Бактериохлорофиллы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Бактериохлорофи́ллы — гетерогенная группа фотосинтетических тетрапиррольных пигментов, которые синтезируются различными аноксигенными фототрофными бактериями, осуществляющими фотосинтез без выделения кислорода.

Спектральные свойства бактериохлорофиллов в клетках значительно отличаются от растворов, и определяются нековалентными взаимодействиями их молекул с содержащими их белками, а также друг с другом.

Химическая структура бактериохлорофиллов[править | править вики-текст]

Сравнение химических структур порфина, хлорина и бактериохлорина На каждую связь в макроцикле приходится два пи-электрона.

Бактериохлорофиллы a, b и g являются бактериохлоринами, то есть содержат в своём составе бактериохлориновый макроцикл с двумя восстановленными пиррольными кольцами (II и IV).

Бактериохлорофиллы с-f, как и хлорофиллы, имеют хлориновое макроцикловое кольцо единственным полностью восстановленным пиррольным кольцом IV. В отличие от всех остальных хлорофиллов и бактериохлорофиллов, у них отсутствует остаток -COOCH3 в положении R5, характерный для всех прочих хлорофиллов и бактериохлорофиллов. Каждый из этих бактериохлорофиллов имеет несколько форм, отличающихся радикалами R3 и R4, a также этерифицирующим спиртом R5 [1][2].

Название Структура R1 R2 R3 Связь С7-С8 R4 R5 R6 R7
Бактериохлорофилл a Bacteriochlorophyll.svg –CO–CH3 –CH3a –CH2CH3 одинарная -CH3 -CO-O-CH3 -фитил

-геранилгеранил

-H
Бактериохлорофилл b -CO-CH3 -CH3a =CH-CH3 одинарная –CH3 –CO–O–CH3 –фитил –H
Бактериохлорофилл c –CHOH–CH3 –CH3 –C2H5b
–C3H7
–C4H9
двойная –CH3
–C2H5
–H –фарнезил и др. –CH3
Бактериохлорофилл d –CHOH–CH3 –CH3 –C2H5b
–C3H7
–C4H9
двойная –CH3
–C2H5
–H –фарнезил и др. –H
Бактериохлорофилл e –CHOH–CH3 –CHO –C2H5b
–C3H7
–C4H9
двойная –CH3
–C2H5
–H –фарнезил и др. –CH3
Бактериохлорофилл f –CHOH–CH3 –CHO –C2H5b
–C3H7
–C4H9
двойная ––CH3
–C2H5
–H –фарнезил и др. –H
Бактериохлорофилл g –CH=CH2 –CH3a =СH-CH2 одинарная –CH3 –CO–O–CH3 –геранилгеранил –H

Химические свойства[править | править вики-текст]

Бактериохлорофиллы неустойчивы к действию света, кислот и окислителей. В полярных растворителях (например, в метаноле) они легко подвергаются алломеризации; в присутствии кислот – теряют центральный атом магния (феофитинизируются) и/или этерифицирующий остаток (фитол/фарнезол/геранилгериниол и др.)[3].

Бактериохлорофиллы b  и g, имеющие этилиденовый остаток при С-8, в слабокислой среде изомеризуются с образованием хлоринов. Особенно легко изомеризуется бактериохлорофилл g, превращающийся в результате в хлорофилл аF[4].

Под действием кислорода в молекулах бактериохлорофиллов происходит окислительный разрыв пятичленного кольца V; в дальнейшем образовавшиеся кислотные остатки у атомов с-13 и С-14 могут вновь замкнуться в шестичленное ангидридное кольцо с образованием бактериопурпуринов или пурпуринов [5][6].  

Биосинтез[править | править вики-текст]

Cхема биосинтеза бактериохлорофиллидов.

Упрощенная схема биосинтеза бактериохлорофиллидов a, b и g, а также (E,M)-бактериохлорофиллидов с-e[7] [8], показана на рисунке.

Ранее предполагалось, что первая стадия биосинтеза бактериохлорофиллов с-e, образование кольца V без карбоксиметильного заместителя при С132, может происходить еще до образования 3,8-дивинил-протохлорофиллида a[9]. В настоящее время это считается маловероятным[7] [10]

Последняя ступень биосинтеза, превращение бактериохлорофиллидов в бактериохлорофиллы, осуществляется с помощью эстераз, кодируемых генами BchG у бактериохлорофиллов a, b и g) и BchK у хлоробиум-хлорофиллов. В синтезе метилированных форм бактериохлорофиллов с-e принимают участие также метилаза С121-углерода BchR и С82-метилаза BchQ. Их субстратами, по-видимому, служат любые хлорофиллиды с гидроксиметильным остатком при С3, то есть метилирование может происходить на любом этапе после образования 8-этил-12-метил-бактериохлорофиллида d.

