7. Фототрофні бактерії та фотосинтез.

Здатність використовувати світло як джерело енергії, необ­хідної для росту, притаманна двом групам бактерій, які прин­ципово відрізняються одна від одної.

Перша група включає пурпурові та зелені бактерії. Згідно з дев'ятим виданням Керівництва Бергі з систематики бактерій ці бактерії належать до класу Anoxyphotobacteria. Вони не можуть використовувати воду як донор водню (як це роблять зелені рос­лини), їм потрібні донори з більш високим ступенем відновлен­ня (сірководень, водень або органічні сполуки). У зв'язку з цим фотосинтез у них проходить без виділення кисню (аноксигенний фотосинтез). Бактерії цієї групи — типові водні організ­ми, які існують як у прісній, так і морській воді. їх червоне, оранжеве чи зелене забарвлення зумовлене наявністю хлорофі­лів і каротиноїдів.

Друга група включає ціанобактерії. Вони використовують воду як донор водню і виділяють кисень, тобто здійснюють оксигенний фотосинтез. Процес фотосинтезу у ціанобактерій не відрізня­ється від фотосинтезу у зелених рослин. Пігментна система ціано­бактерій містить хлорофіл а, каротиноїди та фікобілілротеїни.

ХАРАКТЕРИСТИКА ПУРПУРОВИХ І ЗЕЛЕНИХ БАКТЕРІЙ

Згідно з дев'ятим виданням Керівництва Бергі з система­тики бактерій клас Anoxyphotobacteria складається з двох поряд­ків . Перший порядок Rhodospirillales (пурпурові бактерії) об'єднує родини Rhodospirillaceae (несіркові пурпурові бактерії) та Chroraatiaceae (сіркові пурпурові бактерії). Другий порядок Chlorobiales (зелені бактерії) об'єднує родини Chloro-biaceae (зелені сіркові бактерії) та Chloroflexaceae. Морфологіячно різноманітна група — коки, палички, вигнуті форми (спіри­ли, вібріони), рухливі та нерухливі.

Після проведеного в середині 80-х років XX ст. аналізу 16S рРНК у прокаріот зелені фотобактерії увійшли до складу гру­пи 9 (Chloroflexus) і групи 10 (Chlorobium), а пурпурові бак­терії — до групи 11, яка була виділена у 1988 р. в окремий клас Proteobacteria.

У книзі "Prokaryotes" (1999 p.) зелені фототрофні бактерії родини Chlorobiaceae розміщені в розділі 5, представники роди­ни Chloroflexaceae — у розділі 7. Пурпурові фототрофні бактерії входять до складу частини С: Proteobacteria.

Пурпурові бактерії. Спільним для представників порядку Rhodospirillales є те, що їх фотосинтетичний апарат (світлозбирні системи та реакційні центри) міститься на внутрішніх мембра­нах (тилакоїдах), які утворюються з інвагінацій плазматичної мембрани. Тилакоїдні структури можуть бути везикулярні, труб­часті та пластинчасті (ламелярні). Типовим хлорофілом для цих бактерій є хлорофіл а. Фіксація СО₂ відбувається у циклі Кальвіна. Пурпурові бактерії здатні використовувати органічні спо­луки як донори водню та/або джерела вуглецю.

За здатністю використовувати як донор електронів елемент­ну сірку пурпурові бактерії поділяються на сіркові та несіркові. Типовим видом пурпурових сіркових бактерій є Chromatium vinosum, несіркових — Rhodospirillum rubrum. Сіркові бактерії мож­на легко розпізнати за внутрішньоклітинними включеннями сір­ки (мають вигляд кульок, які сильно заломлюють світло).

Зелені бактерії. Для цих бактерій характерна наявність хлоросом — органел, які прилягають до цитоплазматичної мемб­рани та містять характерний світлозбирний пігмент — бактеріо­хлорофіл (с, d або е). Крім того, вони містять невелику кількість і бактеріохлорофілу а, який прямо пов'язаний з фотосинтетич­ними реакційними центрами і локалізований у цитоплазматич­ній мембрані. Зелені бактерії не здатні фіксувати вуглекислий газ у циклі Кальвіна (у них немає ферменту рибулозодифосфаткарбоксилази). Асиміляція СО₂ відбувається через відновлювальний цикл трикарбонових кислот.

Типовим видом зелених сіркових бактерій є Chlorobium limicola, несіркових бактерій — Chloroflexus aurantiacus.

