Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы - 4
1.1 Цль и задачи работы 21
2. Объект и методы исследования -22
2.1 Результаты и обсуждение 30
3 Изменения б состояний ("ютосингегического аппарата хлореллы в процессе азотного го одания и послещуішр восстановлении в при сутствии нитрата -30
3.1. Скорость Фотосинтеза и активность Фотосистем I и П. -30
3.2. Изменения в содержании хлорофиллов "а" "в". 35
3.3. Изменения в содержании электронтранс-портных комплексов, 41
3.4. Спектры и относительный выход тлуорес^ен ценции хлорофилла "а" в целых клетках. 49
3.5. Изменения энергизации тилакоиднык мембран. -54
4. Изменения энергизации тшакойдных мембран хлоропластов в целых 'клетках водоросли при обратимой инактивации нитратвосста-навеивающей систшы. 66
4.1. Обратимые изменения выхода замедленной луоресценции при темновой адаптации клеток при азотном голодании. 66
ценции, вызванные добавлением аммония, циклогексимида, вольфрама и глюкозы. 69
4.2. Фотоиндуцированные изменения погло щения при 520 нм при обратимой, инактивации нитратвосстанавливающей системы. 75
Выводы 87
Литература 90
- Изменения в содержании хлорофиллов "а" "в".
- Спектры и относительный выход тлуорес^ен ценции хлорофилла "а" в целых клетках.
- Изменения энергизации тилакоиднык мембран.
- Фотоиндуцированные изменения погло щения при 520 нм при обратимой, инактивации нитратвосстанавливающей системы.
Введение к работе
Исследования последних лет позволили выяснить основные механизмы первичных реакций фотосинтеза- процесса, лежащего в основе продуктивности растений. Установлено, что запасание энергии в продуктах световой стадии фотосинтеза- НАДф-Н и АТФ, осуществляется в мембранах хлоропластов с помощью пяти энергопре-образующих комплексов: светособирающего "а"/"в" белкового комплекса, трех электронно-транспортных комплексов- фотосистемы I и фотосистемы Я, и комплекса цитохромов Bg/t , которые, окисляя молекулу воды восстанавливают НАДФ-Н и обеспечивают накопление протонов внутри тилакондов, а также сопрягающего комплекса, осуществляющего синтез АТФ за счет энергии электрохимического градиента протонов на зеилакоидной мембране.
Работами многих лабораторий показано, что соотношение §тих комплексов в мембранах хлоропластов изменяется в зависимости от вида растений и от условий выращивания, что, очевидно, связано с адаптацией фотосинтетического аппарата к условиям роста. Однако, эти процессы адаптации, за исключением адаптации к интенсивности и спектральноглу составу освещения, изучены еще недостаточно. В частности, отсутствуют данные о влиянии обеспеченности растений минеральным питанием на функциональную организацию первичных процессов фотосинтеза. Между тем, такие исследования не только представляют интерес для выяснения механизмов регуляции фотосинтеза, но могут быть полезны и для разработки методов .диагностики недостаточности минерального питания растений.
Изменения в содержании хлорофиллов "а" "в".
