See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/276929324 Фикобилисомы и фикобилипротеины цианобактерий Article in Mikrobiologiia · January 2015 DOI: 10.7868/S0026365615020159 CITATIONS READS 0 1,164 3 authors, including: Dmitry Zlenko Lomonosov Moscow State University 67 PUBLICATIONS 379 CITATIONS SEE PROFILE Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Phycobilisome Structure View project All content following this page was uploaded by Dmitry Zlenko on 14 May 2016. The user has requested enhancement of the downloaded file. МИКРОБИОЛОГИЯ, 2015, том 84, № 2, с. 131–143 ОБЗОРЫ УДК 577.1122+577.122 ФИКОБИЛИСОМЫ И ФИКОБИЛИПРОТЕИНЫ ЦИАНОБАКТЕРИЙ © 2015 г. И. Н. Стадничук*, 1, П. М. Красильников**, Д. В. Зленко** *Институт биохимии им. А.Н. Баха Российской академии наук, Москва **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет Поступила в редакцию 11.08.2014 г. У цианобактерий фикобилисомы (ФБС) выполняют функцию антенны в пигментном аппарате фо тосинтеза. Они сформированы ярко окрашенными белкамификобилипротеинами (ФБП), являясь гигантскими надмолекулярными комплексами, достигающими массы 3000–7000 кДа и аккумули рующими в себе от 200 до 500 ковалентно связанных с белком фикобилиновых хромофоров. Извест но более десяти различных ФБП, разделяемых на три группы: фикоэритрины, фикоцианины и ал лофикоцианин. С помощью бесцветных линкерных белков имеющие форму полых дисков тримеры и гексамеры ФБП состыковываются в цилиндры, затем собираемые в ФБС. Типичные полудиско видные ФБС состоят из центральной части – ядра, образованного тремя цилиндрами аллофикоци анина, и шести боковых цилиндров, составленных другими ФБП и состыкованных в виде веера с ядром. Число, размеры и пигментный состав ФБС зависят от световых и иных условий обитания цианобактерий. ФБС обладают рядом преимуществ в светопоглощении перед другими антеннами, но являются более энергозатратными пигментбелковыми комплексами по сравнению с хлорофилл a/b и хлорофилл a/cпротеинами оксигенных фотосинтетиков. Ключевые слова: аллофикоцианин, фикобилины, фикобилипротеины, фикобилисомы, цианобактерии. DOI: 10.7868/S0026365615020159 1 Название цианобактериям (синезеленым во дорослям) дано по окраске, обусловленной пиг ментированными белками фотосинтетического аппарата фикобилипротеинами (ФБП). Содер жание ФБП в клетках достигает 60% массы всех водорастворимых белков или 20% общего сухого веса. Кроме цианобактерий, ФБП найдены у баг рянок и глаукофитовых водорослей, где они со браны в ФБС, и у криптофитовых водорослей, где эти пигменты не образуют ФБС и отличаются ря дом других особенностей. ФБП стали известны с первой половины 19го века, когда был получен первый из них, фикоцианин [1], и с тех пор слу жат объектами изучения. ФИКОБИЛИНЫ Хромофоры ФБП аналогичны по химическо му строению пигментам желчи, билинам, и пото му названы фикобилинами. ФБП также нередко именуют билинами, фикобилинами или били протеинами, хотя во избежание разночтений же лательно использование точных названий. 1 Автор для корреспонденции (email: stadnichuk@mail.ru). Распространение билиновых пигментов Пигменты с химическим строением билинов найдены у бактерий, высших растений и живот ных. Билины позвоночных, билирубин и би ливердин IХα, концентрируются в желчи как продукты расщепления гема из гемоглобина кро ви. В клубеньках бобовых растений присутствует леггемоглобин и продукт его катаболизма – лег холеглобин, хромофором которого также являет ся биливердин IХα. У фотосинтезирующих орга низмов, начиная фотобактериями и заканчивая высшими растениями, светозависимые процессы регулируются фитохромом и другими фоторецеп торными белками. Простетическими группами этих фоторецепторов служат фитохромобилин и его аналоги, называемые бактобилинами и фико хромобилинами. Для других природных билинов характерны функции, связанные с цветностью этих соединений. Как пигмент защитной окраски биливердин IXα находится в яичной скорлупе птиц, в покровах пиявок, в раковинах моллюс ков, в крыльях ряда бабочек и в покровах их личи нок. Кроме того, пигмент найден в плавниках и мышцах рыб, в скелете голубых кораллов, в тка нях пауков, многоножек и других членистоногих. Биливердин IХα присутствует в клетках дрожжей и иных грибов. Его гомолог, биливердин IХγ, об наружен у чешуекрылых, и еще один билин, тур 131 132 СТАДНИЧУК и др. (а) NH Cys HOOC H3C S CO H H3C A N H O COOH H H C N B N H D N H O D N H O (б) NH Cys HOOC H3C S CO H H3C A N H O COOH H H C N B N H (в) H3C O NH Cys S COOH H3C COOH H3C H CO NH CO Cys S H3C A N H H H B N H C N D N H O Рис. 1. Химическое строение нативных фикобили нов, соединенных через пиррольное кольцо А тио эфирной связью с цистеиновыми остатками апопро теина: а – фикоцианобилин; б – фикоэритробилин; в – фикоуробилин с дополнительной тиоэфирной связью в кольце D. бовердин, – в раковинах улиток. Сообщения о но вых фитохромобилинах продолжают поступать [2]. Химическое строение фикобилинов Фикобилины относятся к нециклическим, или незамкнутым, или линейным, тетрапирролам, в основе химического строения которых лежат че тыре пиррольных кольца, соединенных α, β и γмоноуглеродными мостиками. Пиррольные кольца молекул обозначаются заглавными латин скими буквами: одно из крайних колец как кольцо А и три последующих – в алфавитном порядке. Два крайних пиррольных кольца, т.е. кольца A и D, несут по одному атому кислорода. Средние пиррольные кольца В и С связаны с остатками пропионовой кислоты. Иногда в обозначения хи мических формул вводят римские цифры (напри мер, биливердин IХα), наследуемые линейными тетрапирролами от их циклических аналогов, имеющих нумеруемые изомеры, но у фикобили нов предпочтение отдается тривиальным назва ниям. Молекулярная масса этих соединений близ ка к 600. В состав молекул фикобилинов, в отличие от гемов и хлорофиллов, не входят атомы металлов [3]. Для цианобактерий известны четыре различ ных фикобилина: фикоцианобилин, фикоэ ритробилин, фикоуробилин и фиковиолобилин [4]. В ФБП эти хромофоры соединены тиоэфир ными связями с остатками цистеина (рис. 1). Ко валентная связь с цистеином реализуется в коль це А. Фикоэритробилин и фикоуробилин кроме одинарной могут иметь вторую ковалентную связь с белком в кольце D [4, 5]. Биосинтез фикобилинов Путь биосинтеза фикобилинов до стадии об разования протопорфирина IX совпадает с син тезом хлорофиллов и до стадии образования протогема – с синтезом гемов [6]. Единым пред шественником всех порфириновых производных является 5аминолевулиновая кислота, пятиугле родный скелет которой которой происходит либо от глицина и сукцинилКоА (путь Шемина), либо от глутамата (С5путь). Радиоизотопные исследо вания показали, что цианобактерии используют С5путь биосинтеза [6]. Дальнейший путь вклю чает в себя последовательное образование порфо