_hellmaus_ (_hellmaus_) wrote,
_hellmaus_
_hellmaus_

Category:

9. ЗАКАТ «ЦИНКОВОГО МИРА», ПРОКАРИОТНАЯ БИОСФЕРА И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ФОТОСИНТЕЗА

Теория «цинкового мира», среди прочего, легко и естественно объясняет расхождение линий бактерий и архей и появление их отличительных свойств. Ранее для их разделения предлагали географическую изоляцию, но сама по себе изоляция не создала бы таких фундаментальных различий. В «цинковом мире» же разделение происходит, когда падение давления атмосферы более не позволяет геотермальным источникам выносить на поверхность сульфид цинка. Его старые отложения тают под солнечным светом, и населяющие их прото-организмы оказываются в кризисе. Из этого кризиса они нашли два выхода. Одна группа, давшая начало бактериям, покинула геотермальные биотопы и научилась использовать энергию света самостоятельно, с помощью пигментов, из которых впоследствии сохранился хлорофилл. Они, скорее всего, произошли из обитателей верхних, самых освещенных слоев отложений ZnS, где еще до кризиса им пришлось создать пигментные системы для защиты от ультрафиолета мембран и мембранных белков. Другая группа не смогла отказаться от родной геотермальной химии и последовала за тающими сульфидными источниками в морские глубины и вечную темноту. Им пришлось освоить хемоавтотрофное питание, например, используя энергию реакции метаногенеза:

CO2 + 4 H2 > CH4 + 2 H2O

Они стали археями. Обе группы изгнанников из «цинкового рая» столкнулись с похожими проблемами, первой из которых стал дефицит цинка и обилие ионов железа. Кроме того, в морях, по сравнению с геотермальными источниками, много натрия и кальция. Им пришлось сделать мембраны непроницаемыми для ионов металлов, чтобы сохранить привычную химическую обстановку хотя бы в своей цитоплазме. Им понадобились системы транспорта цинка и других ценных металлов, таких как марганец, внутрь клетки, и откачки опасных железа, кальция и натрия наружу. Железо, как мы уже говорили, легко гидролизует РНК, кальций же замещает магний в его комплексах с нуклеотидами и РНК, останавливая разные ферментативные реакции с их участием. Натрий не так опасен, но и его концентрация на уровне морской воды несколько нарушает структуру ДНК и фолдинг белков. Для защиты от железа пришлось перейти от гетеродуплексного ДНК-РНК генома к двухцепочечной ДНК, после чего многоплазмидный геном путем рекомбинаций собрался в одну кольцевую молекулу ДНК. Это позволило миниатюризовать клетки по сравнению с плоскими, сидящими на минералах прото-организмами.



Сколько-то миллионов лет после расхождения линий бактерий и архей они оставались в изоляции. Иногда только бактерий сносило с мелководий в открытое море, они тонули, и их ДНК попадала в сообщества архей. Поэтому событий горизонтального переноса генов от бактерий к археям известно намного больше, чем в обратную сторону. Потом бактерии образовали жгутики, освоили плавание и смогли заселить открытое море. Археи, в свою очередь, совершенствовали защитные системы и наращивали разнообразие метаболизмов, и со временем смогли выйти из «черных курильщиков» в другие местообитания. Так живые археи вошли в контакт с живыми бактериями и образовали единое сообщество.

Возникла достаточно разнообразная прокариотная биосфера, заселившая практически всю поверхность Земли и дно океанов. Основными продуцентами в ней были бактерии, осуществлявшие сульфидный фотосинтез:

CO2 + 2 H2S > [CH2O] + H2O +2 S

В этом процессе сероводород окисляется до молекулярной серы, а с дополнительными ферментами — и до тиосульфата, сульфита и сульфата (SO4 2-)

Создаваемую ими органику потребляли разнообразные гетеротрофы. Одни из них использовали сульфатное дыхание — реакцию, обратную сульфидному фотосинтезу. В ней сульфат восстанавливается до сероводорода, а органика — до СО2 и воды. Окисление глюкозы сульфатом дает порядка 10-14 молекул АТР на одну молекулу глюкозы, что значительно продуктивнее гликолиза.