Как видно из рис. 10 содержание хлорофилла "а" возрастает в течение первых 10-12 час после чего снижается ниже исходного уровня, а количество хлорофилла "в" незначительно изменяется в процессе голодания. Соответственно, отношение хлорофилл "а"/"в" увеличивается до 3-4, а затем уменьшается до 2-2,5. При добавлении азота через 48 час голодания содержание хлоро-филлов начинает возрастать после некоторого лаг-периода, причем содержание хлорофилла "в" начинает увеличиваться несколько позднее, чем содержание хлорофилла "а". Как уже отмечалось в обзоре литературы количество хлорофилла "в" отражает количество светособирающего хлорофилл "а"/ "в" белкового комплекса, передающего энергию возбуждения в фотосистему П. Хлорэфиллы "а" и "в" входят в этот комплекс в соотношении 1,1-1,3. Таким образом общее количество хлорофилла в этом комплексе в 2,2 раза больше, чем количество хлорофилла "в". Так как остальной хлорофилл "а" входит в состав хлорофилл-белковых комплексов фотосистемы I и ЇЇ, то можно оценить количество хлорофилла в этих комплексах вычитая г 1,2 количества хлорофилла "в" из общего количества хлорофшша "а", а величину отношения количества хлорофилла "а" в комплексах фотосистемы I и Сготосистемы П к количеству хлорофилла в свето-собирающем комплексе (ССК) по формуле у С I + ФС II _ Хл а - 1,2 Хл в ССК 2,2 Хл в Как видно из рис. II азотное голодание в течение 48 час почти не изменяет количества светособирающих комплексов, а количество хлорофилла в комплексах фотосистемы I и її после некоторого увеличения уменьшается примерно в 2 раза относительно исходного уровня. В процессе восстановления светособираю-щий комплекс не синтезируется в течение 3 час,до тех пор, пока в результате синтеза хлорофилла "а", входящего в комплекси шотосистем I и її, не восстановится исходное значение соотно-ФСІ +ФСЇЇ шения.
После этого накопление этих двух типов комп- ССК лексов происходит с одинаковой скоростью. Избирательное разрушение хлорофилла "а" в фотосистемах I и II было подтверждено нами в экспериментах по измерению низкотемпературных спектров ПОГЛОЩЄЕШЯ целых клеток. У нормальных клеток в спектрах поглощения и их вторых производных обнаруживается несколько полос поглощения хлорофилла "а" с максимумами при 660, 669, 676, 680, 686 и 695 нм (рис. 12). Длинноволновые полосы поглощения Хл680, Хл686 и Хл695 обнаруживаются в основном только в хлорофилл-белковых комплексах фотосистем I и П, а коротковолновые- ХлббО, Хл669 и Хл676 входят приблизительно в одинаковом соотношении как в комплексы фотосистем, так И В СВеТОСОбИращиЙ комплекс ( Brown, Schoch, 1981).. причем в последнем полоса Хл669 имеет относительно большую интенсивность. Исходя из вышеприведенных результатов следовало ожидать, что уменьшение содержания хлорофилла "а" при азотном голодании в первую очередь приведет у уменьшению интенсивности длинноволновых полос поглощения хлорофилла "а , характерных для комплексов фотосистем I и П. Действительно , как видно из рис. 12 азотное голодание вызывает практически полное исчезновение длинноволновых полос поглощения. Уменьшение поглощения обнаруживается и в других полосах, причем степень этого уменьшения минимальна для поглощения хлорофилла "в" и Хл669, что подтверждает вывод о стабильности светособирающего хлорофилл "а"/"в" белкового комплекса в процессе азотного голодания. 3. Изменения в содержании электрон транспортных комплексов. Количество реакционных центров фотосистемы II оценивали по максимальной интенсивности замедленной флуоресценции клеток хлореллы в присутствии диурона при насыщающей интенсивности света.
Световые кривые замедленной флуоресценции обработанных диуроном клеток приведены на рис. 13. Видно, что у клеток, вы ращенных на полной среде» замедленная флуоресценция насыщается при низкой интенсивности возбуждающего света. По мере голодания интенсивность света, необходимая для достижения максимальной интенсивности свечения увеличивается. Параметры световой кривой свечения определяли по графикам,построенным в обратных координатах.(рис. 14). На рис. 15 показаны изменения при азотном голодании максимальной интенсивности свечения ( L„OV ) и и обратной величины полунасьпцагащеіі интенсивности света (І/Зі/р) для замедленной флуоресценции обработанных диуроном клеток. Из представленных результатов следует, что количество реакционных центров фотосистемы П у голодных клеток уменьшается в 2,5 раза. Примерно в той же степени, в 3 раза, уменьшается каккколичество активных реакционных центров фотосистемы I, которое определяли по величине фотоиндуцированного сигнала ЭПР в присутствии диурона, так и количество связанного марганца в клетках, которое определяли по амплитуде сигнала ЭПР свободных ионов Мц"+ после добавления к клеткам Н(Л до концентрации 10 М (рис. 16). Уменьшение количества реакционных центров фотосистемы I и И и количества связанного марганца происходит уже в первые часы голодания, в то время,когда количество хлорофилла в комплексах фотосистемы I и Л еще возрастает, а Фотохимическая активность Фотосистем I и П уменьшается (рис. 6). Очевидно на начальных стадиях голодания продолжается синтез хлорофилл-белковых комплексов фотосистем I и П (рис. 16), но скорость инактивации реакционных центров в этих комплексах превышает скорооть их синтеза, поэтому в первые часы голодания в клетках накапливаются комплексы фотосистемы I и фотосистемы ІІ с неактивными реакционными центрами. В дальнейшем происходит разрушение хлорофилла в тех фотосистемах, у которых инактивиро-ваны реакционные центры и отношение количества реакционных
Спектры и относительный выход тлуорес^ен ценции хлорофилла "а" в целых клетках.