билиногена, уропорфириногена III, копропор фириногена III и протопорфирина IX, молекула которого обладая плоской геометрической фор мой, способна в центральной части своего коль цевого остова соединяться с ионами различных металлов. Включение в молекулу атома магния приводит к образованию Mgпротопорфирина, в цепи дальнейших превращений которого образу ются все хлорофилллы и бактериохлорофиллы (за исключением Znбактериохлорофилла) (рис. 2). Соединение протопорфирина IX с двухвалент ным железом приводит к формированию прото гема (рис. 2) и затем всех остальных гемов. Били ны образуются из протогема разрывом одного из углеродных мостиков молекулы с удалением из нее атома железа. Реакция, управляемая гемок сигеназой, замечательна двухэтапным использо ванием в ней трех молекул О2 [6], что позволяет судить об эволюционной последовательности возникновения хлорофилльной и фикобилино вой ветвей синтеза пигментов. Поскольку в по следней ветви требуется кислород, который, стал накапливаться в атмосфере лишь с появлением оксифототрофов, обладающих хлорофиллом, то МИКРОБИОЛОГИЯ том 84 №2 2015 ФИКОБИЛИСОМЫ И ФИКОБИЛИПРОТЕИНЫ ЦИАНОБАКТЕРИЙ фикобилины, вероятнее всего, появились позже, чем хлорофилл [7]. На заключительных этапах биосинтеза восста новление пиррольных колец А или D в биливер дине IХα под действием ферредоксинзависимых билиновых редуктаз приводит к образованию того или иного из четырех различных фикобилинов [8]. Последующая сшивка тиоэфирной связью фико билиновых хромофоров и цистеиновых остатков апопротеинов происходит с помощью трех групп лиаз. Одни из лиаз специфичны по отношению к тому или иному из четырех фикобилинов, другие проявляют специфичность к местонахождению цистеиновых остатков в первичной структуре апопротеинов, третьи – высокоспецифичны и осуществляют связь только конкретного фикоби лина с конкретными цистеинами в молекулах от дельных фикобилипротеинов [5]. Биосинтез фикобилинов – важнейший мета болический путь в клетках цианобактерий, по скольку содержание хлорофилла у фотосинтети ков в сотни и тысячи раз превосходит суммарное содержание гемов, а количество фикобилинов в несколько раз превышает уровень хлорофилла. Наряду с синтезом хлорофиллов, гемов и билинов еще одной ветвью биосинтеза замкнутых и ли нейных тетрапирролов, известной для прокариот, является метаболический путь, ведущий свое на чало от уропорфириногена III (рис. 2) к сирогид рохлорину и его производным [3]. ФИКОБИЛИПРОТЕИНЫ ФБП стали первыми белками цианобактерий, полученными в чистом виде. Яркий цвет, высокое содержание в клетке, водорастворимость, отно сительная простота выделения сделали их излюб ленными объектами белковой химии. Достаточно отметить [9], что ФБП использовались Сведбер гом в первых работах 1920х годов как наиболее удобные модельные соединения для определения молекулярной массы белков методом ультрацен трифугирования. Разнообразие фикобилипротеинов У цианобактерий и багрянок найдено более десяти разных ФБП. Сначала эти белкипигмен ты идентифицировали по окраске: синий фико билипротеин цианобактерий получил название фикоцианина, а имеющий красный цвет фикоби липротеин красных водорослей был назван фико эритрином. Позже выяснилось, что у багрянок также присутствует синий фикобилипротеин, а у ряда видов цианобактерий есть фикоэритрин, и оба пигмента не идентичны двум ранее обнару женным. Поэтому в названиях одинаково окра шенных фикобилипротеинов цианобактерий и багрянок были использованы префиксы “С” и МИКРОБИОЛОГИЯ том 84 №2 2015 133 5Аминолевулинат Уропорфириноген III Копропорфириноген III Протопорфирин IX +Fe Протогем IX +Mg Хлорофиллы –Fe +O2 Биливердин IX Гемы Фикобилины Рис. 2. Краткая схема биогенеза трех основных ветвей природых тетрапирролов: хлорофиллов, гемов и фи кобилинов. “R” (Сфикоцианин, Сфикоэритрин, Rфико цианин и Rфикоэритрин) от латинских обозна чений Cyanophyta – синезеленые водоросли, и Rhodophyta – красные водоросли. Традиция бук венных латинских обозначений для ФБП по воз можности сохраняется (табл. 1). По совокупности данных об апопротеинах и составе хромофорных групп все фикобилипротеины разбиваются на три класса: 1) аллофикоцианин; 2) фикоцианины (включая фикоэритроцианин) и 3) фикоэритрины. Полипептиды фикобилипротеинов Молекулы ФБП состоят из α и βполипеп тидных субъединиц в соотношении 1 : 1. Молеку лярная масса меньшей, αсубъединицы, состав ляет 16–17 кДа, масса βсубъединицы, большей по величине, равняется 18–19 кДа. ФБП относятся к кислым белкам с изоточкой при 4.25–4.85 ед. рН. Между двумя субъединицами отсутствуют сшивки дисульфидными мостиками, так как остатки ци стеинов в апопротеине задействованы в тиоэфир ных связях с хромофорными группами. Согласно данным о первичной структуре, α и βсубъеди ницы гомологичны. Степень гомологии α и βполипептидов, принадлежащих одному фико билипротеину, превышает 25–30%. Особо высо кой консервативностью отличаются участки, со 134 СТАДНИЧУК и др. Таблица 1. Фикобилипротеины цианобактерий Фикобилипотеин Распространение среди цианобактерий Аллофикоцианин (APC, или АР)* Все виды цианобактерий Сфикоцианин (CPC) Почти все виды цианобактерий Фикоэритроцианин (PEC) Некоторые виды цианобактерий RIIфикоцианин (RII PC) Некоторые виды цианобактерий RIIIфикоцианин (RIII PC) Некоторые виды цианобактерий Сфикоэритрин (CPE)** Около трети видов цианобактерий СUфикоэритрины (CUPE)*** Некоторые виды цианобактерий * В скобках указаны общепринятые аббревиатуры фикобилипротеинов. ** Сфикоэритрин – фикоэритрин, содержащий только фикоэритробилиновые хромофоры. *** CUфикоэритрины – общее название фикоэритринов, содержащих два вида хромофоров, фикоэритробилин и фикоуробилин. стоящие из аминокислот, расположенных вокруг остатков цистеина, связанных с фикобилиновы ми хромофорами. Совокупность данных о пер вичной структуре указывет на появление всех групп фикобилипротеинов вследствие дуплика ции одного родоначального гена [10]. Первая ду пликация дала разделение родоначального поли пептида на α и βсубъединицы. В результате сле дующей, уже двойной дупликации произошло разделение на две пары: α и βполипептиды ал лофикоцианина и α и βсубъединицы, давшие начало всем остальным фикобилипротеинам. Наконец, третья дупликация привела к появле нию семейства фикоцианинов и семейства фико эритринов [10, 11]. Хромофорный состав фикобилипротеинов Главным признаком, позволяющим считать тот или иной белокпигмент индивидуальным ФБП, служит качественный и количественный состав хромофоров. Четыре различных фикоби лина встраиваются в апопротеиновый остов в числе от одного до трех хромофоров на один α или βполипетид [4]. Цистеиновые остатки, обра зующие связь с хромофорами, строго фиксирова ны в первичной структуре. Обязательными в свя зывании любого ФБП с хромофорами являются Cysα84 и Cysβ84 