Другие гетеротрофы использовали разнообразные реакции брожения. Среди них были молочнокислые бродильщики, маслянокислые, пропионовокислые, уксуснокислые и другие. Особо надо отметить уксуснокислых бродильщиков, или ацетогенов: в их метаболизме, наряду с ацетатом, из сахаров образуется СО2 и водород, поэтому они — лучшие друзья метаногенных архей.

О происхождении фотосинтеза могут рассказать последовательности участвующих в нем белков и пути биосинтеза пигментов. Напомним структуру фотосинтетического аппарата. Его функциональное ядро составляют реакционные центры — трансмембранные белковые молекулы из нескольких похожих доменов, с которыми связаны молекулы хлорофилла по две в каждом реакционном центре. Возбужденные молекулы хлорофилла передают электроны на акцепторы. Реакционные центры делятся на два класса: фотосистемы I типа (ФСI) передают электроны на железо-серные белки, а фотосистемы II типа (ФСII) — на хиноны. Цианобактерии и хлоропласты растений обладают обоими типами фотосистем в одной клетке, а фотосинтезирующие бактерии — только одним типом. Электроны ФСI через железо-серные белки переносятся на НАДФН и далее используются в реакциях восстановления разных органических веществ. Электроны ФСII попадают в электрон-транспортную цепь, где их энергия тратится на транспорт протонов через мембрану и в конечном итоге — на синтез АТР. В цианобактериях и хлоропластах окисленная ФСII с помощью водоокисляющего комплекса восполняет недостающие электроны из молекул воды, окисляя их до кислорода, а ФСI принимает электроны, прошедшие электрон-транспортную цепь и ФСII. Кроме того, возможен циклический транспорт электронов по маршруту ФСII — электрон-транспортная цепь - ФСII. Кроме того, реакционные центры окружены большим количеством антенных белков, также связывающих хлорофилл, которые поглощают световые кванты и передают возбуждение на реакционные центры.

Protoporphyrinogen_synthesis

Общая часть путей биосинтеза хлорофиллов и гемов.

Реакционные центры содержат два типа пигментов: хлорофилл a (цианобактерии и хлоропласты) и бактериохлорофилл a (фотосинтезирующие прокариоты кроме цианобактерий). Синтез всех пигментов начинается с глутаминовой кислоты, которая в несколько стадий превращается в дельта-аминолевулиновую кислоту. Ее молекулы объединяются попарно в циклическое соединение — порфобилиноген. Из четырех молекул порфобилиногена собирается тетрапиррольное кольцо гемов и хлорофиллов — до стадии протопорфирина IX их пути синтеза совпадают. Потом к молекуле протопорфирина IX присоединяется атом магния, и через еще несколько промежуточных продуктов (протохлорофиллид а, хлорофиллид а) образуется хлорофилл.

bj3940243u01

Синтез хлорофилла а из протопорфиринов.

Зеленый цвет хлорофилла обусловлен тем, что он поглощает свет в двух диапазонах — красном и сине-фиолетовом. Причем в обоих вариантах молекула попадает в одно и то же возбужденное состояние: в случае синего кванта избыточная энергия рассеивается в тепло. Если исследовать хлорофилл, экстрагированный из клеток, например, спиртом, у него можно заметить красную флюоресценцию при облучении синим или фиолетовым светом. У предшественников хлорофилла — хлорофиллидов, протохлорофиллидов, протопорфирина IX, уропорфирина и уропорфириногена — эта флюоресценция выражена сильнее, а полоса поглощения сдвинута в ближнюю ультрафиолетовую область.

