БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 7, с. 1054 - 1065

УДК 581.1;577.355.132

СОСТОЯНИЯ 1 И 2 В ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОМ АППАРАТЕ

КРАСНЫХ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ И ЦИАНОБАКТЕРИЙ

Ю.В. Болычевцева¹*, И.В. Тропин², И.Н. Стадничук³

¹ ФИЦ Биотехнологии, Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН,

119071 Москва, Россия; электронная почта: bolychev1@yandex.ru

² Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,

биологический факультет, 119991 Москва, Россия

³ Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, 127726 Москва, Россия

Поступила в редакцию 13.05.2021

После доработки 23.06.2021

Принята к публикации 23.06.2021

У оксигенных фототрофов несбалансированное поглощение света фотосистемой I (ФС I) и фотосисте

мой II (ФС II) нарушает взаимодействие фотосистем, влияя на линейный поток электронов между ними.

У растений и зелёных водорослей дисбаланс устраняется перемещением хлорофилл a/b содержащей антен

ны между коровыми комплексами фотосистем. Эффект отражается на флуоресценции пигментного аппа

рата и получил название обратимого перехода между Состояниями 1 и 2. У красных водорослей и цианобак

терий, имеющих фикобилисомную антенну (ФБС), особенности формирования Состояний 1/2 после ряда

лет исследований остаются неясными. Предложенные молекулярные механизмы: латеральное перемеще

ние ФБС по поверхности тилакоидной мембраны от ФС II к ФС I, обратимое отделение ФБС от димерно

го комплекса ФС II, а также спилловер находят возражения, не отвечая совокупности накопленных данных.

Нами осуществлена регистрация изменений в стационарных спектрах флуоресценции красных водорослей

и цианобактерий в Состояниях 1/2 при комнатной температуре, что позволило предложить объяснение

имеющихся противоречий. Выявлено изменение флуоресценции хлорофилла и постоянство флуоресцен

ции ФБС, связанных с димерами ФС II, при найденном ранее обратимом отделении ФБС от мономерных

комплексов ФС I, чем доказана разная роль ФБС в двух фотосистемах. Возрастание флуоресценции ФБС,

принадлежащих ФС I, обусловлено изменением степени окисленности ферредоксина как переносчика

электрона и увеличением доли циклического транспорта электронов в пигментном аппарате в Состоянии 1.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Состояние 1, Состояние 2, фикобилисомы, флуоресценция, фотосистема I, фото

система II, хлорофилл.

DOI: 10.31857/S0320972521070095

ВВЕДЕНИЕ

считается установленным. В основе лежит пере

мещение тримеров хлорофилл a/b содержащего

Быстрая адаптация пигментного аппарата к

антенного комплекса LHCII в плоскости тила

разному светопоглощению двух фотосистем у

коидной мембраны при его фосфорилирова

оксигенных фототрофов, необходимая для кор

нии/дефосфорилировании с примыканием к

рекции поступления энергии к реакционным

коровым комплексам той или другой фотосис

центрам ФС I и ФС II, получила название обра

темы, что увеличивает или уменьшает их сече

тимого перехода из Состояния 1 в Состоя

ние поглощения. Процесс регулируется редокс

ние 2 [1, 2]. Состояние 1 соответствует большей

состоянием пула пластохинона, PQ [6, 7]. При

доле световой энергии, получаемой ФС I, Сос

большем поглощении света ФС II происходит

тояние 2 возникает при преимущественном пог

восстановление PQ пула и комплекса цитохро

лощении света ФС II. Впервые эффект был опи

мов b₆ f, что ведёт к появлению дополнительно

сан в 1969 г. у красных [3] и зелёных водорос

го сайта окисления у образующегося пластохи

лей [4] и позднее нашёл подтверждение для циа

нола, PQH2, в результате чего активируется спе

нобактерий и высших растений [1, 5].

цифическая киназа [8]. LHCII, фосфорилируясь

У зелёных водорослей и растений молеку

киназой, отделяется от корового димерного

лярный механизм переходных Состояний 1/2 комплекса ФС II, становясь после перемещения

дополнительной антенной ФС I. В итоге реали

Принятые сокращения: ФБС - фикобилисома;

зуется Состояние 2 пигментного аппарата. При

ФС II - фотосистема II; ФС I - фотосистема I.

большей доле света в спектральной области пог

* Адресат для корреспонденции.

лощения ФС I формируется обратная цепь со

1054

СОСТОЯНИЯ 1 И 2 У КРАСНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ И ЦИАНОБАКТЕРИЙ

1055

бытий с участием фосфатазы (см. статью

ний 1/2 характеризуются как новыми успехами,

Dumas et al. [9] и ссылки к ней) и возникает Сос

так и рядом противоречий [2]. Так, мутации у

тояние 1. Процесс отражается на возрастании

цианобактерии Synechocysti 6803, затрагиваю

или падении уровня флуоресценции двух фото

щие аллофикоцианиновое ядро и длинноволно

систем [10].