аминокислоты. Другие хромо форные группы включаются в первичную струк туру около Сконца α или βполипептидов на уровне 150х аминокислотных остатков, и ближе к Nконцу – на уровне 50х остатков. Число хро мофоров в (αβ)1мономере соответствует разде лению фикобилипротеинов на три класса: 1) ал лофикоцианин имеет два хромофора; 2) фикоци анины и фикоэритроцианин несут по три хромофора и 3) фикоэритрины содержат пять или шесть хромофорных групп (табл. 2). Сочетания хромофоров в ФБП ограничены возможностями их взаимодействия в миграции поглощенной энергии. Наибольшее разнообразие белковпиг ментов создается фикоэритринами, имеющими в разных сочетаниях хромофоры двух типов: фико уробилин и фикоэритробилин [4, 5]. Агрегаты и кристаллы фикобилипротеинов Для ФБП характерна выраженная способность к агрегации. Уже в концентрации, близкой к 10–7 М, ФБП образуют (αβ)1мономеры, или, точнее гово ря, (αβ)гетеродимеры. Самопроизвольная агрега ция не обрывается на мономерах, и при содержа нии белка, равном 10–6 М, в растворах преоблада ют (αβ)3тримеры и (αβ)6гексамеры. ФБП легко кристаллизуются; кристаллы выглядят как яркие самоцветы, что всегда привлекало внимание ис следователей. Упаковка тримеров и гексамеров ФБП в кристалле может приводить к различным группам симметрии. Согласно рентгеноструктур ным данным, α и βполипептидные субъедини цы содержат по восемь αспиральных участков, за счет шести из которых формируется общая гло биновая структура этих белков. Хромофорные группы располагаются в промежуткахкарманах между αспиралями. Образование (αβ)1мономе ров, принимающих форму бумеранга, происхо дит за счет взаимодействия двух оставшихся αспиралей и двух имеющихся шпилек каждой субъединицы [12]. За счет гидрофобных контак тов между αсубъединицей одного мономера и βполипептидом соседнего три (αβ)1мономера замыкаются в кольцеобразный тример. Тримеры имеют вид плоских дисков диаметром 11.5 и тол щиной 3 нм с центральной полостью треугольной формы, также равной в поперечнике 3 нм. Плос кие поверхности дисковидных тримеров, слипа МИКРОБИОЛОГИЯ том 84 №2 2015 ФИКОБИЛИСОМЫ И ФИКОБИЛИПРОТЕИНЫ ЦИАНОБАКТЕРИЙ 135 Таблица 2. Хромофорный состав α и βполипептидов в фикобилипротеинах цианобактерий Цистеиновые остатки и связанные с ними хромофоры Фикобилипротеины Cysα75* Cysα84 Cysα143 Cysβ50,61 Cysβ84 Cysβ155 Аллофикоцианин PCB** PCB Сфикоцианин PCB PCB PCB Фикоэритроцианин CVB PCB PCB RIфикоцианин PCB PCB PEB RIIфикоцианин PEB PCB PEB RIIIфикоцианин PUB PCB PCB Фикоэритрины класса I*** PEB или PUB PEB или PUB PEB или PUB PEB PEB или PUB PEB или PUB PEB или PUB PEB или PUB PEB PEB Фикоэритрины класса II PUB * Остатки цистеина, с которыми ковалентно связаны хромофоры в α и βполипептидах ФБП, обозначены как Cysα и Cysβ с указанием номера остатка в полипептидной цепи. ** Аббревиатуры хромофоров: PCB – фикоцианобилин; PEB – фикоэритробилин; PUB – фикоуробилин; CVB – фиковио лобилин (криптовиолобилин). *** Фикоэритринами класca I называют С и СUфикоэритрины, содержащие на (αβ)1мономере апопротеина пять хромо форов; фикоэритринами класca II – фикоэритрины с шестью хромофорами. ясь, образуют (αβ)6гексамеры толщиной 55–60 нм. Слипание происходит “лицом к лицу”; наружные поверхности получаемых гексамеров, наоборот, ли шены возможности взаимодействия. Размеры и форма дисковидных агрегатов в растворах, в кри сталлах и выявляемых с помощью электронной микроскопии в составе ФБС полностью совпада ют [13, 14]. ФИКОБИЛИСОМЫ Более сотни лет прошло со времени, когда бы ли выделены первые фикобилипротеины, до мо мента, когда удалось в виде ФБС локализовать их нахождение в клетке. ФБС оказались сверхги гантскими пигментбелковыми комплексами, имеющими массу 3000–7000 кДа и по размерам в дватри раза превышающими рибосомы. Распо ложение фикобилисом на поверхности тилакои дов также напоминает расположение рибосом на шероховатом ретикулуме [14]. Структура фикобилисом ФБС были выявлены Е. Гант и С. Конти [15] на электронных микрофотографиях клеточных сре зов с увеличением в 10000–20000 раз как грану лы, находящиеся на наружной стороне внутрен ней мембраны тилакоидов. ФБС легко диссоции руют на составляющие их компоненты. Для предотвращения диссоциации ФБС в ходе выде ления в градиенте плотности сахарозы требуется поддержание температуры, равной 20–23°C, и МИКРОБИОЛОГИЯ том 84 №2 2015 высокой ионной силы буферных растворов, рав ной 0.7–0.9 М. Пигментный состав ФБС совпада ет с суммарным составом выделяемых клеточных фикобилипротеинов. На микрофотографиях ФБС у большинства цианобактерий имеют вид полудисков и носят название полудисковидных. В центре полудиска располагаются три цилиндра длиной 12–15 нм и диаметром каждый около 11 нм, имеющие в сечении общий треугольный контур. Перпендикулярно к боковым сторонам треуголь ника примыкают торцами, располагаясь равно мерно по полукругу в виде веера, шесть более длинных цилиндров того же диаметра. Централь ная трехгранная часть ФБС называется ядром, а периферическая названа так, как выглядит, – бо ковыми цилиндрами. Каждый из трех цилиндров ядра состоит из состыкованных друг с другом плоскими сторонами четырех тримеров, а боко вые цилиндры – из нескольких состыкованных гексамеров ФБП. Расположение разных ФБП внутри полудисковидных ФБС было выяснено на примере красной микроводоросли Rhodella viola: cea, содержащей Вфикоэритрин, Сфикоцианин и аллофикоцианин. Ступенчатым уменьшением молярной силы раствора, содержащего ФБС, уда лось отделить боковые цилиндры от ядра и, сопо ставляя биохимические и электронномикроско пические данные, показать, что боковые цилин дры не содержат аллофикоцианина, целиком сосредоточенного в ядре. Последующая диссоци ация боковых цилиндров на гексамеры показала, что их наружные части состоят из гексамеров фи коэритрина, а проксимальная часть, примыкаю 136 СТАДНИЧУК и др. структурных генов ФБС может возрастать при мерно до 30. Гены линкерных белков обычно об разуют единые рамки считывания с генами α и βполипептидов [18]. PE PC PC 6.0 нм 3.0 нм 11.5 нм 12.0 нм APC Боковой цилиндр Трехцилиндровое ядро Рис. 3. Строение полудисковидных фикобилисом, состоящих из аллофикоцианинового трехцилиндро вого ядра и шести боковых цилиндров, образованных состыкованными гексамерами фикоцианина и фико эритрина (APC – aллофикоцианин, PC – фикоциа нин, PE – фикоэритрин). щая к аллофикоцианиновому ядру, образована фикоцианином [16]. Это классическое, подтвер жденное во всех случаях изучения ФБС, распре деление ФБП (рис. 3). Линкерные полипептиды фикобилисом Самоагрегация ФБП в растворе заканчивается образованием тримеров и гексамеров. В ФБС обеспечивается дальнейшая сборка этих агрега тов, соединяемых в определенном порядке благо даря линкерным белкам в цилиндры. Электрофо ретическое разделение компонентов ФБС показа ло, что 12–15% суммарного