Распространение[править | править вики-текст]

Наиболее широко распространенный пигмент аноксигенных фототрофных бактерий - бактериохлорофилл а. Он является преобладающим хлориновым пигментом в реакционных центрах большинства фототрофных протеобактерий, у всех зеленых серобактерий (Сhlorobiaceae) и нитчатых аноксигенных фототрофов (Chloroflexiа). У немногих фототрофных протеобактерий бактериохлорофилл а полностью замещается бактериохлорофиллом b. Бактериохлорофилл g обнаружен только у одной небольшой по количеству видов и распространению группы бактерий, гелиобактерий.

Бактериохлорофиллы с-f присутствуют исключительно в хлоросомах, особых фотосинтетических антенных комплексах, имеющихся у всех зелёных серных бактерий (Chlorobiales), некоторых нитчатых аноксигенных фототрофов (Chloroflexia), а также у недавно обнаруженной фотогетеророфной ацидобактерии Chloracidobacterium thermophilum[11].

Пигмент Группа бактерий Максимум инфракрасного поглощения in vivo (нм)
Бактериохлорофилл a Пурпурные бактерии (большинство),Chlorobiaceae, Chloroflexales и Chloracidobacterium thermophilum 805-815, 830—890
Бактериохлорофилл b Пурпурные бактерии (некоторые) 835-850, 1020—1040
Бактериохлорофилл c Chlorobiaceae (зеленые штаммы) большинство Chloroflexia, Chloracidibacterium thermophilum 745-755
Бактериохлорофилл d зеленые штаммы Chlorobiaceae, Chloronema

(Chloroflexia)

705-740
Бактериохлорофилл e коричневые штаммы Chlorobiaceae 719-726
Бактериохлорофилл f некоторые лабораторные штаммы Chlorobiaceae ~705-707
Бактериохлорофилл g Гелиобактерии 670-788

Примечания

  1. Scheer, H. (2006). An overview of chlorophylls and bacteriochlorophylls: biochemistry, biophysics, functions and applications  In: B. Grimm et al. (eds): Chlorophylls and Bacteriochlorophylls. Springer Netherlands. (pp. 1-26)
  2. Orf, G. S., Blankenship, R. E. (2013). Chlorosome antenna complexes from green photosynthetic bacteria. Photosynthesis research116 (2-3), p. 15-331.
  3. Keely, B. J. (2006). Geochemistry of chlorophylls. In Chlorophylls and Bacteriochlorophylls (pp. 535-561). Springer Netherlands.
  4. Kobayashi, M., Hamano, T., Akiyama, M., Watanabe, T., Inoue, K., Oh-oka, H., Amesz J., Yamamura M., Kise, H. (1998). Light-independent isomerization of bacteriochlorophyll g to chlorophyll a catalyzed by weak acid in vitro. Analytica chimica acta365(1), 199-203.
  5. Keely, B. J. (2006). Geochemistry of chlorophylls. In Chlorophylls and Bacteriochlorophylls (pp. 535-561). Springer Netherlands.
  6. Grin, M. A., & Mironov, A. F. (2008). Synthetic and Natural Bacteriochlorins: Synthesis, Properties and Applications. In: Chemical Processes with Participation of Biological and Related Compounds: Biophysical and Chemical Aspects of Porphyrins, Pigments, Drugs, Biodegradable Polymers and Nanofibers, 5.
  7. 1 2 Liu, Z., & Bryant, D. A. (2011). Identification of a gene essential for the first committed step in the biosynthesis of bacteriochlorophyll c. Journal of Biological Chemistry286(25), 22393-22402.
  8. Tsukatani Y., Yamamoto H., Harada J., Yoshitomi T., Nomata J., Kasahara M., Mizoguchi T., Fujita Y.,   Tamiaki H. (2013). An unexpectedly branched biosynthetic pathway for bacteriochlorophyll b capable of absorbing near-infrared light. Scientific reports3.
  9. Frigaard, N. U., Chew, A. G. M., Maresca, J. A., & Bryant, D. A. (2006). Bacteriochlorophyll biosynthesis in green bacteria. In Chlorophylls and Bacteriochlorophylls (pp. 201-221). Springer Netherlands.
  10. Harada, J., Teramura, M., Mizoguchi, T., Tsukatani, Y., Yamamoto, K., & Tamiaki, H. (2015). Stereochemical conversion of C3‐vinyl group to 1‐hydroxyethyl group in bacteriochlorophyll c by the hydratases BchF and BchV: adaptation of green sulfur bacteria to limited‐light environments. Molecular microbiology98(6), 1184-1198.
  11. Bryant, Donald A.; Costas, AM; Maresca, JA & Chew, AG (2007-07-27), "«Candidatus Chloracidobacterium thermophilum: An Airobic Phototrophic Acidobacterium»", Science Т. 317 (5837): 523–526, PMID 17656724, doi:10.1126/science.1143236, <http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/317/5837/523>