вые терминальные эмиттеры ApcD, ApcE и

Цианобактерии и красные водоросли по со

ApcF в составе ФБС, от которых энергия пере

отношению реакционных центров характеризу

даётся хлорофиллу, как и ожидалось, сказыва

ются в среднем примерно трёхкратным преоб

ются на флуоресценции пигментного аппара

ладанием ФС I в пигментном аппарате над

та (см., например, [20, 21]), что свидетельствует

ФС II [11, 12]. Кроме того, коровая антенна

об участии ФБС в образовании Состояний 1/2,

ФС II по количеству хлорофилла в 2,7 раза усту

но не проясняет механизма эффекта. Гипотеза

пает антенне ФС I [13]. Для увеличения свето

обратимого перемещения ФБС по поверхности

сбора в этих группах фототрофов вместо LHCII

тилакоидной мембраны в Состояниях 1/2 бази

служат фикобилисомы (ФБС) - водораствори

руется на падении и восстановлении интенсив

мые пигмент белковые макрокомплексы, при

ности флуоресценции ФБС после фотовыцвета

мыкающие к стромальной стороне тилакоидной

ния (FRAP) [18], методе, который не свободен

мембраны [12, 14]. Tриггером Состояний 1 и 2 у

от артефактов, вызванных избыточной энергией

всех фотосинтетиков является степень окисле

используемых при этом лазеров [22]. Допуска

ния PQ пула [15, 16]. Освещение клеток светом,

лись появление и распад в тилакоидной мембра

поглощаемым хлорофиллом, приводит у циано

не некоторой части тройных суперкомплексов

бактерий и красных водорослей к активизации

(ФС I-ФБС-ФС II), что может влиять на флуо

ФС I, уменьшению активности ФС II и увеличе

ресценцию. Однако доля таких доменов в срав

нию окисленности PQ пула с реализацией Сос

нении с сепаратно расположенными комплек

тояния

1. Освещение светом, поглощае

сами ФС I и ФС II очень низка, что не соответ

мым ФБС, увеличивая долю энергии, поступа

ствует уровню флуоресцентных изменений, наб

ющей к ФС II, ведёт к восстановлению PQ пула

людаемых для Состояний 1/2 [23]. Против гипо

и переходу пигментного аппарата в Состояние 2.

тезы спилловера, предложенной ещё в 1969 г. [1]

У цианобактерий предложены три основные ги

как причины появления Состояний 1/2, серьёз

потезы появления двух Состояний. 1) Обрати

ным возражением является выстраивание мемб

мое перемещение ФБС по поверхности тилако

ранных рядов из димеров ФС II, известное по

идной мембраны от коровых комплексов ФС II

электронным микрофотографиям [24, 25]. При

к коровым комплексам ФС I с соответствую

этом флуоресценция ФС I должна была бы па

щим усилением или ослаблением флуоресцен

дать за счёт очевидного увеличения среднего

ции каждой из фотосистем. 2) Частичное отде

расстояния между комплексами фотосистем, в

ление ФБС от тилакоидной мембраны с увели

то время как, согласно низкотемпературным

чением расстояния между ФБС и коровыми

спектрам, падение достоверно не регистрирует

комплексами, что приводит к снижению эф

ся [22]. Предполагалось, что обеспечивать под

фективности миграции энергии от ФБС.

вижность ФБС в Состояниях 1/2 у цианобакте

3) Спилловер - перемещение пигмент белко

рий могут Ser/Thr содержащие киназы, подоб

вых комплексов ФС II и ФС I в плоскости тила

но их роли в перемещении LHCII у растений, но

коидной мембраны с появлением латеральных

после получения всех возможных делеционных

контактов и прямой передачей энергии между

Ser/Thr киназных мутантов у цианобактерии

ними (см. статью Federman et al. [17] и ссылки к

Synechocystis 6803 их участие в подобных процес

ней). Допускаются также механизмы, гибрид

сах не подтвердилось [26]. Поэтому механизм

ные для трёх перечисленных, а также изменения

передачи сигнала от пластохинонового пула ос

флуоресценции хлорофилла в составе коровых

таётся неясным.

комплексов ФС I и ФС II за счёт их структурной

Появление Состояний 1/2 - быстро обрати

перестройки [18]. Например, если у всех фото

мый эффект, исчезающий примерно за 30 с.

трофов комплексы ФС II в тилакоидной мемб

Классическим методом изучения двух Состоя

ране сформированы в виде димеров, то у циано

ний является фиксация при 77 К стационарных

бактерий комплексы ФС I существуют в виде

спектров флуоресценции после предваритель

тримеров и мономеров, и высказано предполо

ного избирательного для ФС I или ФС II осве

жение, что степень тримеризации может зави

щения клеток. При возбуждении светом 440 нм

сеть от появления Состояний 1/2 [19].