белка составляют линкерные полипептиды [17]. Линкеры подразде ляются на несколько групп. LRлинкеры массой 25–30 кДа обеспечивают последовательность со стыковки гексамеров в боковых цилиндрах. LRTтерминирующий полипептид массой около 10 кДа обрывает удлинение боковых цилиндров на определенном числе ФБПгексамеров. LRCлин керы массой ~30 кДа связывают торцы боковых цилиндров с ядром фикобилисомы. LСполипеп тиды массой 7–9 кДа терминируют цилиндры яд ра. LCMякорные полипептиды массой 77–130 кДа в числе двух молекул на ФБС связывают в единый ансамбль цилиндры ядра и участвуют в контакте ядра с тилакоидной мембраной [18]. Данных о ло кализации линкеров в ФБС недостаточно, но, по многочисленным косвенным указаниям, линкер ные полипептиды связаны с центральными поло стями в агрегатах ФБП. Большинство линкеров – бесцветные белки. У LCMполипептида есть единственный фикоцианобилиновый хромофор, выполняющий функцию терминального эмиттера энергии в ядре ФБС. Благодаря линкерам число Морфологические разновидности фикобилисом Длина боковых цилиндров ФБС может варьи ровать от одного до четырехпяти и даже семи гексамерных дисков, что зависит от вида ци анобактерий и условий роста. Изменения длины боковых цилиндров не считаются вариациями морфологии. Ядро служит фиксированной по размерам частью ФБС и, если число аллофикоци аниновых цилиндров в нем отлично от трех, то каждый такой случай рассматривается как мор фологическая разновидность [19]. Известны три вариации морфологии. У ци анобактерии Anacystis nidulans ядро ФБС редуци ровано до двух аллофикоцианиновых цилиндров, примыкающих к мембране тилакоида. У другого вида, Anabaena variabilis, ядро увеличено до пяти цилиндрических элементов, расположенных в три этажа (2 + 2 + 1). У Gloeobacter violaceus ядро также имеет пять цилиндрических элементов, в виде усеченной пирамиды (3 + 2) примыкающих к мембране. ФБС G. violaceus названы пучковид ными, так как шесть боковых цилиндров собраны в два пучка по три и, примыкая к ядру, напомина ют закрытый, а не открытый веер. Число цилин дров ядра коррелирует с массой LCMякорного полипептида фикобилисом [13]. У глаукофито вых и части видов одноклеточных красных водо рослей ФБС обладают классической полудиско видной формой. К ним относятся уже упомяну тый вид R. violacea и водоросли из класса экстремофилов Cyanidiophyceae. У макрофитных красных водорослей размеры ФБС в 2.0–2.5 раза больше, чем у полудисковидных. Строение на званных полуэллипсоидальными ФБС красных водорослей изучено недостаточно, но существует довольно правдоподобное предположение, что ФБС красных водорослей формируются в клетке как сдвоенные полудисковидные. С этим сочета ются данные о наличии полуэллипсоидальных фикобилисом у цианобактерии Phormidium per: sicinum [19]. Пигментные типы фикобилисом Ядро как центральная часть ФБС содержит только аллофикоцианин. Вариации в составе пигментов возникают за счет боковых цилин дров. Примерно у 2/3 видов цианобактерий боко вые цилиндры ФБС образованы только Сфико цианином и, тем самым, ФБС состоят из двух белковпигментов. Трехпигментные ФБС фор мируются за счет присоединения к Сфикоциа нину фикоэритроцианина или Сфикоэритрина, МИКРОБИОЛОГИЯ том 84 №2 2015 ФИКОБИЛИСОМЫ И ФИКОБИЛИПРОТЕИНЫ ЦИАНОБАКТЕРИЙ или CUфикоэритрина. Доля С и СUфикоэ ритринов, если они находятся в ФБС, как прави ло, очень высока, что придает клеткам красный цвет. У некоторых видов цианобактерий Сфико цианин замещается RIIфикоцианином, кото рый сочетается с CUфикоэритрином. Четырех пигментный вариант фикобилисом только один, он возникает за счет объединения в цилиндрах Сфикоцианина с C и CUфикоэритринами. Ес ли рассматривать отдельно каждый из известных CUфикоэритринов, то общее число пигментных вариаций может резко возрасти. Целесообразным представляется различение четырех пигментных типов ФБС (рис. 4, [19]). ПЕРЕДАЧА ПОГЛОЩЕННОЙ ЭНЕРГИИ В ФИКОБИЛИСОМАХ Главными функциями ФБС являются абсорб ция световых квантов и передача поглощенной энергии хлорофиллу. Существует иерархия фак торов, которые обеспечивают светопоглощение и минимизируют потери переносимой энергии [13]. К ним относятся: 1) число конъюгированных свя зей в молекулах фикобилинов; 2) геометрическая форма молекул фикобилинов, поддерживаемая белковым микроокружением; 3) влияние линкер ных белков на спектральные свойства хромофо ров; 4) сближенность и взаимоориентация хромо форов в ФБС; 5) наличие терминальных акцепто ров энергии в ядре ФБС. Спектральное положение абсорбционных по лос для четырех фикобилиновых хромофоров определяется числом конъюгированных двойных связей их молекул: чем связей меньше (рис. 1), тем короче длина волны поглощения. Максимум поглощения фикоуробилина в видимой области спектра у ФБП расположен при 498 нм, фико эритробилина – при 560 нм, фиковиолобилина – при 570 нм и фикоцианобилина – при 620–665 нм. Билины, в отличие от хлорофиллов, легко меняют геометрию молекул. В ФБП хромофоры приобре тают вытянутую форму, близкую к линейной. На тивная геометрия поддерживается гидрофобны ми силами, водородными связями и солевыми мостиками между хромофорами и апопротеинами. В результате коэффициенты экстинкции натив ных фикобилинов в видимой области спектра увеличиваются и становятся сравнимыми с коэф фициентом экстинкции хлорофилла в красной по лосе поглощения или превышают его. Линкерные белки ФБС, взаимодействуя с соседними с ними хромофорами, обеспечивают корректирующий, в пределах нескольких нм, длинноволновый сдвиг поглощения в направлении от периферии боко вых цилиндров к ядру фикобилисомы, что оказы вается достаточным для ориентированного стока энергии [18, 20]. Расстояние между молекулами хромофоров в составе (αβ)1мономеров ФБП со МИКРОБИОЛОГИЯ том 84 №2 2015 137 CUPE CPC CPC Один из PE Один из PC APC APC APC APC 1 2 3 4 PEC CPE Один из PC Рис. 4. Четыре пигментных типа цианобактериаль ных фикобилисом. Ядро фикобилисомы, содержащее аллофикоцианин, изображено в виде эллипса; боко вые цилиндры с возможными вариациями состава пигментов изображены в виде соприкасающихся прямоугольников. АРС – аллофикоцианин; СРС – Сфикоцианин; РЕС – фикоэритроцианин; РС – фикоцианин(ы); РЕ – фикоэритрин(ы). ставляет от 2 до 4–5 нм. Между тесно сближенными хромофорами возникает экситонное взаимодей ствие, ведущее к красному смещению спектраль ных полос и ускоряющее миграцию поглощенной энергии между хромофорами [21]. Сток поглощенной энергии, благодаря факто рам спектральных сдвигов и одновременному функционированию нескольких каналов мигра ции между разными парами хромофоров в ФБП и ФБС, в целом, прекрасно зарегулирован. Вре менные интервалы передачи энергии от хромо фора к хромофору сокращаются от 500 пикосе кунд в мономерах до 0.5–1.0 пикосекунды в три мерах и гексамерах, что минимизирует потери передаваемой