На рис. 17 представлены спектры низкотемпературной флуоресценции клеток хлореллы на различных стадиях голодания и восстановления. В спектре .флуоресценции нормальных клеток наблюдается три полосы, проявляющиеся в виде максимумов при 685, 720 и 695 нм, обусловленные (флуоресценцией хлорофилла светособирающего комплекса фотосистем I и П, соответственно ( strasser futler , IS77). В первые сутки голодания в спектрах флуоресценции клеток исчезает максимум при 6У5 нм и уменьшается, относительная интенсивность полос Флуоресценции фотосистемы I при 720 нм. После двух суток голодания этот максимум смещается в коротковолновую область до 710-715 нм. Через 6 час после добавления нитрата к клеткам, выдержанным 48 час на среде без азота, соотношение интенсивностей полос в спектрах флуоресценции приближается к тому, которое характерно для нормальных клеток. На рис. 18 показана кинетика изменения ОТНОШЕНИЯ интенсивностей полос флуоресценции 72(/-685 Эт0 0ТЯ0Ш9Ние уменьшается в тенение первых суток голодания от 1,3 до 0,8 и в дальнейшем практически не изменяется. При восстановлении клеток после 2 суток голодания отношение Фу /Фббб не изменяется в течение 3 час после добавления нитрата, а через 6 час достигает исходного значения. Поскольку в течение первых 12 час голодания, в в то время, когда происходит основное уменьшение отношения ф72с/ 685 отношение ФСІ + ФСП/ССК возрастает, то можно предположить, что уменьшение этого отношения у голодных клеток обусловлено уменьшением миграции энергии от ССК к фотосистеме I. Однако, измерение спектров низкотемпературной флуоресценции не позволяет установить за счет чего уменьшается отношение $72(/%85 Эт0 может быть вызвано как уменьшением интенсивности полосы 3?r;pQ, так и увеличением полосы Фсос.
Поэтому в дальнейшем мы изучали изменения относительного выхода флуоресценции при низкой интенсивности возбуждающего света в присутствіш диурона (мах - выход флуоресценции при закрытых центрах фотосистемы П) и в его .отсутствие (Р - выход флуоресценции при закрытых центрах) ( Malkin, Kok , 1966). Как видно из рис. 19 величина 3?макс несколько возрастает в первые 6 час голодания и в дальнейшем практически не изменяется. В то же время PQ увеличивается и через 30 час приближается к занчению Р .. В результате отношение (3?мах ,-?оУ о » хаР теризующее квантовую эффективность использования энергии света в фотосистеме 11 ( Malkin et ai 1981), уменьшается в этот период от 1,2 до 0 (рис. 19в). Обращает на себя внимание тот факт, что FQ и 3? , практически не уменьшаются в течение вторых суток, несмотря на почти двухкратное уменьшение содержания хлорофилла "а" в клетках между 12 и 48 час голодания. Так как при открытых центрах фотосистемы П флуоресценция хлорофилла в клетках при комнатной температуре обусловлена в основном блуореаценцией антенного хлорофилла "а" в светособирающем комплексе ( Haehnel et al, 1983), то данный результат служит дополнительным подтверждением наших данных о том, что у голодных клеток не только хлорофилл "в", но и хлорофилл "а" в светособирающем комплексе не разрушается в течение 48 час голодания. Вывод о возрастании квантового выхода флуоресценции у голодных клеток подтверждается также данными об увеличении времени жизни флуоресценции хлорофилла в голодных клетках. Во время голодания среднее время жизни флуоресценции возрастает в 3 раза от 500 до 1500 псек (рис. 20), что отражает уменьшение вероятности тушения в возбужденных состояний у голодных клеток. Возрастание PQ до величины Р может быть обусловлено двумя причинами: 1.