Особливості метаболізму пурпурових і зелених бактерій. Цим бактеріям притаманний різнобічний метаболізм. Так, багато які пурпурові несіркові бактерії здатні як до анаеробного рос­ту на світлі, так і до аеробного в темноті (за рахунок органічних субстратів). Інші групи представлені строгими анаеробами і облігатними фототрофами. Багато які види використовують як донор водню молекулярний водень (представники родів Rhodobacter, Chromatium, а також родоспірили та Chlorobium ростуть на світлі, використовуючи Н₂ і СО₂). Деякі види цих бактерій здатні вико­ристовувати як донор водню (електронів) сірководень, елемент­ну сірку. Спостерігається асиміляція СО₂ та органічних субстра­тів. Переважна більшість цих фототрофних бактерій здатна до фіксації молекулярного азоту. Як запасні речовини накопичують­ся полі-Р-гідроксибутират, полісахариди та поліфосфати.

Пігменти фотосинтетичного апарату. Завдяки фотосинте­тичним пігментам достатньо густі суспензії фототрофних бак­терій мають зелене, зелено-синє, пурпурово-фіолетове, червоне, коричневе та рожеве забарвлення. Колір залежить від природи та кількісного співвідношення пігментів. Окремі пігменти мож­на визначити за спектрами поглинання інтактних клітин. Хлоро­філи, наприклад, є відповідальними за максимуми поглинання в синій (< 450 нм), червоній та інфрачервоній (650-1100 нм) облас­тях спектра. Поглинання в області 400-550 нм зумовлене каро­тиноїдами, а у ціанобактерій в області 550-650 нм — фікобіліпротеїнами.

Каротиноїди виконують дві функції: беруть участь у фото­синтезі як світлозбирні пігменти, тобто поглинають світлову енергію та передають її хлорофілу; захищають хлорофіл від фото-окиснення. Синьо-зелені мутантні форми пурпурових бактерій, позбавлені каротиноїдів, здатні рости тільки на слабкому світлі, а за високої інтенсивності світла гинуть.

Поширення фототрофних бактерій. Фототрофні пурпурові та зелені бактерії існують в анаеробних зонах багатьох водойм, у неглибоких ставках, у водах, які повільно течуть, в озерах і морських бухтах. Пурпурові сіркобактерії нерідко утворюють нальоти, забарвлені у різноманітні відтінки червоного кольору (від ніжнорожевого до темно-червоного), на поверхні мулу чи на якомусь органічному матеріалі, що розкладається. Іноді вони рояться над поверхнею мулу, утворюючи шар завтовшки близь­ко 10 см ("цвітіння" води). Інтенсивне розмноження пурпуро­вих сіркобактерій спостерігається і в мілководних ставках, поверх­ня яких вкрита щільним шаром ряски або листям водних лілій.

Цей своєрідний біологічний фільтр поглинає ті спектральні ком­поненти світла, які можуть використовуватись зеленими водо­ростями та ціанобактеріями, але пропускають світло, що погли­нається бактеріохлорофілами та темно-червоними каротиноїда­ми. Тому під таким зеленим покривом ростуть анаеробні фототрофні бактерії.

Сезонний масовий розвиток пурпурових сіркобактерій спо­стерігається також в анаеробних зонах озер нижче межі темпе­ратурного стрибка (термоклин, глибина 10-30 м). Бактерії зна­ходять тут необхідні їм речовини — сірководень, СО₂ та орга­нічні сполуки. Інфрачервоне сонячне випромінювання, яке погли­нається бактеріохлорофілами, не проникає на таку глибину. У цих умовах максимум енергії припадає на область спектра 450—500 нм, тобто якраз ту область, в якій поглинають кароти­ноїди. Високий вміст каротиноїдів у клітинах пурпурових бак­терій забезпечує можливість фотосинтетичного метаболізму цих бактерій на великих глибинах. Відповідно на таких глибинах і серед зелених сіркобактерій переважають багаті на каротино­їди коричневі форми.

ПРОЦЕСИ ФОТОСИНТЕЗУ

Фотосинтез — перетворення світлової енергії у біохімічно доступну енергію (АТФ) та відновлювальні еквіваленти [НАД{Ф)Н], а також зв'язаний з цим синтез клітинних компонентів.

Рівняння фотосинтезу у зелених рослин має вигляд

СО₂ + 2Н₂О—><СН₂О + Н₂О + 2О.

Рівняння фотосинтезу у фототрофних бактерій має вигляд

СО₂ + 2H₂S-—><CH₂O> + Н₂О + 2S.