низкотемпературная флуоресценция слагается

Предлагаемые гипотезы и их возможные мо

из полос ФС II при 685 и 695 нм и излучения

лекулярные механизмы оставляют много вопро

ФС I при 720-730 нм. Возбуждение образцов

сов, причём последние годы изучения Состоя

светом 570-590 нм добавляет к этим полосам

БИОХИМИЯ том 86 вып. 7 2021

1056

БОЛЫЧЕВЦЕВА и др.

максимум 660 нм, принадлежащий ФБС. Амп

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

литуда полос, принадлежащих ФБС и, возмож

но, ФС II при нормировании спектров по отно

Штаммы и условия культивирования. Клетки

шению к длинноволновому максимуму ФС I

цианобактерии Arthrospira (Spirulina) platensis

возрастает в Состоянии 1 в сравнении с Состоя

IPPAS P 511 из коллекции ИФР РАН выращи

нием 2. Вопрос безотносительного изменения

вали в 150 мл колбах при 30 °С на постоянном

собственной флуоресценции каждого комплек

белом свету 40 мкМ фотонов·м^-2·с^-1 (лампы

са: ФС I, ФС II или ФБС, остаётся при этом отк

SL 20/32 735, Китай) в свежеприготовленной

рытым.

среде Зарука при рН 9,6 на качалке Orbital

Вторым методом исследования Состоя

Shaker PSU 10i («Biosan», Латвия). Аксеничную

ний 1/2 служит РАМ флуориметрия. Основны

культуру термоацидофильной красной микро

ми характеристиками излучения являются ми

водоросли G. sulphuraria (Galdieri) Merola,

нимальный уровень модулированной флуорес

штамм IPPAS P 513 из коллекции ИФР РАН

ценции, F₀, при полностью открытых реакцион

выращивали в тех же условиях освещения и пе

ных центрах ФС II и максимальный - F_M - при

ремешивания при 36 °С на среде Аллен, созда

насыщающих вспышках света, и изменение

вая рН 2,5 за счёт добавления H₂SO₄. В обоих

этих уровней под воздействием дополнительно

случаях клетки осаждали мягким центрифуги

го освещения. В Состоянии 1 сигнал F_M являет

рованием при 180 g на 5-7 дни роста, ресуспен

ся более интенсивным, чем наблюдаемый для

дировали и доводили до необходимой в экспе

Состояния 2. Регистрация излучения ведётся в

риментах оптической плотности с помощью

спектральной области ≥ 680 нм, где вклад ФБС в

культуральной среды.

суммарную флуоресценцию остаётся значитель

Стационарные спектры флуоресценции сус

ным. Поэтому РАМ флуориметрия не позволяет

пензии клеток G. sulphuraria и A. platensis измеря

однозначно решить, ФБС или хлорофилл в

ли при комнатной температуре на спектрофлуо

большей степени влияют на F_M уровень.

риметре RF 5301 PC («Shimadzu», Япония); по

Известно, что существует недооценка роли

луширина спектральной щели для возбуждения

ФБС в функционировании ФС I и её участии в

флуоресценции хлорофилла при 435 нм и для

феномене Состояний 1/2 [12, 27, 28]. Ранее на

возбуждения ФБС при 580 нм, а также для реги

примере красной микроводоросли Galdieria sul=

стрируемого излучения составляла 5 нм. Опти

phuraria [29] с использованием спектрофлуори

ческая плотность образцов в красном максиму

метрии при 77 К нам удалось показать, что в

ме поглощения хлорофилла при 678 нм равня

Состоянии 1 происходит обратимое отделе

лась 0,1 в кювете толщиной 3 мм. Регистрация

ние ФБС от мономеров ФС I, в то время как

спектра в области 600-800 нм занимала 6 с, в те

связь ФБС с ФС II остаётся неизменной. Анало

чение которых, как показали контрольные заме

гичный вывод был сделан для ФС I у цианобак

ры излучения, сохранялись Состояния 1/2.