Тем, что фотосистема П разрушена или ее хинонный акцептор находится в восстановленном состоянии. 2. Нарушена миграция энергии от светособиравдего комплекса к фотосистеме П. Как следует из данных, приведенных на рис. 16, у голодных клеток даже через 48 час остается не менее 30# активных комплексов фотосистемы П. Такое уменьшение числа реакционных центров фотосистем П само по себе не может привести к уменьшению (?мах - / Ц нуля. Отсюда следует, что увеличение квантового выхода флуоресценции обусловлено второй причиной, а именно увеличением квантового выхода флуоресценции светособираще-го комплекса вследствие нарушения миграции энергии от этого комплекса к оставшимся функционально активными комплексам, фотосистемы П. 5. Изменения энергизации тилакошшых мембран. а/ фотоиндуцированнне изменения, поглощения целых клеток при 520 нм. С целью изучения в энергизации мембран тилакоидов в целых клетках голодающей культуры мы исследовали фотоиндуцированнне электрохромные изменения поглощения при 520 нм, отражающие величину электричнского потенциала на мембране тилакоидов ( junge 1977), а также интенсивность замедленной флуоресценции хлорофилла в целых клетках, чувствительную к изменениям как электрической, так и концентрационной составляющей градиента электрохимического потенциала протонов на тилакоидной мембране. Как видно из рис. 21 стационашое значение разности электрических потенциалов остается высоким на протяжении двух суток голодания несмотря на снижение скорости соотосинтетического потока электронов. Амплитуда фотоиндуцированных изменений поизш щения при 520 нм возрастает в первые 12 час голодания примерно в два раза и в после .дующий период медленно снижается, достигая через двое суток голодания исходного значения. В процессе голодания происходит также изменение кинетики фотоиндуцированных изменений поглощения (рис. 22). У нормальных клеток включение действующего» света вызывает двухфазное возрастание отпической плотности при 520 нм с последующим снижением до некоторого стационарного уровня. Через 24 часа голодания в кинетике изменений оптической плотности остается толь; -ко быстрая фаза нарастания, увеличенная по амплитуде по сравнению с нормальными клетками, а медленная фаза нарастания отсутствует.
Другим отличием процессов фотоиндуцированной энергизации тилакоидов у голодных клеток является большая величина изменений поглощения при 520 нм, когда энергизация вызывается в основном циклическим транспортом электронов в фотосистеме I. Циклический транспорт электронов индуцируется освещением кле ток дальним красным светом ( А. 700 нм), поглощаемым преимущественно фотосистемой I, или освещением клеток светом, возбуждающим обе фотосистемы в присутствии диурона, ингибиру-гащего нециклический поток электронов от оотосистемы П к фотосистеме I. Если у нормальных клеток энергизация за счет циклического потока электронов крайне мала, то уже через 24 часа голодания она становится близкой к величине энергизации мембран за счет нециклического транспорта электронов (рис. 22) Таким образом исследование фотоиндуцированного уменьшения при 520 нм показывает, что голодные клетки, несмотря на значительное снижение скорооти транспорта электронов сохраняют высокое значение стационарной разности электрических потенциалов на тилакоидной мзмбране. При этом в отличие от нормальных клеток энергизация хлоропластов у голодных клеток обеспечивается почти исключительно за счет циклического транспорта электронов в фотосистеме I. б/ Изменения интенсивности замедленной флуоресценции. На рис. 23 показаны изменения интенсивности миллисекундных и долгоживущих компонент замедленной флуоресценции, измеренной с помощью проточных датчиков непосредствено в культуре голодающих клеток. Интенсивность долгоживущей замедленно- флуоресценции уменьшается примерно в 10 раз в течение первых суток голодания. Интенсивность этого свечения зависит от активности кислородвьщеляїшдей системы хлоропластов ( Venediktov, Krivo-she jeva,i983) увеличивается при переходе каталитического центра этой системы в состояние с высокой степенью окисления (маї-kin, 1977). Уменьшении его интенсивности отражает, очевидно
Изменения энергизации тилакоиднык мембран.
