P. 32-33.

Palmer J.D., Delwiche C.F. Second-hand chloroplasts and the case of the disappearing nucleus// Proc.
Natl. Acad. Sci. USA. 1996. Vol. 93. P. 7432-7435.

Palmgren M.G., Axelsen K.B. Evolution of P-type ATPases// Biochim. Biophys. Acta. 1998.
Vol. 1365. P. 37-45.

Partensky F., Hess W.R., Vaulot I). Prochlorococcus, a marine photosynthetic prokaryote of global sig-
nificance//Microbiol. Mol. Biol. Rev. 1999. Vol. 63. P. 106-127.

Paulsen H. Chlorophyll a//?-binding proteins // Photochem. PhotobioL 1995. Vol. 62. P. 367-382.

Pedersen P.L., Amzel L.M. ATP synthases // J. Biol. Chern. 1993. Vol. 268. P. 9937-9940.

Penno S., Campbell L., Hess W.R. Presence of phycoerythrin in two strains of Prochlorococcus
(Cyanobacteria) isolated from the subtropical North Pacific ocean //J. Phycol. 2000. Vol. 36. P. 723-729.

Peschek G.A. Cytochrome oxidase and the eta operon of cyanobacteria// Biochim. Biophys. Acta.
1996. Vol. 1275. P. 27-32.

Peschek G.A. Photosynthesis and respiration of cyanobacteria// Phototrophic Prokaryotes. G.A. Pe-
schek et al. (eds.). New York: Plenum Press, 1999. P. 201-209.

Peschek G.A., Hinterstoisser B., Wastyn M. el al. Chlorophyll precursors in the plasma membrane of a
cyanobacterium, Anacystis nidulans // J. Biol. Chern. 1989. Vol. 264. P. 11827-11832.

Peters J.W., Fisher K., Dean D.R. Nitrogenase structure and function: a biochemical-genetic perspec-
tive // Annu. Rev. Microbiol. 1995. Vol. 49. P. 335-366.

Pfennig N. Stages in the recognition of bacteria using light as a source of energy // Bacteria in Nature.
E.R. Leadbetter, J.S. Poindexter (eds.). New York: Plenum Publ. Corp., 1985. Vol. 1. P. 113-131.

Philippe H., Lopez P., Brinkmann H. et al. Early-branching or fast-evolving eukaryotes? An answer
based on slowly evolving positions // Proc. R. Soc. Lond. ser. B. 2000. Vol. 267. P. 1213-1221.

Pinevich A. V. Isolation, fractionation, and comparative analysis of the cell membranes of the cyanobac-
terium Anabaena variabilis // Microbiology (Russ., Engl. Transl.). 1978. Vol. 47. P. 381-387.

Pinevich A.V. Membrane system pattern as applied to cytological conceptualism: is the prokary-
ote/eukaryote dichotomy to be rejected? // Endocytobiosis and Cell Res. 1994. Vol. 10. P. 159-166.

.Pinevich A.V. Intracytoplasmic membrane structures in bacteria// Endocytobiosis and Cell Res. 1997.
Vol. 12. P. 9-40.

Pinevich A.V., Averina S.G, Velichko N.V. Another view on the role of photosynthetic pigments in tax-
onomy of oxygenic-phototrophic bacteria: proposed rejection of the order Prochlorales Florenzano, Balloni,
and Matcrassi 1986 (Emend. Burger-Wiersma, Stahl, and Mur 1989), the family Prochloraceae Florenzano,
Balloni, and Materassi 1986, and the family Prochlorotrichaceae Burger-Wiersma, Stal, and Mur 1989 // Int.
J. Syst. Bacteriol. 1997. Vol. 47. P. 1264-1267.

Pinevich A., Matthijs H., Garcia-Mendoza E., Bazanova A. The uncommon pigment composition of,
and complementary chromatic adaptation in marine Synechocystis sp. // Algol. Studies. 2000. Vol. 99.
P. 67-77.

Pinevich A.V., Matthijs H.C.P., Gavrilova О. V et al. New ultrastructural aspects of membranes and cell
inclusions in Prochlorothrix hollandica (Prochlorales, Cyanobacteria)// Microbios. 1996. Vol. 87.
P. 217-225.

Pinevich A.V., Skulberg O.M., Matthijs H.C.P. et al. Characterization of a novel chlorophyll b-
containing Prochlorothrix species (Prochlorophyta) and its photosynthetic apparatus // Microbios. 1999. Vol.
100. P. 159-174.

Pistorius E.K. The identity of the water-oxidizing enzyme in photosystem II is still controversial //
Physiol. Plant. 1993. Vol. 87. P. 624-631.
Poolman В. Energy transduction in lactic acid bacteria// FEMS Microbiol. Rev. 1993. Vol. 12.
P. 125-148.

Poolman B., Konings W.N. Secondary solute transport in bacteria// Biochim. Biophys. Acta. 1993.
Vol. 1183. P. 5-39.