терии Synechocystis sp. 6803 [30]. В данной работе

Каждый спектр являлся средним из трёх изме

поставлена задача выявления изменений флуо

рений. Суспензию клеток выдерживали 5 мин в

ресценции в Состояниях 1/2 отдельно для коро

темноте, после чего аликвоты переносили в из

вых комплексов ФС II и ФС I, а также для фрак

мерительные кюветы. Здесь, а также при изме

ций ФБС, связанных с каждой из фотосистем

рениях флуоресценции в импульсном РАМ ре

непосредственно в физиологическом состоянии

жиме и при регистрации фотоокисления Р700

клетки без понижения температуры. В этих це

для перевода клеток в Состояние 1 использова

лях нами предложен и использован новый в по

ли освещение дальним красным светом 715 нм

добных исследованиях методический приём

(20 мкМ фотонов·м^-2·с^-1, 2 мин) от управляемой

быстрого измерения стационарных спектров

светодиодной лампы (High Power Led Lamp,

флуоресценции при комнатной температуре.

control unit HPL C, «Walz», Германия). Для реа

Полученные данные сопоставлены с результата

лизации Состояния 2 использовали свет 580 нм

ми РАМ флуориметрии, данными по фотоокис

(80 мкМ фотонов·м^-2·с^-1, 2 мин) от галогеновой

лению Р700 (реакционного центра ФС I) и с пре

лампы КL1500 («Schott», Германия) после ин

дыдущими низкотемпературными измерениями

терференционного фильтра BPF 580/35 (ООО

стационарных спектров. Мы исходим из пред

«Фотооптик», Россия) и теплового фильтра

ставления об универсальности молекулярного

(«Balzers», Лихтенштейн). Свет от источников

механизма Состояний 1/2 у цианобактерий и

излучения подавался через дополнительное вер

красных водорослей, обладающих сходным пиг

тикальное отверстие в кюветном отделении

ментным аппаратом. Исследование проведено

спектрофлуориметра с помощью световода.

параллельно для красной микроводоросли G. sul=

Флуоресценцию клеток в импульсном режиме

phuraria и цианобактерии Arthrospira platensis.

освещения регистрировали при помощи флуоро

БИОХИМИЯ том 86 вып. 7 2021

СОСТОЯНИЯ 1 И 2 У КРАСНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ И ЦИАНОБАКТЕРИЙ

1057

метра РАМ 101 («Walz») [31]. Для определения

435 нм в спектре исчезает полоса 660 нм, отно

минимального уровня флуоресценции F₀ в при

симая к ФБС, и наблюдается лишь полоса хло

боре применён частотно модулированный свет

рофилла с максимумом 682 нм (рис. 1, б). Ин

650 нм (< 1 мкM фотонов·м^-2·с^-1) с регистраци

тенсивность флуоресценции в Состоянии 2 в

ей суммарного излучения для длин волн

сравнении с Состоянием 1 понижается, как и

≥ 680 нм. Для получения максимального уровня

при возбуждении светом 580 нм, но форма

флуоресценции F_M или F_M′ использовали насы

спектра, в отличие от рис. 1, а, остаётся почти

щающие 1 с импульсы света интенсивностью

неизменной (сравнение рис. 1, а и 1, б). Сопос

5000 мкM фотонов·м^-2·с^-1 от управляемой лам

тавление разностного (рис. 1, а, спектр 3) и

пы на основе светодиодов 620 нм (High Power

«хлорофилльного» (рис. 1, б, спектр 2) спектров

Led Lamp, control unit HPL C, «Walz»).

показывает, что их коротковолновые склоны

Фотоокисление Р700, реакционного центра

полностью совпадают. Это означает, что спект

ФС I, регистрировали по разности поглощения

ральные изменения, сопровождающие обрати

клеток при 810 и 870 нм на двухволновой прис

мые Состояния 1/2, обусловлены хлорофиллом,

тавке ED P700 DW («Walz») [32], прилагаемой к

а изменения флуоресценции ФБС не происхо

РАМ 101. Измерения, как и при импульсной ре

дит. Иными словами, интенсивность флуорес

гистрации флуоресценции, проводили при кон

ценции фракции ФБС, принадлежащей ФС II,

центрации хлорофилла в образцах 10 мкг·мл^-1

при смене Состояний 1/2 сохраняется постоян

[31]. Интенсивности действующего света 580,

ной.

620 и 715 нм определяли, используя измеритель

Излучение хлорофилла в клетке при комнат

мощности излучения Optical Power Meter

ной температуре, как известно, почти пол

System («Thorlabs», Германия).

ностью принадлежит ФС II [34-36]. Часть излу

чения (правый склон спектров, рис. 1) обуслов

лена флуоресценцией ФС I. Поэтому несовпа

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

дение разностного и «хлорофилльного» спектров

в их длинноволновой части (рис. 1, в) указывает,

Стационарные спектры флуоресценции. При

что в Состоянии 2 флуоресценция ФС II падает

возбуждении флуоресценции клеток, находя

при остающемся неизменным излучении ФС I.