а/ фотоиндуцированнне изменения, поглощения целых клеток при 520 нм. С целью изучения в энергизации мембран тилакоидов в целых клетках голодающей культуры мы исследовали фотоиндуцированнне электрохромные изменения поглощения при 520 нм, отражающие величину электричнского потенциала на мембране тилакоидов ( junge 1977), а также интенсивность замедленной флуоресценции хлорофилла в целых клетках, чувствительную к изменениям как электрической, так и концентрационной составляющей градиента электрохимического потенциала протонов на тилакоидной мембране. Как видно из рис. 21 стационашое значение разности электрических потенциалов остается высоким на протяжении двух суток голодания несмотря на снижение скорости соотосинтетического потока электронов. Амплитуда фотоиндуцированных изменений поизш щения при 520 нм возрастает в первые 12 час голодания примерно в два раза и в после .дующий период медленно снижается, достигая через двое суток голодания исходного значения. В процессе голодания происходит также изменение кинетики фотоиндуцированных изменений поглощения (рис. 22). У нормальных клеток включение действующего» света вызывает двухфазное возрастание отпической плотности при 520 нм с последующим снижением до некоторого стационарного уровня. Через 24 часа голодания в кинетике изменений оптической плотности остается толь; -ко быстрая фаза нарастания, увеличенная по амплитуде по сравнению с нормальными клетками, а медленная фаза нарастания отсутствует.
Другим отличием процессов фотоиндуцированной энергизации тилакоидов у голодных клеток является большая величина изменений поглощения при 520 нм, когда энергизация вызывается в основном циклическим транспортом электронов в фотосистеме I. Циклический транспорт электронов индуцируется освещением кле- ток дальним красным светом ( А. 700 нм), поглощаемым преимущественно фотосистемой I, или освещением клеток светом, возбуждающим обе фотосистемы в присутствии диурона, ингибиру-гащего нециклический поток электронов от оотосистемы П к фотосистеме I. Если у нормальных клеток энергизация за счет циклического потока электронов крайне мала, то уже через 24 часа голодания она становится близкой к величине энергизации мембран за счет нециклического транспорта электронов (рис. 22) Таким образом исследование фотоиндуцированного уменьшения при 520 нм показывает, что голодные клетки, несмотря на значительное снижение скорооти транспорта электронов сохраняют высокое значение стационарной разности электрических потенциалов на тилакоидной мзмбране. При этом в отличие от нормальных клеток энергизация хлоропластов у голодных клеток обеспечивается почти исключительно за счет циклического транспорта электронов в фотосистеме I. б/ Изменения интенсивности замедленной флуоресценции. На рис. 23 показаны изменения интенсивности миллисекундных и долгоживущих компонент замедленной флуоресценции, измеренной с помощью проточных датчиков непосредствено в культуре голодающих клеток.