Загальне рівняння фотосинтезу можна навести у вигляді

СО₂ + 2Н₂А——><СН₂О> + Н₂О + 2А.

Основою будь-якого фотосинтезу є один і той самий пер­винний процес, а різні типи фотосинтезу відрізняються один від одного тільки природою донора водню (вода, сірководень, орга­нічні сполуки). Для того, щоб донором водню могла бути вода, необхідним є здійснення двох послідовних фотореакцій. При використанні донорів з більш негативним окисно-відновним потенціалом (сірководень) достатньо однієї фотореакції.

Оксигєнним фотосинтез

Первинні процеси фотосинтезу проходять у тилакоїдах — плоских замкнених мембранних бульбашках, що містяться в клі­тинах ціанобактерій і хлоропластах водоростей і зелених рослин.

Тилакоїдні мембрани і світлозбирні пігменти (пігменти антен). Тилакоїдна мембрана містить пігментні молекули (хлоро­філ а, хлорофіл b і каротиноїди), переносники електронів і фер­менти. Переважна більшість молекул хлорофілу (понад 99 %), а також додаткові пігменти (каротиноїди, фікобіліпротеїни) є відповідальними за поглинання світла і розподіл енергії; вони утворюють систему антен. Лише незначна частина хлорофі­лу а виконує роль фотохімічного реакційного центру, в яко­му і проходить фотохімічна окисно-відновна реакція.

Пігменти антен (світлозбирні пігменти) уловлюють світло і передають енергію хлорофілу реакційного центру:

Каротиноїд -> Каротиноїд *; Хлорофіл + Каротиноїд * -> Хлорофіл * + Каротиноїд.

Фотореакції. Фотореакції належать до первинних проце­сів фотосинтезу. Вони здійснюються в реакційних центрах. Реак­ційний центр складається з ряду компонентів, найважливіши­ми з яких є первинний донор електронів (комплекс хлорофілу та білка) і первинний акцептор електронів. Ці два компоненти являють собою окисно-відновні системи. Система донора (Р/Р⁺) має позитивний потенціал, а система акцептора (Х/Х ^-) — нега­тивний. Під дією енергії світла відбувається перенесення одно­го електрона

Відновлений донор + Окиснений акцептор.....--— >

—> Окиснений донор + Відновлений акцептор.

У результаті фотореакції донор втрачає один електрон — виникає "дірка" (електронний ефект). Такі дірки повинні запов­нюватись електронами, які можуть надходити шляхом цикліч­ного або нециклічного перенесення електронів. У разі нециклічного перенесення електрони надходять від екзогенного зов­нішнього донора, а у разі циклічного — повертаються від віднов­леного акцептора (X ) до окисненого донора. Циклічне перенесення електронів приводить до зміни заря­ду мембрани, а нециклічне — й до відновлення НАДФ.

Дві фотореакції в двох фотосистемах. У оксигенному фото­синтезі працюють дві фотосистеми (ФС) — І і II (рисунок 6.21). Фотосистема І збуджується світлом з довжиною хвилі більше 730 нм, а фотосистема II — короткохвильовим світлом (менше 700 нм).

Рис. 6.21 Схема просторової орієнтації електрон-транспортної системи на тилакоїдиій мембрані: Мп — марганцевий комплекс; ПЦ — пластоціанін; цит / — цитохром f; Fd — фередоксин; X — залізосірковий білок

Фотохімічно активний центр фотосистеми і містить хлоро­філ а (Р700), який є первинним донором електронів у першій фотореакції. Окисно-відновний потенціал Р700 становить близь­ко +0,5 В. Світлова енергія, що поглинається світлозбирними пігментами першої фотосистеми, передається в реакційний центр і переводить у збуджений стан Р700, який окиснюється і віддає один електрон. Акцептором відданого електрона є X — залізосір­ковий білок з окисно-відновним потенціалом близько -0,5 В. Цей акцептор у свою чергу передає електрон фередоксину, а з від­новленого фередоксину — на НАДФ та інші акцептори, в тому числі і на Р700 (нециклічне перенесення електронів). У разі циклічного перенесення електрон від X передається через пласто-хінон, цитохроми та пластоціанін (ПЦ) знову на Р700.