щихся в Состояниях 1 или 2, учитывали области

Чтобы с большей достоверностью судить об

преимущественного поглощения хлорофилла и

отсутствии изменений во флуоресценции ФС I,

ФБС в спектрах, которые ранее неоднократно

а также показать, что при смене двух Состояний

регистрировались для G. sulphuraria и A. рlatensis

флуоресцентные изменения у красных водорос

(см., например, [12, 33]). Полоса Соре хлоро

лей и цианобактерий происходят однотипно,

филла находится на участке спектра

спектры цианобактерии A. platensis были изме

400-440

нм; широкая полоса поглощения

рены в условиях, аналогичных условиям, ис

625 нм принадлежит ФБС, красный пик погло

пользованным для G. sulphuraria (рис. 2).

щения хлорофилла расположен при 678 нм.

ФС I в пигментном аппарате A. platensis обла

Спектры двух исследуемых видов обладают зна

дает конститутивными наиболее длинноволно

чительным сходством за счёт одинакового сос

выми из известных формами хлорофилла с ин

тава полудисковидных ФБС, фикобилипротеи

тенсивной флуоресценцией 760 нм [37] при 77 К,

нами которых являются С фикоцианин и алло

максимум которой сдвигается в область 727 нм

фикоцианин [12, 33].

при комнатной температуре (рис. 2, б и в). Эта

При возбуждении светом 580 нм, поглощае

особенность позволяет судить о возможности

мым преимущественно ФБС, спектры флуорес

изменений флуоресценции ФС I или их отсут

ценции клеток G. sulphuraria слагаются из излу

ствии, что не удаётся с полной чёткостью заре

чения фикобилисомной антенны с максимумом

гистрировать для G. sulphuraria. Отсутствие по

660 нм и возникающей за счёт миграции энер

лосы 727 нм в разностном спектре (рис. 2, в)

гии от ФБС флуоресценции хлорофилла с мак

позволяет утверждать, что, в отличие от ФС II,

симумом при 682 нм (рис. 1, а). Как и следовало

собственная флуоресценция хлорофилла ФС I

ожидать, в Состоянии 1 интенсивность флуо

при смене двух Состояний остаётся неизмен

ресценции оказывается заметно больше, чем в

ной. В коротковолновом участке спектра

Состоянии 2. Разностный спектр (Состояния 1

~650 нм также имеются различия (рис. 2, в), ко

минус Состояние 2) характеризуется единствен

торые не удаётся наблюдать в случае G. sulphu=

ным максимумом излучения 682 нм (рис. 1, а),

raria (рис. 1, в) (нельзя исключить, что эта ко

положение которого указывает на принадлеж

ротковолновая флуоресценция принадле

ность изменяющегося участка спектров хлоро

жит ФБС, но это требует дополнительного ис

филлу. При возбуждении флуоресценции светом

следования).

8 БИОХИМИЯ том 86 вып. 7 2021

1058

БОЛЫЧЕВЦЕВА и др.

светом 620 нм, который, как и свет 650 нм, ис

пользуемый для определения F₀, поглощается

одновременно хлорофиллом и ФБС. Затем клет

ки были переведены в Состояние 1 после осве

щения их 2 мин светом 715 нм интенсивностью

20 мкМ фотонов·м^-2·с^-1. В этом случае после 1 с

Рис. 1. Спектры флуоресценции клеток G. sulphuraria в

Состояниях 1/2: а - возбуждение светом 580 нм в Состоя

нии 1 (1), в Состоянии 2 (2) и их разностный спектр (3);

б - возбуждение светом 435 нм в Состоянии 1 (1) и в Сос

тоянии 2 (2); в - сопоставление разностного спектра 3а

(соответствует спектру 3 на панели а) и спектра 1б (соотве

тствует спектру 1 на панели б), нормированных в максиму

ме 682 нм

РАМ?флуориметрия. Используемые для

Рис. 2. Спектры флуоресценции клеток A. platensis в Состо

РАМ измерений адаптированные к темноте

яниях 1/2: а - возбуждение светом 580 нм в Состоя

клетки G. sulphuraria (рис. 3, а) и A. platensis

нии 1 (1), в Состоянии 2 (2) и их разностный спектр (3);

(рис. 3, б) после освещения 2 мин светом 580 нм,

б - возбуждение светом 435 нм в Состоянии 1 (1) и в Со

стоянии 2 (2); в - сопоставление разностного спектра

80 мкМ фотонов·м^-2·с^-1 находились в Состоя

3а (соответствует спектру 3 на панели а) и спектра 1б (со

нии 2. Для определения максимального уровня

ответствует спектру 1 на панели б), нормировка в максиму

флуоресценции F_М2 клетки были подвергнуты

ме 682 нм. Стандартное отклонение интенсивности в раз

высокоинтенсивному краткому (1 с) освещению

ностных спектрах здесь и на рис. 1 ≤ 1,5%

БИОХИМИЯ том 86 вып. 7 2021

СОСТОЯНИЯ 1 И 2 У КРАСНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ И ЦИАНОБАКТЕРИЙ

1059

ФС I при смене двух Состояний в одновремен

ных экспериментах (Р700 приставка к флуоро

метру). Если вместо одиночных применяется се

рия насыщающих вспышек, уровни флуорес

ценции F_М1 и F_М2 снижаются за счёт появления

нефотохимического тушения ФС II [2, 35, 36].