Porra R.J., Pfiindel E.E., Engel N. Metabolism and function of photosynthetic pigments // Phytoplank-
ton Pigments in Oceanography: Guidelines to Modem Methods. S.W. Jeffrey et al. (eds.). Paris: UNESCO
Publ., 1997. P. 85-124.

Post A., Arieli B. Photosynthesis of Prochlorothrix hollandica under sulfide-rich anoxic conditions//
Appl. Environ. Microbiol. 1997. Vol. 63. P. 3507-3511.

Post A.E., Bullerjahn G.S. The photosynthetic machinery in Prochiorophytes: structural properties and
ecological significance// FEMS Microbiol. Rev. 1994. Vol. 13. P. 303-414.

Post A.F., Gal A., Ohad I. et al. Characterization of light-activated reversible phosphorylation of a chlo-
rophyll a/b antenna apoprotein in the photosynthetic prokaryote Prochlorothrix hollandica // Biochim. Bio-
phys. Acta. 1992. Vol. 1110. P. 75-82.

Postgate J.R. The Fundamentals of Nitrogen Fixation // Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1982. 274 p.

Rapoport T.A., Jungnickel B., Kutay U. Protein transport across the eukaryotic endoplasmic reticulum
and bacterial inner membranes // Annu. Rev. Biochem. 1996. Vol. 65. P. 271-303.

Raven J.A., Evans M.C.W.. Korb R.E. The role of trace metals in photosynthetic electron transport in
O2-evoIving organisms // Photosynth. Res. 1999. Vol. 60. P. 111-149.

Reith M. Molecular biology of rhodophyte and chromophyte plastids// Annu. Rev. Plant Physiol. Plant
Mol. Biol. 1995. Vol. 46. P. 549-575.

Renger G. Mechanistic aspects of photosynthetic water cleavage// Photosynthetica. 1987. Vol. 21.
P. 204-224.

Renger G., Volker M., Eckert H.J. et al. On the mechanism of photosystem II deterioration by UV-B ir-
radiation// Photochem. Photobiol. 1989. Vol. 49. P. 97-105.

Rippka R., Coursin T., Hess W. et al. Prochlorococcus marinus Chisholm et al. 1992 subsp. pastoris
subsp. nov. strain PCC 9511, the first axenic chlorophyll cb/^-containing cyanobacterium (Oxyphotobacte-
ria) // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2000. Vol. 50. P. 1833-1847.

Rippka R., Deruelles J., Waterbury J.B. et al. Generic assignments, strain histories and properties of
pure cultures of cyanobacteria // J. Gen. Microbiol. 1979. Vol. 111. P. 1-61.

Robertson J.D. Membrane structure// J. Cell Biol. 1981. Vol. 91. P. 189s-204s.

Rochaix J.D., Erickson J. Function and assembly of photosystem II: genetic and molecular analysis//
Trends Biochem. Sci. 1988. Vol. 13. P. 56-59.

La Roche J., van der Staay G.W.M., Partensky F. et al. Independent evolution of the prochiorophyte
and green plant chlorophyll a/b light-harvesting proteins// Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1996. Vol. 93.
P. 15244-15248.

Rotte C., Henze K., Midler M., Martin W. Origins of hydrogenosomes and mitochondria// Curr. Opin.
Microbiol. 2000. Vol. 3. P. 481-486.

Rudiger W. Chlorophyll metabolism: from outer space down to the molecular level // Phytochemistry.
1997. Vol. 46. P. 1151-1167.

Rutherford A.W. Photosystem II, the water-splitting enzyme// Trends Biochem. Sci. 1989. Vol. 14.
P. 227-232.

Sandman G. Formation of plastocyanin and cytochrome c-553 in different species of blue-green algae II
Arch. Microbiol. 1986. Vol. 145. P. 76-79.

Sandmann G., Boger P. Sites of herbicide inhibition at the photosynthetic apparatus // Photosynthetic
Membranes and Light-Harvesting Systems. L. A. Staehelin, C.J. Amtzen (eds.). Berlin e.a.: Springer-Verlag,
1986. P. 595-602.

Sarafis V. Chloroplasts: a structural approach//J. Plant Physiol. 1998. Vol. 152. P. 1-17.
Sazanov L.A., Burrows P.A., Nixon P.J. The plastid ndh genes code for an NADH-specific dehydro-
genase: isolation of a complex I analogue from pea thylakoid membranes // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998.
Vol. 95. P. 1319-1324.

Scanlan D.J., Hess W.R., Partensky F. et al. High degree of genetic variation in Prochlorococcus (Pro-
chlorophyta) revealed by RELP analysis И Eur. J. Phycol. 1996. Vol. 31. P. 1-9.

Schafer G., Engelhard M., Muller V. Bioenergetics of the Archaea// Microbiol. Mol. Biol. Rev. 1999.
Vol. 63. P. 570-620.