Хлорофилл-связывающие белки обоих типов реакционных центров, так же как главные антенные белки CP43 и CP47 цианобактерий и хлоропластов и светособирающие комплексы зеленых несерных бактерий (LH), состоят из похожих трансмембранных доменов, к части из которых прикрепляются молекулы хлорофилла. К молекулам хлорофилла близко прилежат остатки ароматических аминокислот — тирозина, триптофана, гистидина — которые могут передавать возбуждение на хлорофилл. Выравнивание последовательностей этих белков друг с другом показывает, что все они могли произойти от одного предкового мембранного белка, имевшего 11 доменов, с молекулами хлорофилла либо его предщественников на каждом домене. Исходной его функцией могла быть защита от ультрафиолета: такой белок мог эффективно снимать возбуждение с соседних молекул и рассеивать его частью в тепло, частью в красную флюоресценцию. Такая защита могла быть востребована еще на стадии РНК-белкового мира: прото-организмы того времени уже имели мембраны, удаленные от минеральной подложки и не защищенные от УФ сульфидом цинка. Плавающие расселительные стадии выигрывали от наличия такого белка еще больше. В современных реакционных центрах сайты связывания акцепторов электронов (хинонов и ферредоксина) появились с утратой некоторыми доменами способности к связыванию хлорофилла, причем в ФСI и ФСII это были разные домены. Расположение вспомогательных молекул хлорофилла и феофитина, необходимых для эффективного однонаправленного электронного переноса внутри фотосистемы, сильно отличается в ФСI и ФСII, и скорее всего, они независимо произошли от древнего УФ-защитного белка.

Современные бактерии, обладающие ФСI, как правило, используют сероводород и другие восстановленные формы серы в качестве доноров электронов. Они фиксируют CO2 и восстанавливают его электронами, проходящими через ФСI и ферредоксин. Обладатели ФСII имеют менее обычный фотосинтез. Одни из них, например, зеленые нитчатые несерные бактерии, вообще не фиксируют СО2 и используют свет только для получения АТР благодаря циклическому транспорту электронов. Внешние доноры электронов им не нужны вовсе. Другие, например пурпурные бактерии, фиксируют СО2 и могут использовать в качестве доноров электронов как соединения серы, так и двухвалентное железо — более слабый восстановитель. ФСII имеет более низкий редокс-потенциал, чем ФСI, как в окисленной, так и в восстановленной форме. Поэтому она может использовать более слабые восстановители, но не может прямо передавать электроны на ферредоксин. Пурпурные бактерии используют обратный транспорт электронов для восстановления ферредоксина: часть электронов движется против редокс-градиента за счет протонного мембранного потенциала, что требует достаточно сложной электрон-транспортной цепи.

В условиях исчерпания сероводорода в окрестностях бактериальных сообществ способность использовать другие доноры электронов, прежде всего двухвалентное железо, стала серьезным конкурентным приемуществом. Предок цианобактерий, совместивший в себе путем горизонтального переноса ФСI и ФСII, оказался в наиболее выигрышном положении — он мог использовать железо гораздо эффективнее, не прибегая к обратному транспорту электронов. На этой стадии эволюции было отработано сопряжение двух фотосистем, а так же циклического и нециклического транспорта электронов.

Системы защиты от токсического действия кислорода, необходимые для кислородного фотосинтеза, скорее всего, предшествовали ему. Показано, что на поверхности пирита (FeS2) при освещении в воде образуется перекись водорода — Н2О2. Ионы Fe3+ - продукт железо-зависимого фотосинтеза — тоже образуют перекись водорода при освещении раствора, так что каталаза и другие защитные системы могли возникнуть сразу после выхода бактерий из «цинкового мира». Более того, показано, что водоокисляющий комплекс современных цианобактерий может использовать H2O2 в качестве донора электронов, причем для этого требуется меньше энергии света, чем для окисления воды. Возможно, утилизация перекиси водорода в фотосинтезе была первой функцией примитивного водоокисляющего комплекса. Существуют противоречивые данные о роли H2O2 в современном кислородном фотосинтезе — в зависимости от изучаемого вида и условий, перекись может как подавлять его, так и стимулировать. Некоторым видам цианобактерий для выделения кислорода необходимо, чтобы заметное количество кислорода уже содержалось в среде. Как это объяснить — пока непонятно.