энергии. Общие потери, оценивае мые для фикобилисом с помощью разных спек тральных методов, не превышают 5% [19–21]. Об эффективности миграции свидетельствует то, что выход флуоресценции фикобилипротеинов в рас творах составляет 50–80%, а в клетках флуорес ценция почти полностью затушена. В гигантском ансамбле хромофоров энергия перетекает по на правлению от боковых цилиндров к ядру ФБС и да лее к реакционным центрам фотосинтеза по схе ме: фикоэритрин → фикоцианин → аллофико цианин → концевые хромофорыэмиттеры → → хлорофилл. Связь фикобилисом с фотосистемами I и II Еще в конце XIX века в изящных опытах Т. Эн гельмана было показано, что при освещении нит чатых цианобактерий светом, разлагаемым в спектр, распределяемый вдоль филаментов, вы деление О2 было наибольшим в участках нитей, на которые падали лучи с длинами волн 570–630 нм, поглощаемых ФБП [22]. Присутствие интенсивных 138 СТАДНИЧУК и др. полос ФБС в спектрах действия фотосинтеза, ре гистрируемых по выделению О2, способствовало устоявшемуся мнению о связи ФБС в качестве антенны преимущественно или даже исключи тельно с фотосистемой II. В дальнейшем обнару жение диффузионной подвижности ФБС на по верхности тилакоидов, отсутствие специфиче ских белков связывания ФБС и фотосистемы II, спектры действия фотосистемы I, указывающие на участие ФБС в ее функционировании, и ряд других данных показали, что ФБС передают по глощенную энергию обеим фотосистемам (см., например, [23]). Флуоресценция нативных ФБС, в отличие от растворов, минимальна, что говорит об отсутствии в тилакоидах ФБС, свободных от связи с комплексами фотосистем. СВЕТОВАЯ РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФИКОБИЛИСОМ Оксигенные фотосинтетики выработали мно гочисленные приспособления к смене интенсив ности и спектрального состава света. Многообра зие световых адаптаций вызвано исключительной ролью света в жизни фотосинтетиков и разнооб разием световых условий обитания. Среди ци анобактерий обнаружены растущие на свету чуть более 1 мкЕ м–2 с–1 и виды тропических водоемов, обитающие на солнечном свету 1700 мкЕ м–2 с–1. Для большинства видов пресноводного планкто на средних широт фотосинтез оптимален при освещенности, равной 70–200 мкЕ м–2 с–1. Кле точные механизмы адаптаций могут быть различ ными, но во всех случаях реализуются две основ ные стратегии: 1) увеличение светопоглощения при нехватке света или его уменьшение при из бытке освещенности; 2) достижение баланса в поглощении света фотосистемой I и фотосисте мой II. Поставляя цианобактериям основное ко личество квантов, ФБС вызвали выработку серии световых адаптаций на молекулярном и клеточ ном уровнях. Приспособительные реакции, за трагивающие ФБС, разбиваются на две группы. Первая из них – медленные световые адаптации, происходящие по мере деления клеток за время от нескольких часов до нескольких суток. Второй тип реакций – быстрые световые адаптации, воз никающие за несколько минут с обратным разви тием в течение десятков минут при возвращении к прежним световым условиям. Медленные световые адаптации К медленным световым адаптациям ФБС отно сятся: 1) изменение содержания ФБС и хлорофилла в клетке с сохранением их соотношения; 2) измене ние соотношения ФБС/хлорофилл; 3) изменение размеров ФБС; 4) комплементарная хроматическая адаптация; 5) обратная хроматическая адаптация. Для медленных адаптаций характерно восприятие светового сигнала фикохромами с последующей ре гуляцией биосинтеза ФБП на уровне транскрип ции. Вторым триггером изменений служит редокс состояние цепей фотосинтетического электрон ного транспорта, прежде всего степень окислен ности пула пластохинонов, перенасыщаемых на ярком свету электронами [24]. 1) Возрастание интенсивности света примерно на полтора порядка, в большинстве случаев, счи тается лежащим в пределах физиологической клеточной нормы, когда уровень фотосинтеза ли нейно зависит от освещения. При этом у ци анобактерий происходит сокращение числа кле точных тилакоидов с сохранением содержания ФБС и хлорофилла на единицу площади тилако идной мембраны. Неоднократные подсчеты пока зывают, что в физиологических условиях на 1 мкм2 тилакоидной мембраны в среднем приходится до 1200 полудисковидных ФБС [19]. 2) На свету низкой интенсивности, недоста точной для клеточной потребности в усвоении СО2, в пигментном аппарате возрастает содержа ние фотосистемы II. Соотношение между ФБС и хлорофиллом в связанных с ФБС димерах фото системы II в 2.7 раза выше, чем между ФБС и хло рофиллом в связанных с ФБС тримерах фотоси стемы I [23]. Поэтому процесс адаптации сопро вождается увеличением количества ФБС по отношению к суммарному хлорофиллу. Димеры фотосистемы II имеют меньшие размеры, чем тримеры фотосистемы I, и тем самым на единицу площади тилакоида в этих условиях приходится большее число комплексов фотосистемы II и большее число связанных с ними ФБС. 3) Одновременно с регуляцией численности ФБС в клетке могут регулироваться их размеры, что происходит за счет наращивания длины боко вых цилиндров ФБС на слабом свету или их уко рочения на ярком свете. Если ФБС содержат фи коэритрин, то первыми при росте интенсивности света будут элиминироваться находящиеся на на ружных концах боковых цилиндров гексамеры фикоэритрина, что может отразиться на окраске клеток. Размеры аллофикоцианинового ядра ФБС, однако, светом не регулируются. Если из быток света слишком велик, происходит не со кращение размеров, а распад и элиминация ФБС. 4) Комплементарная хроматическая адаптация характерна для немногих цианобактерий и за ключается в увеличении в составе ФБС доли фико эритрина при освещении клеток зеленым светом или доли фикоцианина, если клетки находятся на красном свету. Для запуска процессов адаптации достаточно 5–10 мин освещения монохроматиче ским светом с последующим полным развитием феномена за время от трех до семи суток. МИКРОБИОЛОГИЯ том 84 №2 2015 ФИКОБИЛИСОМЫ И ФИКОБИЛИПРОТЕИНЫ ЦИАНОБАКТЕРИЙ Все цианобактерии по разновидностям ком плементарной адаптации разбиваются на четыре группы. Самую обширную составляют виды, не обладающие данным феноменом. К ним относят ся все цианобактерии, чьи ФБС не имеют фикоэ ритрина, и около трети всех фикоэритринсодер жащих видов. Ко второй, малочисленной, группе принадлежат цианобактерии, хроматическая адап тация которых осуществляется только за счет уве личения содержания фикоэритрина в ФБС на зе леном свету при поддержании биосинтеза фико цианина на одном уровне независимо от состава света. Третью группу образуют виды, в ФБС кото рых возрастает содержание фикоэритрина на зе леном свету или содержание фикоцианина при освещении красным светом [24]. Последнюю, четвертую группу, составляют морские пико планктонные цианобактерии, у которых в фикоэ ритрине в зависимости от спектрального состава света происходит замена фикоэритробилиновых хромофоров на фикоуробилин [25]. Комплементарная хроматическая адаптация является фикохромзависимым процессом, моле кулярный механизм которого, на примере ци анобактерии Fremyella diplosiphon (группа III), ис следован более полно, чем для других медленных адаптаций. Фоторецептор – светозависимая фос фокиназа, фосфорилируется на красном свету с переносом фосфатных групп по каскаду регуля торных белков к генным участкам ДНК, стимули рующим синтез фикоцианина и ингибирующим синтез фикоэритрина. На зеленом свету, в отсут ствие поступающих от фосфокиназы фосфатных групп, ингибируется синтез фикоцианина, и сни мается блок синтеза фикоэритрина. В дополнение, посттранскрипционная клеточная система, меха низм которой неясен, индуцируется зеленым светом и стимулирует синтез только фикоэритрина [26]. Тем самым внешне простой цветовой эффект взаимной замены двух фикобилипротеинов оказывается на молекулярнорегуляторном уровне многоступен чатым процессом. 