Реакційний центр фотосистеми II містить хлорофіл а₁₁. (Р680), який є первинним донором електронів у другій фотореакції. Його окисно-відновний потенціал становить близько +0,9 В. Акцеп­тором електрона є пластохінон Х320 з окисно-відновним потен­ціалом близько 0 В. Пластохінон при цьому відновлюється до семихінону. Донором електронів для цієї фотосистеми є вода: дірка, що утворилася в Р680 внаслідок втрати електрона, запов­нюється електроном, який вивільнюється при утворенні О₂ з води. Розклад води відбувається за участю марганцю.

Дві описані фотосистеми зв'язані між собою електрон-транспортним ланцюгом, важливою ланкою якого є пластохінон. Подіб­но до убіхінону в дихальному ланцюгу, пластохінон міститься в надлишку і є своєрідним "депо" електронів.

Як видно з рисунка, перенесення одного електрона через дві фотосистеми супроводжується надходженням двох протонів у внутрішній простір тилакоїдів. Дві фотосистеми разом з електрон-транспортним ланцюгом забезпечують спрямований потік електронів від води (із внутрішнього боку) до НАДФ (із зовніш­нього боку). Отже, фотореакції приводять до відновлення НАДФ і утворення заряду на мембрані. Тобто світлові реакції виступа­ють у ролі протонного насоса, який працює за рахунок енергії світла і створює позитивний заряд всередині тилакоїда. В резуль­таті цього мембрана акумулює енергію у формі протонного потен­ціалу, і ця енергія використовується для синтезу АТФ.

Аноксигенний фотосинтез

В аноксигенному фотосинтезі бере участь одна фотореакція, вона підтримує циклічний транспорт електронів. Для попов­нення циклу електронами потрібні зовнішні донори електронів. Ними є сірководень, сірка, тіосульфат, органічні сполуки (малат, сукцинат та ін.), молекулярний водень. Фотореакція, хоча й ана­логічна першій фотореакції у зелених рослин, приводить тіль­ки до створення протонного потенціалу і синтезу АТФ, але не до відновлення НАД (у цьому разі відсутнє нециклічне перенесен­ня електронів, у результаті якого відновлюється НАД). НАДН у клітинах анаеробних фототрофів утворюється за рахунок зво­ротного транспорту електронів, який відбувається з витратами АТФ (за аналогією з аеробними хемолітоавтотрофами). Такий процес фотосинтезу є характерним для пурпурових фототрофних бактерій.

При фотореакції у зелених бактерій первинний акцептор електронів має окисно-відновний потенціал близько -0,5 В (у пур­пурових бактерій — всього -0,1 В!). За такого високого негатив­ного потенціалу є можливим перенесення електронів від пер­винного акцептора для відновлення фередоксину та відновлен­ня НАД. Отже, відновлювальні еквіваленти у зелених фотобак­терій утворюються не за рахунок зворотного транспорту елект­ронів, який потребує витрат АТФ (як у пурпурових фотобакте­рій), а в результаті фотореакції. З еволюційного погляду фото­синтез зелених бактерій міг би бути ланкою, яка зв'язує фото­синтез пурпурових бактерій і фотосинтез ціанобактерій і зеле­них рослин.

ВИКОРИСТАННЯ СВІТЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ ГАЛОБАКТЕРІЯМИ

Галобактерії, які належать до архебактерій, існують у високо-концентрованих або насичених розчинах солей. Оптимальний ріст галобактерій відбувається у 3,0-3,5 М розчині хлористого натрію. Можливість існування цих бактерій у таких екстремальних умо­вах зумовлена тим, що концентрація солі всередині клітин є та­кою ж високою, як і в навколишньому середовищі.

Паличкоподібні рухливі клітини Halobacterium halobium забарвлені у червоний, оранжевий і жовтий кольори завдяки наяв­ності каротиноїдів. У клітинах галобактерій міститься також і бактеріородопсин — пігмент, який утворює в клітинах так звану пурпурову мембрану — темно-червоні плями діаметром 0,5 мкм у плазматичній мембрані. Ці пурпурові мембрани займають близь­ко половини поверхні клітини. Завдяки бактеріородопсину на світлі створюється протонний потенціал між зовнішнім і внутріш­нім боками мембрани. Отже, пурпурова мембрана виконує роль протонного насоса, який приводиться в дію світлом, що й спри­чиняє утворення електрохімічного мембранного потенціалу. Вирів­нювання зарядів (розрядка потенціалу) може супроводжуватися синтезом АТФ: пурпурова мембрана уможливлює функціонуван­ня особливого типу фосфорилювання. Крім енергії, одержаної за допомогою світла, галобактерії можуть отримувати енергію за рахунок аеробного окиснення субстрату.