Schenk H.E.A. Cyanobacterial symbioses// The Prokaryotes (2nd ed.). A. Balows et al. (eds.). New
York: Springer-Verlag, Inc., 1992. P. 3819-3854.

Scherer S. Do photosynthetic and respiratory electron transport chains share redox proteins? // Trends
Biochem. Sci. 1990. Vol. 15. P. 458-462.

Schlegel H.G. Winogradsky discovered a new modus vivendi// Anaerobe. 1996. Vol. 2. P. 129-136.

Schleiff E., Soli J. Travelling of proteins through membranes: translocation into chloroplasts // Planta.
2000. Vol. 211. P. 449-456.

Schmitt A., Frank G., James P. et al. Polypeptide sequence of the chlorophyll a/b/c-binding protein of
the prasinophycean alga Mantoniella squamata // Photosynth. Res. 1994. Vol. 40. P. 269-277.

Schopf J. W. The fossil record: tracing the roots of the cyanobacterial lineage // The Ecology of Cyano-
bacteria. B.A. Whitton, M. Potts (eds.). Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. Publ., 2000a. P. 13-35.

Schopf J. W. The paleobiologic record of cyanobacterial evolution // Prokaryotic Development.
Y.V. Brun and L.J. Shimkets (eds.). Washington, DC.: Amer. Soc. Microbiol., 2000b. P. 105-129.

Schubert W.-D., Klukas O., Saenger W. el al. A common ancestor for oxygenic and anoxygenic photo-
synthetic systems: a comparison based on the structural model of photosystem I// J. Mol. Biol. 1998.
Vol. 280. P. 297-314.

Schuster G., Nechushtai R., Nelson N, Ohad I. Purification and composition of photosystem I reaction
center of Prochloron sp., an oxygen-evolving prokaryote containing chlorophyll b// FEBS Lett. 1985.
Vol. 191. P. 29-33.

Schuster G., Owens D.C., Cohen Y., Ohad I. Thylakoid polypeptide composition and light-independent
phosphorylation of the chlorophyll a,i>-protein in Prochloron, a prokaryote exhibiting oxygenic photosynthe-
sis // Biochim. Biophys. Acta. 1984. Vol. 767. P. 596-605.

Schutz. M., Brugna M., Lebrun E. et al. Early evolution of cytochrome be complexes// J. Mol. Biol.
2000. Vol. 300. P. 663-675.

Schwartzbach S.D., Osafune T.. Lojfelhardt W. Protein import into cyanelles and complex chloro-
plasts // Plant Mol. Biol. 1998. Vol. 8. P. 247-263.

Seidler A. The extrinsic polypeptides of Photosystem II// Biochim. Biophys. Acta. 1996. Vol. 1277.
P. 35-60.

Settles A.M., Martienssen R. Old and new pathways of protein export in chloroplasts and bacteria//
Trends Cell Biol. 1998. Vol. 8. P. 494-501.

Shen G., Boussiba S., Vermaas W. Synechocystis sp. PCC 6803 strains lacking photosystem I and phy-
cobilisome function//Plant Cell. 1993. Vol. 5. P. 1853-1863.

Shen J.-R., Inoue Y. Cellular localization of cytochrome с55О // J- Biol. Chem. 1993. Vol. 268.
P. 20408-20413.

Sherman D.M., Troyan T.A., Sherman L.A. Localization of membrane proteins in the cyanobacterium
Synechococcus sp. PCC7942 // Plant Physiol. 1994. Vol. 106. P. 251-262.

Shestakov S.V., Anbudurai P.R., Stanbekova G.E. et al. Molecular cloning and characterization of the
ctpA gene encoding a carboxyl-terminal processing protease// J. Biol. Chem. 1994. Vol. 269.
P. 19354-19359.

Sidler W.A. Phycobilisome and phycobilisome structures // The Molecular Biology of Cyanobacteria.
D.A. Bryant (ed.). Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. Publ., 1994. P. 139-216.
Simpson D.J., Knoetzel J. Light-harvesting complexes of plants and algae: introduction, survey and no-
menclature // Oxygenic Photosynthesis: the Light Reactions. D.R. Ort and C.F. Yocum (eds.). Dordrecht e.a.:
Kluwer Acad. Publ., 1996. P. 493-506.

Sitte P. Symbiogenetic evolution of complex cells and complex plastids// Eur. J. Protistol. 1993.
Vol. 29. P. 131-143.

Smart L.B., Bowlby N.R., Anderson S.L. et al. Genetic manipulation of the cyanobacterium Synechocys-
tis sp. PCC 6803 // Plant Physiol. 1994. Vol. 104. P. 349-354.

Sobalie B., Poole R.K. Microbial ubiquinones: multiple roles in respiration, gene regulation and oxida-
tive stress management// Microbiology. 1999. Vol. 145. P. 1817-1830.