5) Обратная хроматическая адаптация служит для компенсации дисбаланса в работе фотоси стем I и II при выращивании цианобактерий на монохроматическом синем свету, поглощаемом преимущественно хлорофиллом, или на свету 500–650 нм, поглощаемом ФБС. В первом случае изза того, что до 90% клеточного хлорофилла со средоточено в фотосистеме I, от относительной нехватки света в фотосистеме II страдает линей ный транспорт электронов между фотосистема ми. Во втором – доля света, получаемого фотоси стемой II, в сравнении с монохроматическим си ним светом, больше поглощаемым фотосистемой I, резко возрастает, и линейный транспорт оказыва ется избыточным. Для выравнивания светопогло щения в первом случае клетка увеличивает био синтез фотосистемы II и ФБС; во втором случае, МИКРОБИОЛОГИЯ том 84 №2 2015 139 наоборот, содержание фотосистемы II и доля ФБС по отношению к суммарному хлорофиллу cнижаются. Явление названо обратной хромати ческой адаптацией, так как в противоположность комплементарной хроматической адаптации эф фект проявляется в уменьшении, а не в увеличе нии содержания ФБП, поглощающих монохро матический свет. Обратная хроматическая адап тация рассматривается как частный случай изменения соотношения ФБС и суммарного хло рофилла в пигментном аппарате в зависимости от интенсивности падающего света, когда необхо дима коррекция электронного транспорта между двумя фотосистемами фотосинтеза [19]. Быстрые световые адаптации Быстрые обратимые световые адаптации раз виваются без участия фикохромов и без измене ний в биосинтезе пигментов. Они формируются за время не более нескольких минут, отражаясь на флуоресценции пигментного аппарата, прежде всего флуоресценции пигментной антенны. К быстрым адаптациям относятся переходы из так называемого состояния 1 в состояние 2 и кароти ноидзависимое тушение ФБС. Смена состояний 1 и 2 создает оптимальный для конкретных световых условий баланс актив ности фотосистем I и II, когда фотосинтез еще да лек от светового насыщения. Освещение синим или дальним красным светом, преимущественно поглощаемым хлорофиллом, вызывает переход клеток в “состояние 1”, с более интенсивной флу оресценцией фотосистемы II. При освещении све том, поглощаемым ФБС, возникает “состояние 2”, с большей относительной долей флуоресценции фотосистемы I. Все предложенные модели эф фекта, открытого еще в 1969 г. [27], так или иначе затрагивают ФБС. Моделями смены состояний служат “спилловер” с дополнительной передачей энергии от ФБС к фотосистеме I посредством временно возникающего контакта между коро выми комплексами двух фотосистем, обратимое перемещение ФБС в плоскости тилакоидной мембраны от фотосистемы II к фотосистеме I, а также более плотный контакт фикобилиновых хромофоров ФБС с фотосистемой II и увеличе ние миграции энергии между ними. Ни одна из моделей не объясняет в полной мере наблюдае мые изменения флуоресценции [28], но считается установленным, что непосредственным тригге ром переходов между двумя состояниями служит уровень восстановленности фотосинтетического пула пластохинонов. Каротиноидзависимое нефотохимическое ту шение флуоресценции фикобилисом, в отличие от состояний 1 и 2, обнаружено относительно не давно [29]. Цианобактериальные клетки содержат фотоактивируемый каротиноидпротеин, кото 140 СТАДНИЧУК и др. рый, связываясь с ядром ФБС, перехватывает на себя поток энергии, предназначенной хлорофил лу, и вызывает диссипацию избыточной энергии в тепло [30]. Эффект интересен тем, что ФБС явля ются водорастворимыми комплексами, а кароти ноиды липофильны. Для цианобактерии Syn: echocystis sp. PCC 6803 состояния 1 и 2 реализуются на свету, не превышающем 150–200 мкЕ м–2 с–1, а каротиноидзависимое тушение фикобилисом эффективно, начиная с 500 мкЕ м–2 с–1 [28, 30]. ность прикрепляться к субстрату, переносимость обсыхания и устойчивость к фотоингибированию при высоких освещенностях на поверхности. По этому для морей характерны флористические со общества из различных групп планктонных мик роводорослей и групп бентосных фотосинтети ков. Световыми стратегиями, которые позволяют различным водорослям конкурировать с багрян ками и цианобактериями, являются увеличение количества дополнительных пигментов в клетках и утолщение талломов для максимализации по глощения [19, 25]. ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКАЯ СВЕТОВАЯ АДАПТАЦИЯ Распределение различных видов фотобакте рий и водорослей по морским глубинам получило название филогенетической световой адаптации. Стратификация видов в океане вызвана измене ниями интенсивности и спектрального состава света, проходящего сквозь водную толщу. Свет с глубиной постепенно приобретает зеленую окраску за счет поглощения водой инфракрасно го и красного диапазонов и рассеяния световых волн в синефиолетовой части спектра. Кроме то го, планктонные виды, избирательно поглощая свет, используемый в фотосинтезе, служат цвет ным фильтром для донных организмов. ФБС иде ально приспособлены к происходящим измене ниям интенсивности и спектрального состава света. Наращивание длины боковых цилиндров ФБС увеличивает поглощение квантов, что ком пенсирует ослабление света, а изменение состава ФБП в боковых цилиндрах адаптирует клетки к спектральным световым изменениям. По соотно шению разных ФБП в составе ФБС морские ци анобактерии (и красные водоросли) образуют три группы. Первая – виды, в ФБС которых преобла дает фикоцианин, и которые занимают верхнюю эулиторальную зону. Ко второй группе принадле жат цианобактерии с преобладанием фикоэ ритрина над фикоцианином; они обитают не ни же верхней сублиторали. К третьей группе относят ся макрофитные красные водоросли, содержащие в ФБС очень мало фикоцианина, насыщенные Rфикоэритрином и обитающие не выше субли торали. В составе Rфикоэритрина велика доля фикоуробилина, имеющего максимум поглоще ния при 498 нм, что идеально подходит к прони канию в воду зеленого света. Красные водоросли являются наиболее глубоководными оксигенны ми фотосинтетиками, способными улавливать минимум проходящего света вплоть до глубины 200 м. Среди морских пикоцианобактерий также преобладают виды, содержащие тот или иной из CUфикоэритринов, т.