Окисление воды — крайне сложная задача. Редокс-потенциал бактериохлорофилла а (0,55 V) достаточен для окисления H2S и других серосодержащих соединений. Редокс-потенциал хлорофилла а из цианобактерий выше, около 0,82 V. Однако если окислять воду в одноэлектронных процессах, то первая реакция, превращающая воду в гидроксильный радикал и протон, требует огромного редокс-потенциала в 2,75 V, недоступного ни для каких фотосинтетических пигментов. Поэтому необходим промежуточный переносчик электронов, способный окислить сразу две молекулы воды — редокс-потенциал хлорофилла будет достаточен, только если его равномерно делить на четыре электрона.

620px-Manganese_cluster.svg

Структура марганцевого кластера водоокисляющего комплекса

Водоокисляющий комплекс— белок, содержащий четыре иона марганца, меняющих степень окисления от +3 до +4. Ионы марганца составляют марганец-кислородный кластер, кроме того, с ним связано по одному иону кальция и хлора. Структура этого кластера напоминает элементарную ячейку таких природных минералов, как ранциеит (CaMn4O9 * 3H2O) и других слоистых оксидов марганца, подобно тому, как FeS-кластеры окислительно-восстановительных ферментов похожи на ячейку пирита. Существовала гипотеза о происхождении комплекса от защитного фермента супероксид-дисмутазы, одна из разновидностей которого содержит два иона марганца. Такой примитивный фермент, как предполагалось, мог быть способен к двухэлектронным реакциям — окислению H2O2 до кислорода. Окисление воды до H2O2 в такой системе было невозможно из-за недостаточного редокс-потенциала хлорофилла. Однако, никакого сходства между последовательностями супероксид-дисмутаз и белков водоокисляющиего комплекса обнаружено не было, кроме того, вряд ли H2O2 присутствовала в архейских морях в достаточной концентрации, чтобы заслуживать внимания как донор электронов.

Однако было давно замечено, что выделение кислорода в фотосинтезе сильно стимулируется добавлением бикарбонатов (солей HCO3-). Изотопное мечение показало, что бикарбонат-ион прямо конкурирует с кислородом за активный центр водоокисляющего комплекса. Кроме того, было обнаружено, что бикарбонат необходим для сборки марганцевого кластера: в воде хорошо растворим только Mn2+, и в процессе сборки эти ионы под действием света окисляются до Mn3+. В присутствии бикарбоната в водном растворе образуются марганец-бикарбонатные кластеры даже в отсутствие всяких белков, кроме того, по своему редокс-потенциалу они могут служить донорами электронов для бактериальных фотосистем. Из этого можно построить следующую схему происхождения кислородного фотосинтеза: сначала бикарбонаты марганца заменили соединения серы в роли донора электронов. Затем на ФСII собрался марганец-бикарбонатный кластер, способный катализировать фотоокисление HCO3- до кислорода и CO2 — эта реакция требует в полтора раза меньше энергии, чем окисление воды, и возможностей бактериальной ФСII для этого практически достаточно. Далее бактериохлорофилл a в составе ФСII был заменен более редокс-активным пигментом, таким как бактериохлорофилл g, для повышения скорости этой реакции, и наконец, по мере истощения запасов СО2 в атмосфере и бикарбонатов в море, к марганцевому кластеру присоединился ион кальция, повысивший его редокс-потенциал, и сделавший возможным окисление воды, и хлорофилл а, ускоривший реакцию благодаря дополнительному повышению редокс-потенциала.

pq0615147005

Происхождение кислородного фотосинтеза (Dismukes et al., 2001).

Литература:

Dismukes, G.C., Klimov, V.V., Baranov, S.V., Kozlov, Y.N., DasGupta, J., Tyryshkin, A., 2001. The origin of atmospheric oxygen on Earth: The innovation of oxygenic photosynthesis. PNAS 98, 2170–2175.

Mix, L., Haig, D., Cavanaugh, C., 2005. Phylogenetic Analyses of the Core Antenna Domain: Investigating the Origin of Photosystem I. Journal of Molecular Evolution 60, 153–163.

Mulkidjanian, A.Y., Junge, W., 1997. On the origin of photosynthesis as inferred from sequence analysis. Photosynthesis Research 51, 27–42.

Olson, J., Blankenship, R., 2004. Thinking About the Evolution of Photosynthesis. Photosynthesis Research 80, 373–386.



Tags: происхождение жизни
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 12 comments