Soil J., Bolter B., Wagner R., Hinnah S.C. The chloroplast outer envelope: a molecular sieve? // Trends
Plant Sci. 2000. Vol. 5. P. 137-138.

van der Staay G.W.M., Boekema E.J., Dekker J.P., Matthijs H.C.P. Characterization of trimeric photo-
system I particles from the prochiorophyte Prochlorothrix hollandica by electron microscopy and image
analysis//Biochim. Biophys. Acta. 1993. Vol. 1142. P. 189-193.

1 van der Staay G.W.M., Moon-van der Staay S.Y., Garczarek L., Partensky F. Characterization of the
photosystem I subunits Psal and PsaL from two strains of the marine oxyphototrophic prokaryote Prochloro-
coccus // Photosynth. Res. 1998. Vol. 57. P. 183-191.

van der Staay G.W.M., Staehelin L.A. Biochemical characterization of protein composition and “protein
phosphorylation patterns in stacked and unstacked thylakoid membranes of the prochiorophyte Pro-
chlorothrix hollandica // J. Biol. Chern. 1994. Vol. 269. P. 24834-24844.

van der Staay G.W.M., Yurkova N., Green B.R. The 38 kDa chloropyll a/b protein of the prokaryote
Prochlorothrix hollandica is encoded by a divergent pcb gene // Plant Mol. Biol. 1998. Vol. 36. P. 709-716.

Stackebrandt E., Rainey F.A., Ward-Rainey N. Anoxygenic phototrophy across the phylogenetic spec-
trum: current understanding and future perspectives // Arch. Microbiol. 1996. Vol. 166. P. 211-223.

Staehelin L.A., van der Staay G.W.M. Structure, composition, funtional organization and dynamic prop-
erties of thylakoid membranes // Oxygenic Photosynthesis: the Light Reactions. D.R. Ort and C.F. Yocum
(eds.). Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. Publ., 1996. P. 11-30.

Startler R.Y. The journey, not the arrival, matters //Ann. Rev. Microbiol. 1980. Vol. 34. P. 1-48.

Stevens S.E., Jr., Nierzwicki-Bauer S. The cyanobacteria// Structure of Phototrophic Prokaryotes.
S.F. Stolz (ed.). Boca Raton: CRC Press, Inc., 1991. P. 15-47.

Stewart DJI., Brudvig G.W. Cytochrome 6559 of photosystem II// Biochim. Biophys. Acta. 1998.
Vol. 1367. P. 63-87.

Sugiura M. The chloroplast genome // Plant Mol. Biol. 1992. Vol. 19. P. 149-168.

Summons R., Jahnke L.L., Hope J.M., Logan G.A. 2-Methylhopanoids as biomarkers for cyanobacterial
oxygenic photosynthesis // Nature. 1999. Vol. 400. P. 554-557.

Tabita F.R. Molecular and cellular regulation of autotrophic carbon dioxide fixation in microorgan-
isms // Microbiol. Rev. 1988. Vol. 52. P. 155-189.

Taylor F.J.R. Some eco-evolutionary aspects of intracellular symbiosis // Int. Rev. Cytol. 1982. Vol. 14.
(Suppl.) P. 1-28.

Taylor R.F. Bacterial triterpenoids // Microbiol. Rev. 1984. Vol. 48. P. 181-198.

Theron J., Cloete T.E. Molecular techniques for determining microbial diversity and community struc-
ture in natural environments // Crit. Rev. Microbiol. 2000. Vol. 26. P. 37-57.

Thomson W.W., Whatley J.M. Development of nongreen plastids// Annu. Rev. Plant Physiol. 1980.
Vol. 31. P. 375-394.

Thomber J.P., Peter G.F., Morishige D.T. et al. Light harvesting in photosystems 1 and II // Bioch. Soc.
Transact. 1993. Vol. 21. P. 15-18.

Tielens A.G.M., Van Hellemond J.J. The electron transport chain in anaerobically functioning eukaryo-
tes//Biochim. Biophys. Acta. 1998. Vol. 1365. P. 71-78.

Tjalsma H., Bolhuis A., Jongbloed J.D.H. et al. Signal peptide-dependent protein transport in Bacillus
subtilis: a genome-based survey of the secretome // Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2000. Vol. 64. P. 515-547.
Toh H., Kawamura T, Izui K. Molecular evolution of phosphoeno/pyruvate carboxylase// Plant Cell
Envir. 1994. Vol. 17. P. 31-43.

Tomitani A., Okada K, Miyashita H. et al. Chlorophyll b and phycobilins in the common ancestor of
cyanobacteria and chloroplasts // Nature. 1999. Vol. 400. P. 159-162.

Tommos C., Babcock G.T. Oxygen production in nature: a light driven metalloradical enzyme process //
Accounts Chern. Res. 1998. Vol. 31. P. 18-26.