Это означает, что два световых адаптационных

процесса в этих условиях реализуются одновре

менно. Поэтому для разграничения эффектов

световой адаптации к Состояниям 1/2 и нефото

химического тушения в данной работе (рис. 3)

серийные вспышки не использовались.

Фотоокисление Р700 и изменения флуоресцен?

ции. Измерения переменной и стационарной

флуоресценции остаются малоинформативны

ми в отношении активности ФС I. Как изменя

ется работа ФС I при переходе от Состояния 2 к

Состоянию 1, когда уровень флуоресценции

ФС II повышается? Сравнивать изменения ак

тивности двух фотосистем в Состояниях 1/2

Рис. 3. РАМ флуориметрия G. sulphuraria (а) и A. platen=

sis (б), демонстрирующая разную интенсивность флуорес

ценции пигментного аппарата для клеток, находящихся в

Состоянии 2 во время первой насыщающей световой

вспышки (F_M2) и затем после перевода в Состояние 1 (F_M1)

во время второй вспышки

вспышки света 620 нм максимальный уровень

флуоресценция F_М1 был почти вдвое выше в

сравнении с уровнем F_М2, получаемым после

вспышки той же длительности. Известное по

многочисленным литературным данным неко

торое увеличение значения F₀ до F0′ после насы

щающей вспышки (рис. 3) пренебрежимо мало

в сравнении с изменениями F_М1 и F_М2 [35]. Оди

наковая реакция на вспышки, полученная для

клеток G. sulphuraria (рис.

3, а) и

A. platensis (рис. 3, б), как и в случае измерения

спектров (рис. 1 и 2), указывает на однотип

Рис. 4. Фотоокисление Р700 и переменная флуоресценция

ность процессов формирования Состояний 1/2

клеток G. sulphuraria: а - изменение относительного уров

у цианобактерий и красных водорослей. Флуо

ня (ΔА′/ΔА_max) фотоокисления Р700 (1) и выхода перемен

рометр РАМ 101 [35] не позволяет достоверно

ной, {(F_M - F₀)/F_M}, флуоресценции (2) в интервале време

оценить вклад флуоресценции ФБС в регистри

ни перехода из Состояния 2 в Состояние 1 на свету 715 нм;

б - кинетика фотоокисления восстановления Р700 на све

руемое излучение хлорофилла, однако даёт воз

ту 715 нм, регистрируемая в течение 30 с на одном образце

можность сопоставить результаты флуоресцент

клеток, находившихся в Состоянии 2 (первое освещение)

ных измерений с регистрацией степени фото

и затем в Состоянии 1 (второе освещение). Стрелки ↑ и ↓

окисления Р700, характеризующей активность обозначают включение и выключение света

БИОХИМИЯ том 86 вып. 7 2021

1060

БОЛЫЧЕВЦЕВА и др.

можно, сопоставляя степень фотоокисле

и затем повторив освещение, то окажется, что

ния Р700, как реакционного центра ФС I, и ки

кинетика процесса в первом случае характеризу

нетику изменения флуоресценции. Находив

ется относительно медленным окислением и

шиеся в темноте клетки G. sulphuraria переводи

восстановлением реакционного центра, но уже

ли в Состояние 2, освещая в течение 2 мин све

повторное освещение приводит к ускорению

том 580 нм, 100 мкМ фотонов·м^-2·с^-1. Затем

обоих процессов (рис. 4, б). Данное обстоятель

осуществляли постепенный переход из Состоя

ство означает активизацию фотоокисления Р700

ния 2 в Состояние 1, освещая образец светом

и накопление катион радикала Р700⁺ за счёт

715

нм интенсивностью

мкМ фото

увеличения интенсивности циклического транс

нов·м^-2·с^-1, которая позволяла наблюдать кине

порта электрона в ФС 1 и передачи электрона к

тику перехода при увеличении времени освеще

первичному внешнему акцептору, которым, как

ния. Интервалы времени предварительного ос

известно, является ферредоксин [38, 39].

