Bakterioklorofill fluoreszcencia, mint a fotoszintetikus baktériumok fiziológiai állapotának jelzőrendszere
Photosynthesis is a biological process whereby the energy of the Sun is captured and stored by series of events that convert the free energy of light into different forms of free energy needed to feed cellular processes. (Blankenship 2014). The photosynthesis provides the foundation for essentially...
Elmentve itt :
| Szerző: | |
|---|---|
| További közreműködők: | |
| Dokumentumtípus: | Disszertáció |
| Megjelent: |
2018-04-26
|
| Tárgyszavak: | |
| doi: | 10.14232/phd.4082 |
| mtmt: | 3402570 |
| Online Access: | http://doktori.ek.szte.hu/4082 |
| Tartalmi kivonat: | Photosynthesis is a biological process whereby the energy of the Sun is captured and stored by series of events that convert the free energy of light into different forms of free energy needed to feed cellular processes. (Blankenship 2014). The photosynthesis provides the foundation for essentially all life and has altered the Earth itself over geologic time profoundly. It provides all of our foods and most of our energy resources. Since essentially all energy used on Earth can be traced back to the photosynthetic transformation of solar energy into chemical energy, it is not surprising that the study of photosynthesis is at the center of scientific interest (Govindjee et al. 2005; Eaton-Rye et al. 2012; Niederman 2017). In photosynthetic bacteria, the energy conversion processes are considerably simpler than in green plants. While there are two photochemical reactions in green plants, there is only one in the bacteria. In contrast to the linear electron transport chain of green plants, the electron transport in bacteria is cyclic, in which the free energy of the charge pair produced in the reaction center (RC) is utilized by a cyclic pathway of electron building up a proton gradient across the photosynthetic membrane. The reaction center and the cytochrome bc1 complex (via the Q-cycle) constitute a proton-pump mechanism that translocates protons from the cytoplasmic side to the periplasmic side of the membrane. In the modern photosynthesis research, the non-sulfur type of purple bacteria plays a significant role, because the three-dimensional determination of the reaction center at atomic level (Deisenhofer et al. 1984) has made it possible to identify the structure and function of a photosynthetic energy conversion system. Although the details of the transformation of energy may vary in different species, there are structural and functional similarities. The bacterial reaction center has a very high photochemical quantum yield (~ 100%) since nearly all of the absorbed photons create charge pairs (Wraight and Clayton 1974). The highest free-energy loss relates to the reduction of the primary quinone (QA), which also means that physiological conditions make this process irreversible. The photosynthetic bacteria protect and operate their energy conversion system with remarkable efficiency and rate. An important part of this process is the light-dependent production and protection of tripled states of bacteriochlorophylls (BChl) essential for the survival of photosynthetic organisms. The energy of the BChl tripled state can be transmitted easily to triplet molecular oxygen (<sup>3</sup>O<sub>2</sub>) that generates harmful singlet excited oxygen (<sup>1</sup>O<sub>2</sub><sup>*</sup>, strong oxidant). To avoid this reaction, several pathways are operating in all of which carotenoid (Car) pigments play prominent role. In addition to high light intensity, photosynthetic bacteria are exposed to numerous stress effects including heavy metal ions. The organisms can maintain their functions even under harmful conditions. How do they do it and what can be learned from these experiences? What makes the intact photosynthetic bacterium and its reaction center robust and yet flexible enough to function efficiently under different stress conditions? These are the fundamental questions I set in the frontline of the dissertation. A fotoszintetizáló baktériumokban a fotoszintetikus energiaátalakítás folyamatai lényegesen egyszerűbbek, mint zöld növényekben. Amíg a zöld növényekben két fotokémiai reakció működik, addig a baktériumokban csak egy. A zöld növények lineáris elektrontranszport-láncával szemben a baktériumoké ciklikus, melynek során a reakciócentrumban fénygerjesztéssel keletkezett töltéspár szabadenergiája a fotoszintetikus membránon keresztül (a membrán citoplazmikus oldaláról a periplazmikus oldal felé mutató) proton gradienssé alakul át. A vektoriális protonelmozdulást a reakciócentrum protonfelvétele és a citokróm bc1 komplex protonmozgató kinon ciklusa valósítja meg. A szerkezet-alapú fotoszintézis-kutatásban jelentős szerepe van a nemkén típusú bíborbaktériumoknak, mert reakciócentrumának atomi szintű térbeli meghatározásával (Deisenhofer és mtsai. 1984) lehetővé vált egy fotoszintetikus energia átalakító rendszer felépítésének és működésének megismerése és később modellként való alkalmazása. Bár az energia átalakításának részletei fajonként változhatnak, vannak szerkezeti és funkcionális hasonlóságok. A bakteriális reakciócentrumnak igen magas (~ 100 %) a fotokémiai kvantumhatásfoka, hiszen majdnem minden egyes elnyelt foton töltéspárt hoz létre (Wraight és Clayton 1974). A legnagyobb szabadenergia-veszteség a primér kinon (QA) redukálásához kapcsolódik, ami azt is jelenti, hogy fiziológiás körülmények között ez a lépés teszi visszafordíthatatlanná a töltésszétválasztást. Éppen ezért alapvető fontosságú az ilyen állapotban levő töltéspár energetikai viszonyainak feltérképezése, és annak megállapítása, hogy a fehérje mely aminosavaival és milyen kölcsönhatásban határozzák meg a töltéspár energiáját. A fotoszintetizáló baktériumok kiemelkedően nagy hatékonysággal és gyorsasággal működtetik, és védik az energia átalakító rendszerüket. Ennek igen fontos része a fény intenzitásának növelésével arányos módon keletkező bakterioklorofill (Bkl) triplett állapotok megfelelő kezelése, amely elengedhetetlen a fotoszintetikus organizmusok túléléséhez. A Bkl triplett állapot energiája ugyanis (energetikai és térbeli okokból) könnyedén átadódik a triplett állapotú molekuláris oxigénnek (<sup>3</sup>O<sub>2</sub>), és ezzel szingulett gerjesztett állapotú oxigént (<sup>1</sup>O<sub>2</sub><sup>*</sup>, erős oxidálószert) állít elő. Ennek megakadályozására számos mechanizmus működhet, amelyekben kiemelt szerepet játszanak a karotinoid festékek. A nagy fényintenzitás mellett a fotoszintetizáló baktériumoknak számos egyéb kihívással (stressz hatással) is (pl.: nehézfém ionok jelenlétével) kell szembesülniük. A disszertációmban arra az alapvető kérdésre keresem a választ, hogy mely tényezők teszik az intakt fotoszintetizáló baktériumot, illetve annak reakciócentrumát kellően robusztussá és mégis rugalmassá ahhoz, hogy hatékonyan tudjon különböző körülmények között is működni. Az eredményeimhez elsősorban a fotoszintetizáló baktériumból (ill. reakciócentrumból) fénygerjesztés hatására kiváltott Bkl fluoreszcencia sokirányú mérésével jutottam. Ez magában foglalta a prompt és a késleltetett fluoreszcencia hatásfokának kinetikai mérését, valamint a prompt fluoreszcencia relaxációjának, anizotrópiájának és spektrumának vizsgálatát. Megmutattuk, hogy mindezek a Bkl fluoreszcencia megfigyelésére alapozott módszerek együttesen képesek a baktérium ill. egyes fehérje-komplexek (reakciócentrum, fénybegyűjtő rendszerek) állapotában bekövetkező fiziológiai változások nyomon követésére. |
|---|