Touati D. Iron and oxidative stress in bacteria// Arch. Biochem. Biophys. 2000. Vol. 373. P. 1-6.

Tovar J., Fischer A., Clark C.G. The mitosome, a novel organelle related to mitochondria in the amito-
chondrial parasite Entamoeba histolytica H Mol. Microbiol. 1999. Vol. 32. P. 1013-1021.

Trench R.K. Physiology, biochemistry, and ultrastructure of cyanellae// Progress in Phycological Re-
search. V. I. F.E. Round, D.J. Chapman (eds.). Amsterdam: Elsevier Biomed. Press, 1982. P. 257-288.

Trissl H.-W., Wilhelm C. Why do thylakoid membranes from higher plants form grana stacks? // Trends
Biochem. Sci. 1993. Vol. 18. P. 415-419.

Tseng С.-P., Montville T.J. Metabolic regulation of end product distribution in lactobacilli: causes and
consequences//Biotechnol. Prog. 1993. Vol. 9. P. 113-121.

Tsiotis G., McDermott G., Ghanotakis D. Progress towards structural elucidation of Photosystem II //
Photosynth. Res. 1996. Vol. 50. P. 93-101.

Turner S. Molecular systematics of oxygenic photosynthetic bacteria// Plant Syst. Evol. 1997. Vol. 11.
(Suppl.) P. 13-52.

Turner S., Pryer K.M., Miao V.P.W., Palmer J. Investigating deep phylogenetic relationship among
cyanobacteria and plastids by small subunit rRNA sequence analysis // J. Eukaryot. Microbiol. 1999. Vol. 46.
P. 327-338.

Urbach E., Robertson D.L., Chischolm S. W. Multiple evolutionary origins of prochiorophytes within
the cyanobacterial radiation //Nature. 1992. Vol. 355. P. 267-270.

Vermaas W. Molecular-biological approaches to analyze photosystem II structure and function // Annu.
Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1993. Vol. 44. P. 457-481.

Vermaas W.J.F. Evolution of heliobacteria: implications for photosynthetic reaction center complexes //
Photosynth. Res. 1994. Vol. 41. P. 285-294.

Vermaas W.F.J., Shen G., Styring S. Electrons generated by photosystem II are utilized by an oxidase in
the absence of photosystem I in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 // FEBS Lett. 1994.
Vol. 337. P. 103-108.

Vredenberg W.J. Electrogenesis in the photosynthetic membrane: fields, facts and features // Bioclectro-
chem. Bioenerg. 1997. Vol. 44. P. 1-11.

Wakao N., Yokoi N., Isoyama N. et al. Discovery of natural photosynthesis using Zn-containing bacteri-
ochlorophyll in an aerobic bacterium Acidiphilum rubrum // Plant Cell Physiol. 1996. Vol. 37. P. 889-893.

Waller M.R. Stromatolites // Amsterdam e.a.: Elsevier Sci. Publ. Co., 1976. 138 p.

Watson G.M.F., Tabita R. Microbial ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase: a molecule for
phylogenetic and enzymological investigation // FEMS Microbiol. Lett. 1997. Vol. 146. P. 13-22.

Webb M.S., Green B.R. Biochemical and biophysical properties of thylakoid acyl lipids // Biochim.
Biophys. Acta. 1991. Vol. 1060. P. 133-158.

Webb R., Sherman L.A. The cyanobacterial heat-shock responce and the molecular chaperones // The
Molecular Biology of Cyanobacteria. D.A. Bryant (ed.). Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. Publ., 1994.
P. 751-767.

Wedemayer G.J., Kidd D.J., Glazer A.N. Cryptomonad biliproteins: bilin types and locations // Photo-
synth. Res. 1996. Vol. 48. P. 163-170.

Weltphal S., Heins L., Soil J., Vothknecht U.C. Vippl deletion mutant of Synechocystis: a connection
between bacterial phage shock and thylakoid biogenesis?// Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001. Vol. 98.
p. 4243-4248.

von Wettstein D. Discovery of a protein required for photosynthetic membrane assembly // Proc. Natl.
Acad. Sci. USA. 2001. Vol. 98. P. 3633-3635.
von Wettstein D., Gough S., Kannangara C.G. Chlorophyll biosynthesis // The Plant Cell. 1995. Vol. 7.
P.1039-1057.

Whatley J.M. Plastids - past, present, and future // Int. Rev. Cytol. 1983. Vol. 14 (Suppl.). P. 329-373.

Whatley J.M. Membranes and plastid origins// Origins of Plastids. R.A. Lewin (ed.). New York and
London: Chapman and Hall, 1992. P. 77-106.

Whatley J.M. The endosymbiotic origin of chloroplasts // Int. Rev. Cytol. 1993. Vol. 144. P. 259-299.

Wheelis M.L., Kandler O., Woese C.R. On the nature of global classification // Proc. Natl. Acad. Sci.
USA. 1992. Vol. 89. P. 2930-2934.