е. фикоэритринов, несу щих фикоуробилиновые хромофоры. Условия в море зависят, наряду с глубиной, от мутности, турбулентности, минеральной насыщенности вод и других параметров. Свою роль играют способ ЭВОЛЮЦИОННАЯ СУДЬБА ФИКОБИЛИСОМ Эндосимбиотическое происхождение хлоро пластов от одноклеточных цианобактерий, веро ятнее всего, рода Synechococcus, является общепри знанным. “Проглоченные, но не переваренные” цианобактериальные клетки стали в результате первичного и повторных эндосимбиозов предше ственниками всех хлоропластов [7, 31]. Эукариот ные оксигенные фотосинтетики обладают устро енным однотипно с цианобактериями пигмент ным аппаратом хлоропластов, состоящим из комплекса фотосистемы I, комплекса фотосисте мы II и вспомогательной антенны. Высшие расте ния, зеленые и эвгленовые водоросли, содержа щие хлорофилл а/bпротеин, объединены в группу хлорофитных фотосинтетиков, а многообразная в плане систематики группа обладателей хлорофилл a/cпротеина, состоящая из макрофитных бурых и ряда систематических групп одноклеточных во дорослейэукариот, получила название хромо фитных (рис. 5). Поскольку хлоропласты проис ходят от цианобактерий, то приходится признать, что на определенном этапе становления эукарио тов произошла утрата ФБС с их заменой на хлоро филл а/b и хлорофилл a/cпротеины. Возникает вопрос о возможных причинах происшедшей сме ны антенны с эукариотизацией фотосинтеза. На личие у цианобактерий жизнеспособных фотоав тотрофных бесфикобилисомных мутантов [32] подтверждает вспомогательную роль антенны в пигментном аппарате и возможность ее смены. Важнейшим достоинством ФБС является погло щение света в более широком спектральном диа пазоне, в сравнении с хлорофилл а/b и хлоро филл a/cпротеинами. Вместе с тем на биосинтез ФБП и поддержание ФБС в составе хлоропластов клетка затрачивает слишком много энергии, в сравнении с последними двумя комплексами. С постепенной утратой подвижности, появлением первичной, а затем и вторичной клеточной стенки с выходом растений на сушу резко возросла по требность растительной клетки в усвоении СО2, что стало несовместимым с сохранением энергоза тратной ФБСантенны [7]. Среди эукариот ФБС МИКРОБИОЛОГИЯ том 84 №2 2015 ФИКОБИЛИСОМЫ И ФИКОБИЛИПРОТЕИНЫ ЦИАНОБАКТЕРИЙ 141 Цианобактерии, ФБС Первичный эндосимбиоз Пластиды глаукофитовых водорослей, ФБС Пластиды красных водорослей, ФБС Пластиды зеленых водорослей и высших растений –ФБС, +Хл a/bпротеин Вторичный эндосимбиоз Вторичный эндосимбиоз Пластиды хромофитных водорослей, –ФБС, +Хл a/cпротеин (Криптофитовые водоросли, ФБП и Хл a/cпротеин) Пластиды эвгленофитовых водорослей Рис. 5. Наследование фикобилисом и фикобилипротеинов пластидами фотосинтезирующих эукариот в результате эн досимбиоза с цианобактериями у глаукофитовых, красных и криптофитовых водорослей и эволюционная утрата фи кобилисом у остальных групп оксигенных фотосинтетиков. сохранились у красных водорослей, благодаря ФБС поглощающих на больших глубинах свет в “зеленом окне” пропускания солнечного света хлорофиллом и компенсирующих слабое разви тие клеточной стенки с помощью кальцифика ции таллома. Сохранение ФБС у глаукофит и ФБП у криптофитовых водорослей коррелирует с подвижностью их клеток и недоразвитием кле точной стенки. Малочисленность видов в двух последних водорослевых группах и вытеснение красных водорослей на максимально возможные глубины, что сужает их ареал, являются, согласно А.Н. Северцову [33], признаками биологического регресса. Наоборот, большое число видов, воз можность существовать практически во всех условиях инсоляции на поверхности земли, в почве, в морской и пресной воде, при различных температурах и в условиях экстремофилии свиде тельствуют о процветании цианобактерий, что, в значительной мере, связано с присутствием в их пигментном аппарате ФБСантенны. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Накопленная со времени обнаружения ФБС за последние полвека литература огромна и включа ет в себя около полутора тысяч различных жур нальных статей, отразить которые в полном объеме или даже избирательно невозможно. Для ознаком ления с публикациями и вопросами предыдущих лет, относящимися к ФБП и ФБС, можно рекомен довать несколько монографий [9, 19, 34]. Благодаря полному секвенированию геномов у более чем сот ни различных цианобактерий, полипептидный МИКРОБИОЛОГИЯ том 84 №2 2015 анализ ФБС теперь сочетается с изучением гене тических рамок считывания, содержащих полную информацию о составе ФБП клетки и их линке ров. Продолжается изучение последнего этапа биосинтеза фикобилинов, связанного с действием лиаз, обеспечивающих образование ковалентных тиоэфирных связей с аппопротеином, поскольку разнообразие хромофоров и мест связывания с по липептидами подразумевает избирательность дей ствия и достаточное разнообразие этих фермен тов. Должна быть осуществлена кристаллизация гидрофобных линкерных белков, крупных фико билисомных фрагментов, таких как боковые ци линдры, и, наконец, цельных ФБС. Кинетиче ские спектральные измерения в фемтосекундных временных интервалах и многофакторный спек тральный анализ позволяют проследить перенос энергии возбуждения и создать полную картину миграции энергии для нескольких сот хромофор ных групп в составе ФБС. Наряду с комплемен тарной хроматической адаптацией будут выясне ны молекулярные механизмы разнообразных приспособлений ФБС к изменениям интенсив ности и спектрального состава света. Все большее применение фикобилипротеины начинают нахо дить в биотехнологических процессах [35]. Не ис ключено, что анализ ранее не изученных из более чем 2000 видов цианобактерий позволит обнару жить новые ФБП. Работа поддержана грантом РНФ № 141400589. 142 СТАДНИЧУК и др. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Esenbeck N. Über einen blaurothen Farbstoff, der sich bei der Zersetzung von Oscillatorien bildet // Liebigs Ann. Chem. 1836. B. XVII. 75–82. 2. Ikeuchi M., Ishizuka T. Cyanobacteriochromes: a new family of tetrapyrrolebinding photoreceptors in cy anobacteria // Photochem. Photobiol. Sci. 2008. V. 7. P. 187–292. 3. Быховский В.Я., Зайцева Н.И. Микробиологиче ский синтез тетрапиррольных соединений // Ито ги науки и техн. Сер. Биол. химия. М.: ВИНИТИ, 1989. Т. 32. 175 с. 4. Glazer A.N. Light guides. Directional energy transfer in a photosynthetic antenna // J. Biol. Chem. 1989. V. 264. P. 1–4. 5. Scheer H., Zhao K.:H. Biliprotein maturation: the chromophore attachment // Mol. Microbiol. 