Интенсивность долгоживущей замедленно- флуоресценции уменьшается примерно в 10 раз в течение первых суток голодания. Интенсивность этого свечения зависит от активности кислородвьщеляїшдей системы хлоропластов ( Venediktov, Krivo-she jeva,i983) увеличивается при переходе каталитического центра этой системы в состояние с высокой степенью окисления (маї-kin, 1977). Уменьшении его интенсивности отражает, очевидно, уменьшение количества активных центров, разлагающих воду, что проявляется также в уменьшении количества связанного марганца в клетках (рис. 16). Более высокая степень ингибирования долгоживущей замедленной флуоресценции по сравнению со стен пенью снижения содержания марганца может быть обусловлена тни; что значительная часть комплексов кислородвыделяющей системы, сохраняющих связанный марганец, находятся все же в неактивном состоянии. Интенсивность миллисекундных компонент замедленной флуоресценции значительно снижается в первый час пошіе начала освещения клеток, помещенных на среду без азота. Аналогичные обратимые изменения выхода замедленной флуоресценции хлорофилла, вызванные свето-темновой адаптацией, были обнаружены ранее при синхронизации деления клеток периодическим освещением ( Venediktov et ai 1981). При дальнейшем освещении голодающих клеток интенсивность замедленной флуоресценции медленно возрастает в течение 20 час примерно до уровня, характерного для адаптированных к темноте клеток, а затем уменьшается до значения, составляющего около 40$ от исходной величины (рис. 23). ири измерении миллисекундной замедленной флуоресценции на фосфороскопе с меньшим интервалом между освещением образца и регистрацией свечения, увеличение интенвивности замедленной флуоресценции в первые 20 час голодания выражено в еще большей степени. Поэтому, у клеток, голодавших в течение 48 час интенсивность замедленной флуоресценции в данных условиях измерения оказывается даже выше исходной (рис. 24а). Форма индукционной кривой замедленной флуоресценции также изменяется в ходе голодания. При освещении клеток интенсивность свечения быстро возрастает до некоторого максимального значения, а затем снижается до стационарного уровня. В пр.„щессе го- лодания индукционный максисмум начинает снижаться раньше, чем стационарный уровєііь свечения. В результате после 20 час голодания амплитуда индукционного максимума становится практически равной стационарной интенсивности свечения (рис. 23.). При восстановлении фотосинтетического аппарата клеток, выдержанных двое суток на среде без азота, интенсивность замедленной флуоресценции начинает увеличиваться не ранее, чем через 4 часа после добавления нитрата (рис. 23). Если де нитрат добавляли клеткшл, достигшим максимальной интенсивности милли-. секундного свечения, через 18 час голодания, то нитрат вызыал быстрое уменьшение интенсивности замедленно!-, флуоресценции (рис. 246).
Приведенные-результаты свидетельствуют о том, что изменения интенсивности миллисекундных . компонент1 замедленной флуоресценции у голодающих клеток определяются двумя различными процессами. Во-первых, интенсивность свечения уменьшается в результате инактивации части реакционных центров и уменьшения квантового выхода разделения зарядов в фотосистеме П. Во-вторых, азотное голодание вызывает увеличение квантового выхода замедленной шлуоресцеищш до величины, близкой к той, которая характерна для адаптированных к темноте клеток. Известно, что интенсивность замедленной флуоресценции хлорофилла чувствительна к скорости электрон-транспортных реакций в фотосистеме П, а также к величине градиента электрохи мического потенциала протонов на мембране хлоропластов ( маї-kin IS77). Освещение адаптированных к темноте клеток или добавление нитрата к клеткшл, голодавшим в течение 18 час, не вызывает резких изменений скорости фотосинтеза (рис. 25), между тем, как интенсивность замедленной флуоресценции изменяется при этих воздействиях в несколько раз. Следовательно, можно предположить, что наблюдаемые изменения интенсивности замедленной флуоресценции- Обусловлены изменениями протонного градиента на тилакоидной мембране. Представляется весьма вероятным, что изменения, энергиза-ции мембран хлоропласгов в зависимости от обеспеченности клетки нитратом отражают изменения в о;отосинтетическом аппапате, вызванные перестройкой азотного метаболизма в клетках водороп-ли. В следующей главе приведены исследования взаимосвязи функ-ционирования фотосинтетического аппарата с особенностями азотного питания водоросли .
Фотоиндуцированные изменения погло щения при 520 нм при обратимой, инактивации нитратвосстанавливающей системы.