Wilhelm C. The biochemistry and physiology of light-harvesting processes in chlorophyll b- and chlo-
rophyll c-containing algae // Plant Physiol. Biochem. 1990. Vol. 28. P. 293-306.

Wilhelm C., Duval J.-C. Fluorescence induction kinetics as a tool to detect a chlororespiratory activity
in the prasinophycean alga, Mantoniella squamata // Biochim. Biophys. Acta. 1990. Vol. 1016. P. 197-202.

Wilkens S., Capaldi R.A. Electron microscopic evidence of two stalks linking the Fi and Fo parts of the
Escherichia coli ATP synthase // Biochim. Biophys. Acta. 1998. Vol. 1365. P. 93-97.

Wilmotte A. Molecular evolution and taxonomy of the cyanobacteria// The Molecular Biology of
Cyanobacteria. D.A. Bryant (ed.). Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. Publ., 1994. P. 1-25.

Wilmotte A., Herdman M. Phylogenetic relationships among the cyanobacteria based on 16S rRNA se-
quences// Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology (2nd ed.). Vol. 1. D.R. Boone, R.W. Castenholz
(eds.). New York e.a.: Springer-Verlag, 2001. P. 1474-487.

Wilson M.T., Bickar D. Cytochrome oxidase as a proton pump // J. Bioenerg. Biomembr. 1991. Vol. 23.
P. 755-771.

Withers N.W., Alberte R.S., Lewin R.A. et al. Photosynthetic unite size, carotenoids, and chlorophyll-
protein composition of Prochloron sp., a prokaryotic green alga// Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1978. Vol. 67.
P. 2301-2305.

Woese C.R. Interpreting the universal phylogenetic tree // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2000. Vol. 97.
P. 8392-8396.

Wolfe G.R., Cunningham F.X., Dumford D. et al. Evidence for a common origin of chloroplasts with
light-harvesting complexes of different pigmentation // Nature. 1994. Vol. 367. P. 566-568.

Wolk C.P. Heterocyst formation // Annu. Rev. Genet. 1996. Vol. 30. P. 59-78.

Wolk C.P., Ernst A., Elhai J. Heterocyst metabolism and development// The Molecular Biology of
Cyanobacteria. D.A. Bryant (ed.). Dordrecht e.a.: Kluwer Acad. Publ., 1994. P. 769-823.

Woolhouse H.W. The biochemistry and regulation of senescence in chloroplasts// Can. J. Bot. 1984.
Vol. 62. P. 2934-2942.

Wu D. Y., Wright D.A., Wetzel Z. et al. The immutans variegation locus of Arabidopsis defines a mito-
chondrial alternative oxidase homolog that functions during early chloroplast biogenesis // Plant Cell. 1999.
Vol. 11. P. 43-55.

Xiong J., Inoue K., Bauer C.E. Tracking molecular evolution of photosynthesis by characterization of a
major photosynthetic gene cluster from Heliobacillus mobilis /I Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998. Vol. 95.
P. 14851-14856.

Xiong J., Fischer W.M., Inoue K. et al. Molecular evidence for the early evolution of photosynthesis //
Science. 2000. Vol. 289. P. 1724-1730.

Xu C, Nejidat A., Belkin S., Boussiba S. Isolation and characterization of the plasma membrane by two-
phase partitioning from the alkaliphilic cyanobacterium Spirulina platensis И Plant Cell Physiol. 1994. Vol.
35. P. 737-741.

Yagi T. Bacterial NADH-quinone oxidoreductases// J. Bioenerg. Biomembr. 1991. Vol. 23.
P. 211-225.

Yocum C.F., Pecoraro V.L. Recent advances in the understanding of the biological chemistry of manga-
nese // Curr. Opin. Chem. Biol. 1999. Vol. 3. P. 182-187.

Yu L, Zhao J., Muhlenhoff U. et al. PsaE is required for in vivo cyclic electron flow around photosys-
tem I in the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC7002 И Plant Physiol. 1993. Vol. 103. P. 171-180.
Yurkov V.V., Beatty J.T. Aerobic anoxygenic phototrophic bacteria// Microbiol. Mol. Biol. Rev. 1998.
Vol. 62. P. 695-724.

Zabalueva K.T., Shatilov V.R., Filippovich 1.1. Characterization of ribosome-containing rodlike struc-
tures isolated from Phortnidium laminosum photosynthetic membranes// Photosynthetica. 1993. Vol. 29.
P. 463-467.

Zeilstra-Ryalls J., Gomelsy M., Erase J.M. et al. Control of photosystem formation in Rhodobacter
sphaeroides // J. Bacteriol. 1998. Vol. 180. P. 2801-2809.

Zerges W., Rochaix J.D. Low density membranes are associated with RNA-binding proteins and thyla-
koids in the chloroplast of Chlamydomonas reinhardtii // J. Cell Biol. 1998. Vol. 140. P. 101-110.