вещения светом 715 нм составляли 0 с (сразу

после света 580 нм) и затем соответственно 10,

20, 30, 40, 50, 60 и 80 с; для каждой точки от

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

счётного времени использовали новый адапти

рованный к темноте образец (рис. 4, а). Отно

В данном исследовании рассмотрены адап

сительное изменение переменной флуоресцен

тационные изменения пигментного аппарата,

ции, {(F_M - F₀)/F_M}, регистрировали на насы

происходящие в Состояниях 1/2 у красной мик

щающей вспышке света 620 нм, 5000 мкМ фото

роводоросли G. sulphuraria и цианобактерии

нов·м^-2·с^-1 длительностью 1 с. В параллельной

A. platensis, которые принадлежат к двум разным

серии опытов активность Р700 (ΔА′) при перехо

группам фотосинтетиков, имеющих фикобили

де из Состояния 1 в Состояние 2 оценивали по

сомную антенну. Кроме наличия ФБС, сходство

отношению к максимальному уровню фото

пигментного аппарата G. sulphuraria и A. platensis,

окисления (ΔА_max), достигаемому на насыщаю

как у всех красных водорослей и цианобакте

щем свету 715 нм, 3000 мкМ фотонов·м^-2·с^-1.

рий, заключается в присутствии в тилакоидных

Иными словами, свет 15 нм разной интенсив

мембранах димеров ФС II и мономеров ФС I.

ности был использован и для осуществления

Наряду с мономерами у цианобактерий имеют

Состояния 1, и для фотоокисления Р700. Уро

ся тримеры ФС I; у красных водорослей моно

вень сигнала от окисленного Р700 измеряли в

меры ФС I обладают дополнительной хлоро

каждой временнóй точке после освещения об

филл а содержащей антенной, Lhcr протеи

разцов светом 715 нм интенсивностью 100 мкМ

ном [40]. Как показали проведённые экспери

фотонов·м^-2·с^-1. Сравнение изменения выхода

менты, световые адаптации к Состояниям 1/2

переменной флуоресценции и скорости фото

протекают для красных водорослей и цианобак

окисления Р700, возможное на качественном

терий одинаковым образом. Логично предполо

уровне, показывает их сходное поведе

жить, что пигмент белковые комплексы, кото

ние (рис. 4, а). Судя по обеим временным кри

рыми различаются виды, а именно тримеры

вым (рис. 4, а), в условиях опыта время перехо

ФС I и Lhcr протеин, играют второстепенную

да в Состояние 1 занимает ~30 сек. Поэтому

роль в данном феномене.

применяемое нами во флуоресцентных экспе

Эффективность миграции энергии от ФБС к

риментах (рис. 1-3) предварительное двухми

хлорофиллу, принадлежащему двум фотосисте

нутное освещение светом 715 нм гарантировало

мам, близка к 100% [41]. При исследовании

смену Состояний 1/2. Хотя для количественных

Состояний 1/2 наиболее важным остаётся воп

оценок экспериментальные данные недостаточ

рос о том, флуоресценция какого из пигмент

ны, очевидно, что увеличение флуоресценции

белковых комплексов и по каким причинам ме

ФС II после освещения 715 нм коррелирует с

няется в ходе освещения клеток светом разного

возрастанием скорости фотоокисления Р700,

спектрального состава. При комнатной темпе

т.е. с возрастанием активности ФС I. Это воз

ратуре флуоресценция ФБС, принадлежащих

можно только за счёт интенсификации цикли

ФС I, не должна наблюдаться [36], так как пере

ческого транспорта электрона в ФС I, осущест

нос энергии от ФБС происходит быстрее, чем её

вляемого без поступления электронов по цепи

излучение, а собственная флуоресценция ФС I

линейного транспорта от ФС II.

минимальна (рис. 1 и 2). Поэтому регистрируе

Если последовательно рассмотреть кинетику

мая при комнатной температуре флуоресценция

фотоокисления Р700 в течение 30 с, достаточ

с полосой 660 нм (рис. 1 и 2) относится к клеточ

ных для фотоокисления (рис. 4, а) на одном об

ной фракции ФБС, связанных с ФС II. Излуче

разце клеток, находившихся в Состоянии 2, сра

ние ФБС, связанных с ФС I, ясно проявляется

зу после включения действующего света 715 нм

только при низкой температуре 77 К [2, 29, 36].

БИОХИМИЯ том 86 вып. 7 2021

СОСТОЯНИЯ 1 И 2 У КРАСНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ И ЦИАНОБАКТЕРИЙ

1061

Ранее благодаря низкотемпературным спектрам

ФС II. Плоская поверхность и соответствие

удалось показать, что в Состоянии 1 у красных

площади димера ФС II размерам ядра ФБС ста

водорослей [29] и цианобактерий [30] происхо

билизируют два макрокомплекса [14, 44, 45]. Их

дит отделение ФБС от ФС I с нарушением миг

тесное взаимодействие обеспечивает синхрон

рации энергии между ними. Частичное разоб

ность формирования рядов, которые состоят из

щение ФС I со своей фикобилисомной антен

димеров ФС II, ясно различимых в Состоянии 1

ной возникает без перемещения ФБС к димерам

на горизонтальных сколах тилакоидных мемб

ФС II [29, 30]. В Состоянии 2 протекает обрат

ран, и рядов, образуемых ФБС на мембранной

ный процесс с быстрым восстановлением миг

поверхности тилакоида [24, 25]. Значение по

рации.