Выше уже отмечалось, что азотное голодание приводит к изменению кинетики фотоиндуцированного увеличения поглощения при 520 нм и к увеличению вклада циклического потока электронов в энергизацию мембран тилакоищов. Ниже приведены данные о связи этих изменений с инактивацией нитратвосстанавливащей системы. Помещение нормальных клеток в темноту, также, как и азотное голодание, приводит к увеличению амплитуды быстрой фазы нарастания гаотоиадуцированных изменений поглощения (рис. 30а). Стационарная амплитуда изменений поглощения при этом снижается, но после выключения действующего света появляются изменения поглощения обратного знака, медленно уменьшающиеся в темноте. Это означает, что у адаптированных к темноте клеток увеличивается концентрационный градиент протонов, что приводит к появлению диффузионной разности электрических потенциалов обрав-ного знака по сравнению с шотоиндуцированным потенциалом.( jun_ ge 1977). Одновременно увеличивается амплитуда изменений поглощения при 520 нм, возникающих при индуцировании циклического транспорта электронов под действием света (К 700 нм) (рис. 306);, поглощаемого фотосистемой I. Добавление глюкозы, активирующей нитратвосстанавливающую систему у адаптированных к темноте клеток, приводит к восстановлению амплитуды и кинетики изменений поглощения, характерных для клеток, адаптированных к освещению (рис. 30а). Эти результаты подтверждают предположение о том, что инактивация нитратвосстанавливающей системы увеличивает, а активация- уменьшает энергизацию мембран хлоропластов.
Как следует из рис. 31, активация нитратвосстанавливающей системы при добавлении нитрата к голодным клеткам, у которых энергизащш обеспечивается, в основном щшлическшл транспортом электронов, приводит к еще большему по сравнению нормальныгли клетками подавлению тотоиндуцированных изменений поглощения при 520 нм. При атом онергизация под действием длинноволнового света, поглощаемого фотосистемой I, подавляется полностью1. Таким образом при активации нитратвосстанавливающей системы онергизация тилакоидных мембран, обусловленная циклическим транспортом электронов в фотосистеме I подавляется в наибольшей степени. На основании полученных в настоящей работе экспериментальных данных последовательность изменений в фотосинтетическом аппарате клеток хлореллы в процессе азотного голодания может быть представлена в виде следующей схемы (рис. 32). У клеток растущих на полной среде, энергия, поглощенная светособирающим комплексов, передается, в и 0 И и, частично, в ФС I, которые осуществляют перенос электронов к НАДФ от воды, сопряженный с образованием протонного градиента и фосшорилированием. Вклад циклического транспорта электронов в образование протонного градиента относительно невелик в этих условиях (рис. 32а).
В течение первых суток азотного голодания происходит инактивация части комплексов, ответственных за окисление воды, и реакционных центров в комплексах фотосистем I и П. Хлорофилл, входящий в эти комплексы в этот период сохраняется. Одновременно уменьшается квантовый выход фотосинтеза целых клеток вследствие уменьшения миграции энергии от светособирающего комплекса к сохранившим активность фотосистемам I и II, что проявляется в увеличении квантового выхода флуоресценции при открытых, реакционных центрах фотосистемы 11 и уменьшении отношения інтенсивностей полос $7?(/685 ФлУРэсп.ен11ИИ хлорофилла, при надлежащего комплексу фотосистемы I и светособирающему комплексу. Потенциальная шотосинтетическая активность клеток при насыщающей интенсивности света уменьшается при этом не более, чем в два раза. Зто означает, что при азотном голодании сравнительно мало изменяется скорость стадии, лимитирующей скорость фотосинтеза. Ранее было показано, что у хлореллы при росте в оптимальных условиях скорость фотосинтеза лимитирована перено- СОМ ЭЛеКТрОНОВ МЄКДУ иОТОСИСТемаМИ I И II ( Venediktov et al 1981). По-видимому, при азотном голодании сохраняется высокая скорость взаимодействия между восстановленным пластохиноном и окисленным цитохрэмом на этом участке электрон-транспортной цепи. Результаты измерения фотоин.щщированных изменений поглощения при 520 нм показывают, что через сутки голодания значительно возрастает вклад реакций цшслического транспорта элвктронов в ФС I в энергизацию мембран хлоропластов. Это позволяет клет- высокий кам поддерживать р условиях азотного голодания уровень протонного градиента, несмотря на значительное снижение скорости транспорта электронов, обусловленное уменьшением квантового выхода фотосинтеза. В течение вторых суток голодания происходит разрушение хлорофилла в тех комплексах фотосистем I и П, в которых инактивированы реакционные центры (рис. 32с). Таким образом у голодных клеток функционирует фотосинтетический аппарат со значительно меньшим числом электронтранспортных комплексов по сравнению с нормальными клетками. Относительное количество светособирающего комплекса увеличено у голодных клеток, но у них нарушен перенос энергии возбуждения от этого комплекса к фотосистемам. В результате голодные клетки имеют почти такую же, как и нормальные клетки, максимальную скорость фотосинтеза, но значительно более низкий квантовый выход тосинтеза. Поэтому максимальная скорсоть фотосинтеза может быть достигнута у голодных клеток только при гораздо большей интенсивности действующего света по сравнению с нормальными клетками . Все изменения, вызванные двухдневным голоданием, полностью обратимы.