Zuckerkandl E., Pauling L. Molecules as documents of evolutionary history // J. Theor. Biol. 1965. Vol.
8. P. 357-366.

Zwart G., Hiorns W.D., Methe B.A. et al. Nearly identical 16S rRNA sequences recovered from lakes in
North America and Europe indicate the existence of clades of globally distributed freshwater bacteria // Sys-
tem. Appl. Microbiol. 1998. Vol. 21. P. 546-556.
SUMMARY

The book represents a monographic manual of oxygenic phototrophy, which is the major process of as-
similation of light energy. Oxygenic phototrophy associates with the synthesis of dioxygen from water, and is
specifically performed by oxygenic phototrophs - bacteria belonging to phylum Cyanobacteria and plastids
(symbiogenic organelles of eukaryotic cells). The manual focuses on cytology, biochemistry, and molecular
genetics of oxygenic phototrophs. Material is compiled from 450 bibliographical references and the authors’
own data, and illustrated by 8 tables and 37 figures. Among the considered themes are modem cell theory,
macrosystematics, global phylogeny, membranous systems in prokaryotes, and bioenergetics. The principles
of oxygenic photosynthetic apparatus in action are described, as well as its architecture, multivariant types,
dynamic functioning, and multistep biogenesis. Classification, phylogeny, and biodiversity of oxygenic pho-
totrophic bacteria (cyanobacteria sensu stricto and prochiorophytes) are commented in detail. Different types
of plastids are characterized with respect to their organization and evolution, together with other types of
energy-assimilating organelles (mitochondria, hydrogenosomes, etc) present in eukaryotic cells.

Chapter 1 deals with the fundamentals of structural bioenergetics, starting from the criticism of dichot-
omy classification (cells of the prokaryota- and the eukaryota-type) and its substitution by a tritomy system
(cells of the archaeota-, the karyota-, and the bacteria-type). A review on diversity and functional organiza-
tion of membranous structures in bacteria and archaea is given. Special attention is paid to bioenergetic con-
cepts, especially to Mitchell’s chemiosmotic theory of energy assimilation and utilization. The documented
types of proton-motive force generators are characterized, photosynthetic apparatus being among them. Gen-
eral foundations, variants, and ecological significance of phototrophy are commented.

Chapter 2 gives an approach to the principles of oxygenic phototrophy, with an emphasis on functional
constituents of oxygenic photosynthetic apparatus (light-harvesting antennae, reaction centres, and electron
transfer chain). The essential classification of antennae is included, depending on apoprotein type and topog-
raphy within the photosystem. Physical-chemical behaviour of pigment assemblages is also described. Brief
commentary on metabolic consequences (in particular, negative) of oxygenic phototrophy is given, and the
evolution of oxygenic biosphere is traced back to Precambrian.

Chapter 3 brings together structural-functional aspects of the oxygenic photosynthetic apparatus. Mo-
lecular specificity, optical properties, distribution, and biosynthesis of both the tetrapyrrole (chlorophyll and
phycobiliprotein) and isoprenoid (carotenoid) pigments are characterized; the mechanisms of photoprotective
action of carotenoids are discussed. The architecture and phylogenetic relationship of chlorophyll-binding
integral antennal proteins are given. Epimembrane chlorophyll-binding proteins and phycobiliproteins are
dealt with. Molecular structure, variability, and functional specificity in major light-harvesting complexes of
the LHCII-type and of the phycoblisome-type are characterized. Detailed description of structure, activity,
inactivation (including facultatively anoxygenic photosynthesis), and evolution of two photosystems is given.

Contemporary data on the major mediator of electron transport chain (cytochrome ^//-complex), as well
as on mediators associated respectively with photosystems I and II, are presented. In this connection, data on
both the structure of oxygen-evolving complex and the proposed mechanism of light-dependent oxygen for-
mation are compiled. The composition of АТР-synthase, together with recent breakthroughs into the mecha-
nism of membrane phosphorylation are envisaged.

Chaper 4 provides an up-to-date account of the biogenesis of oxygenic photosynthetic apparatus. In par-
ticular, the sites of synthesis of lipids and their transportation to thylakoids are detailed; four systems destined
for post-translational import of proteins into simple and complex plastids are considered; the assembly of
thylakoid membranes is described.