2008. V. 68. P. 263–276. 6. Beale S.I. Enzymes of chlorophyll biosynthesis // Pho tosynth. Res. 1999. V. 60. P. 43–73. 7. Стадничук И.Н., Тропин И.В. Замена антенны в эволюционной истории хлоропластов // Микро биология. 2014. Т. 83. С. 385–402. Stadnichuk I.N., Tropin I.V. Antenna replacement in the evolutionary origin of chloroplasts // Microbiology. 2014. V. 83. P. 299–314. 8. Frankenberg N., Lagarias J.C. Biosynthesis and biolog ical functions of bilins // The Porphyrin Handbook / Eds. Kadish K.M., Smith K.M., Guillard R. Amster dam: Acad. Press, 2003. P. 211–236. 9. Стадничук И.Н. Фикобилипротеины // Итоги нау ки и техн. Сер. Биол. химия. М.: ВИНИТИ, 1990. Т. 40. 196 с. 10. Apt K.E., Collier J.L., Grossman A.R. Evolution of the phycobiliproteins // J. Mol. Evol. 1995. V. 248. P. 79–96. 11. Zhao F., Qin S. Evolutionary analysis of phycobilipro teins: implications for their structural and functional relationships // J. Mol. Evol. 2006. V. 63. P. 330–340. 12. Betz M. One century of protein crystallography: the phy cobiliproteins // Biol. Chem. 1997. V. 378. P. 167–176. 13. Adir N. Elucidation of the molecular structures of com ponents of phycobilisome: reconstructing a giant // Photosynth. Res. 2005. V. 85. P. 15–32. 14. Watanabe M., Ikeuchi M. Phycobilisome: architecture of a lightharvesting supercomplex // Photosynth. Res. 2013. V. 116. P. 265–276. 15. Gannt E., Conti S.F. Phycobiliprotein localization in al gae // Brookhaven Symp. Biol. 1966. V. 19. P. 393–405. 16. Koller K.:P., Wehrmeyer W., Morschel E. Biliprotein as sembly in the discshaped phycobilisomes of Rhodella violacea // Eur. J. Biochem. 1978. V. 91. P. 57–63. 17. Tandeau de Marsac N., Cohen:Bazire N. Molecular composition of cyanobacterial phycobilisomes // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1977. V. 74. P. 1635–1639. 18. Liu L.:N., Chen X.:L., Zhang Y.:Z. Zhou B.C. Char acterization, structure and function of linker polypep tides in phycobilisomes of cyanobacteria and red algae: an overview // Biochim. Biophys. Acta. 2005. V. 1708. P. 133–142. 19. Стадничук И.Н. Фикобилисомы // Итоги науки и техн. Сер. Биол. химия. М.: ВИНИТИ, 1991. Т. 46. 172 с. 20. Pizarro S.A., Sauer K. Spectroscopic study of the light harvesting protein Cphycocyanin associated with col orless linker peptides // Photochem. Photobiol. 2001. V. 73. P. 556–563. 21. MacColl R. Allophycocyanin and energy transfer // Biochim. Biophys. Acta. 2004. V. 1657. P. 73–81. 22. Engelmann T.W. Über Sauerstoffausscheidung von Pflanzenzellen im Microspectrum // Bot. Z. 1882. B. 40. S. 419–425. 23. Rakhimberdieva M.G., Boichenko V.A., Karapetyan N.V., Stadnichuk I.N. Interaction of phycobilisomes with photosystem II dimers and photosystem I monomers and trimers in the cyanobacterium Spirulina platensis // Biochemistry. 2001. V. 40. P. 15780–15788. 24. Grossman A.R., van Waasbergen L.G., Kehoe D. Environ mental regulation of phycobilisome biosynthesis // Light Harvesting Antennas in Photosynthesis / Eds. Green B., Parson W. Dordrecht: Kluwer, 2003. P. 471–493. 25. Everroad C., Six C., Partensky F., Thomas J.:C., Holtzen: dorff J., Wood A.M. Biochemical bases of type IV chro matic adaptation in marine Synechococcus sp. // J. Bac teriol. 2006. V. 188. P. 3345–3356. 26. Stowe:Evans, E.L., and Kehoe, D.M., Signal transduc tion during lightquality acclimation in cyanobacteria: a model system for understanding phytochromere sponse pathways in prokaryotes // Photochem. Photo biol. Sci. 2004, vol. 3, pp. 495502. 27. Murata N. Control of excitation transfer in photosynthe sis // Biochim. Biophys. Acta. 1969. V. 172. P. 242–251. 28. Stadnichuk I.N., Lukashev E.P., Elanskaya I.V. Fluo rescence changes accompanying shortterm light adap tations in photosystem I and photosystem II of the cy anobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 and phyco biliproteinimpaired mutants: State1/State2 transitions and carotenoidinduced quenching of phycobilisomes // Photosynth. Res. 2009. V. 99. P. 227–241. 29. Rakhimberdieva M.G., Stadnichuk I.N., Elanskaya I.V., Karapetyan N.V. Carotenoidinduced quenching of the phycobilisome fluorescence in photosysten IIdeficient mutant of Synechocystis sp. PCC 6803 // FEBS Lett. 2004. V. 574. P. 85–88. 30. Kirilovsky D., Kerfeld C.A. The orange carotenoid pro tein: a bluegreen light photoactive protein // Photo chem. Photobiol. Sci. 2013. V. 12. P. 1135–1143. 31. Keeling P.J. The number, speed, and impact of plastid endosymbioses in eukaryotic evolution // Annu. Rev. Plant Biol. 2013. V. 64. P. 583–607. 32. Ajlani G., Vernotte C. Construction and characterization of phycobiliproteinless mutant of Synechocystis sp. PCC 6803 // Plant Mol. Biol. 1998. V. 37. P. 577–580. 33. Северцов А.Н., Морфологические закономерности эволюции, Собр. Соч. Т. 5, 1949, М.Л. 34. MacColl R., Guard;Friar D. Phycobiliproteins. CRPress. Boca Raton, 1987. 218 p. 35. Eriksen N.T. Production of phycocoyanin – a pigment with applications in biology, biotechnology, foods and medicine // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2008. V. 80. P. 1–14. МИКРОБИОЛОГИЯ том 84 №2 2015 ФИКОБИЛИСОМЫ И ФИКОБИЛИПРОТЕИНЫ ЦИАНОБАКТЕРИЙ Cyanobacterial Phycobilisomes and Phycobiliproteins I. N. Stadnichuka, 1, P. M. Krasil’nikovb, and D. V. Zlenkob a Bach Institute of Biochemistry, Russian Academy of Sciences, Leninskii pr., 33, Moscow, 119071 Russia b Faculty of Biology, Moscow Lomonosov State University, Moscow, 119234 Russia Received August 11, 2014 Abstract—In cyanobacteria, phycobilisomes (PBS) act as antennae of the photosynthetic pigment apparatus. They contain brightly colored phycobiliproteins (PBP) and form giant supramolecular complexes (up to 3000–7000 kDa) containing 200 to 500 phycobilin chromophores covalently bound to the proteins. Over ten various PBP are known, which fall into three groups: phycoerythrins, phycocyanins, and allophycocyanins. Hollow disks of PBP trimers and hexamers are arranged into cylinders by colorless linker proteins; the cylin ders are then assembled into PBS. Typical semidiscoid PBS consist of a central nucleus formed by three al lophycocyanin cylinders and of six lateral cylinders consisting of other PBP and attached as fans to the nu cleus. The PBS number, size, and pigment composition in cyanobacteria depend on illumination and other ambient factors. While PBS have certain advantages compared to other antennae, these pigment–protein complexes require more energy than the chlorophyll a/b: and chlorophyll a/cproteins of oxygenic photo synthetic organisms. Keywords: allophycocyanin, phycobilins, phycobiliproteins, phycobilisomes, cyanobacteria 1 Corresponding author; email: stadnichuk@mail.ru МИКРОБИОЛОГИЯ View publication stats том 84 №2 2015 143