В течение примерно 6 час после добавления нитрата к голодным клеткам восстанавливается нормальное соотношение све-тособирающего комплекса и комплексов фотсистем I и П, увеличивается квантовый выход фотосинтеза и уменьшается квантовый выход флуоресценции хлоросшлла. При этом в первую очередь возобновляется синтез комплексов фотосистем I и П, а синтез свето-собиращего комплекса не начинается до тех пар, пока отношение Хл "а"/Хл "в" не достигнет исходного значения. У синезеденых водорослей азотное голодание вызывает преимущественное СНИЖеНИе КОЛИЧеСТВО фИКОбИЛИНОВ ( Allen, Smith 1969; Шендерова, Венедиктов, 1980). В процессе их восстановления после азотного голодания накопление хлорофилла начинается только после того, как вследствие синтеза фикобилина восстановится исходное значение отношения фикобилин/хлорофилл (Шендерова, Венедиктов, 1980). Очевидно скорость синтеза пигментов светособирающего комплекса с одной стороны и комплексов фотосистем I и П регулируется таким образом, что недостаток одного из компонентов тормозит синтез другого. Различия между зелеными и синезелеными водорослями в относительной стабильности све-тособиравдих и электрбнтранспортных комплексов очевидно отражает различные пути адаптации к недостатку минерального питанию у эукариот и прокариот. Ряд данных указывает на то, что наблюдаемые при азотном голодании изменения в фотосинтетическом аппарате действительно явшяются результатом регулируемой клеткой адаптации, а не пассив ным разрушением его компонентов под действием света в неблагоприятных условиях. Во-первых, разрушается только часть комплексов фотосистем I и II, а остальные комплексы фотосистем и свето-собирающий комплекс сохраняются в течение длительного времени. Во-вторых, скорость и степень уменьшения количества хлорофилла "а" практически не зависит от интенсивности освещения голодающих клеток (Шендерова и др., ІУ8І). В-третьих в течение двух суток голодания, в то время, когда происходят перестройки фотосинтетического аппарата, практически все клетки сохраняют жизнеспособность. В дальнейшем уменьшение содержания компонентов фотосинтетяческого аппарата происходит значительно медленнее, я, выживаемость клеток быстро уменьшается. Таким образом, в первые двое суток происходит перестройка фотосинтетпческого аппарата, очевидно, за счет изменения соотношения скорости синтеза и распада его компонентов. та перестройка отражает адаптацию клеток к переживанию неблагоприятных условий и в известном смысле аналогична процессам перехода клеток в покоящееся состояние (инцистирование). Сходство это усиливается и тем, что по данным электронной микроскопии ( Grimme 1974) у голодающих клеток образуется утолщенная оболочка. Вседствие итой перестройки уменьшается содержание комплексов оютосистем I и II, а также кислородвыделяющего комплекса, которые не лимитируют скорость фотосинтетического переноса электронов.