Chapter 5 reviews the biodiversity and phylogeny of oxygenic phototrophs (phylum Cyanobacteria). In
accordance with Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology (2001), the diagnoses of cyanobacteria sensu
stricto and prochlorophytes distributed among Subsections I-V are given. Besides, clusters I-XIV of the evo-
lutionary tree reconstructed for oxygenic phototrophic bacteria and simple plastids are represented. Cyano-
bacteria sensu stricto and prochiorophytes are characrterized with a special bearing on respective membrane
apparates, as well as on molecular structure and functional properties of energy-assimilating systems. This
chapter also reflects a current state of knowledge on (i) cyanelles which are interpreted as archaic plastids, (ii)
simple (of the cyanobacterial ancestry) plastids, and (iii) complex (of the unialgal ancestry) plastids. Pigment
composition, ultrastructural characters, and functional diversity of organelles are pinpointed. In the case of
colourles plastids of Apicomplexa and thylakosomes of amoeboflagellates, physiological significance and
evolutionary relationships of these aberrant xenosomes are commented. Finally, an account on structure-
functional properties of non-phototrophic xenosomes (mitochondria and hydrogenosomes) adds to the under-
standing the diversity and evolutionary scenarios for energy-assimilating organelles in eukaryotic cells.

The concluding chapter is designed to show biological specificity of cyanobacteria and their role in
evolving biosphere, to highlight most important experimental results and discoveries in oxygenic phototrophy
during XXth century, and to speculate on main trends and perspectives of future research in this field.
CONTENTS

Abbreviations...................................................................................5

Glossary........................................................................................7

Preface........................................................................................12

CHAPTER 1. FUNDAMENTALS OF STRUCTURAL BIOENERGETICS........................................17

1.1. Evolutionary cytology..................................................................-

1.2. Membranes in prokaryotes..............................................................28

1.3. Assimilation of energy................................................................31

1.4. Phototrophy...........................................................................44

CHAPTER 2 PRINCIPLES OF OXYGENIC PHOTOTROPHY...............................................49

CHAPTER 3 OXYGENIC PHOTOSYNTHETIC APPARATUS................................................59

3.1. Pigments...............................................................................-

3.1.1. Chlorophylls.....................................................................61

3.1.2. Phycobiliproteins................................................................65

3.1.3. Biosynthesis of tetrapyrroles....................................................67

3.1.4. Carotenoids......................................................................75

3.1.5. Biosynthesis of carotenoids......................................................82

3.2. Light-harvesting antennal systems.....................................................87

3.2.1. Antennae with integral apoproteins................................................-

3.2.2. Antennae with epimembrane apoproteins............................................92

3.3. Major light-harvesting complex........................................................95

3.3.1. Chlorophyll alb LHC...............................................................-

3.3.2. Phycobilisome....................................................................97

3.4. Photosystem I.........................................................................99

3.4.1 Structure of PSI.................................................................100

3.4.2 . Inactivation of PSI...........................................................103

3.5. Photosystem II.........................................................................-

3.5.1. Structure of PSII...............................................................104

3.5.2. Inactivation of PSII............................................................106

3.5.3. Facultatively oxygenic phototrophy..............................................114

3.6. Evolution of photosystems............................................................116

3.7. Mediators of electron-protonophore chain.............................................121

3.7.1. Cytochrome ^//-complex............................................................-

3.7.2. Mediators associated with PSI...................................................124

3.7.3. Mediators associated with PSII..................................................130

3.7.4. Oxygen-evolving complex.........................................................131

3.8. ATP-synthase.........................................................................136

CHAPTER 4. BIOGENESIS OF OXYGENIC PHOTOSYNTHETIC APPARATUS................................141

4.1. Biosynthesis of plastidic lipids and biogenesis of thylakoid lipid mathrix ............-

4.2. Post-translational targeting of plastidic proteins...................................143
CHAPTER 5. BIODIVERSITY AND PHYLOGENY OF OXYGENIC PHOTOTROPHS.........................151

5.1. Cyanobacteria...................................................................153

5.1.1. Cyanobacteria sensu stricto................................................161

5.1.2. Prochiorophytes............................................................170

5.2. Energy-assimilating xenosomes...................................................176

5.2.1 Plastids....................................................................178

5.2.1.1. Cyaneiles.............................................................180

5.2.1.2. Simple plastids.......................................................183

5.2.1.3. Complex plastids......................................................189

5.2.1.4. Specialized plastids..................................................196

5.2.2 . Mitochondria..............................................................198

CONCLUSION...............................................................................202

REFERENCES...............................................................................211

SUMMARY..................................................................................231
Учебное издание

Александр Васильевич Пиневич

Светлана Геннадиевна Аверина

ОКСИГЕННАЯ ФОТОТРОФИЯ

Руководство по эволюционной клеточной биологии

Редактор Т.Н. Пескова

Художественный редактор Е.И. Егорова
Лицензия ИД Ks 05679 от 24.08.2001

Подписано в печать 16.05.2002. Формат 70x1 ОО1/^.

Бумага офсетная. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 19,18. Уч.-изд. л. 22,42.

Тираж 300 экз. Заказ ш.

Издательство СПбГУ. 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9

Тел. (812) 328-77-63; факс (812) 328Л4-22

E-mail: books@dk2478.spb.edu

www.unipress.spb.ru

ЦОП типографии Издательства СПбГУ
199034, С.-Петербург, наб. Макарова, 6