добной топологии оставалось неясным, и лишь

При 77 К совпадение спектральных свойств

недавно было показано, что формирование ря

двух фракций ФБС, принадлежащих каждой из

дов обеспечивает в них тесную состыковку со

фотосистем, не даёт возможности сделать од

седних димеров ФС II, при которой между ними

нозначное заключение о роли ФБС, относящих

возможен обмен энергией [46]. Миграция воз

ся к ФС II. Нам впервые удалось выявить разли

буждения в рядах после поглощения кванта све

чия Состояний 1 и 2 в стационарных спектрах

та, как установлено [47], увеличивает среднее

флуоресценции цианобактерий и красных водо

время жизни возбуждённого состояния для ан

рослей при комнатной температуре. В Состоя

тенного хлорофилла ФС II и подразумевает наб

нии 1 происходит увеличение, а в Состоянии 2 -

людаемые (рис. 1 и 2) изменения флуоресцен

уменьшение флуоресценции хлорофилла ФС II

ции. Поскольку предполагавшееся участие ки

(рис. 1 и 2). Указанием на это ранее служило из

назно фосфатазной системы в реализации Сос

мерение 77 К спектров цианобактерий при не

тояний 1/2 у цианобактерий не нашло подтвер

достаточно точном сравнении с флуоресценци

ждения [26], остаётся вопрос о возможных при

ей добавляемого к образцам клеток внутреннего

чинах изменения плоскостной геомет

стандарта, флуоресцеина или родамина [42, 43].

рии (рис. 5, в и г) димеров ФС II в мембране ти

Флуоресценция ФБС, связанных с ФС II, в от

лакоидов. В Состоянии 1 при снижении актив

личие от флуоресценции хлорофилла, в ходе

ности ФС II происходит уменьшение притока

смены двух Состояний оказалась неизменной.

электронов к пластохинону, что позволяет сба

Сохраняющееся постоянство флуоресцен

лансировать скорости восстановления и окисле

ции ФБС, связанных с ФС II, очевидным обра

ния переносчиков электронов между фотосис

зом противоречит возможности перемещения

темами. В этих условиях возникает трансмемб

фикобилисомной макроантенны от ФС II к

ранный электрохимический потенциал (необ

ФС I. Кроме того, требуется обоснование вряд

ходимый для синтеза АТФ), который образуется

ли возможного молекулярного механизма, спо

в результате разделения зарядов между наруж

собного к перемещению в плоскости мембраны

ной и внутренней сторонами тилакоидной

белковых макрокомплексов массой в несколько

мембраны. Такое состояние энергизации мемб

млн дальтон, какими являются ФБС [2, 14, 18].

раны соответствует появлению рядов, состоя

Спилловер, как ещё одно возможное объясне

щих из димеров ФС II, за которыми следуют

ние Состояний 1/2, предполагает, что за счёт

связанные с ними ФБС, также формирующие

возникновения прямого контакта между комп

ряды на поверхности мембраны. На свету, пог

лексами двух фотосистем уменьшение флуорес

лощаемом ФБС (Состояние 2), за счёт активиза

ценции хлорофилла ФС II должно сопровож

ции ФС II возрастает приток электронов к плас

даться передачей возбуждения и увеличением

тохиноновому пулу, вызывая обратный процесс

флуоресценции в ФС I, и наоборот. Постоян

расформирования рядов и появление диффузно

ство флуоресценции в полосе 727 нм, относя

расположенных ФБС и ФС II с уменьшением

щейся у A. platensis к хлорофиллу ФС I, в то вре

уровня флуоресценции. Воздействие на то или

мя как в полосе 682 нм, принадлежащей ФС II,

иное расположение в мембране возможно бла

при переходах между Состояниями происходят

годаря наличию в составе полипептидов ФС II

изменения интенсивности (рис. 2), означает от

большого числа несущих заряд поверхностных

сутствие спилловера.

аминокислотных остатков [48]. Количествен

Схема процессов, протекающих в ФС II при

ные оценки эффекта для столь крупных белко

смене Состояний 1/2 в пигментном аппарате,

вых комплексов, какими являются димеры

представлена на рис. 5. Постоянство флуорес

ФС II, вероятно, станут возможны в будущем.

ценции ФБС (рис. 1 и 2) означает, что миграция

Контактное взаимодействие ФБС с мономе

энергии от ФБС к ФС II в обоих Состояниях

рами ФС I осуществляется в узком участке поверх

сохраняется на одном уровне, что возможно при

ности между двумя нижними цилиндрами яд

неизменности контакта между ФБС и димером

ра ФБС (рис. 6 и подробно в статье Zlenko et al.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 7 2021

1062

БОЛЫЧЕВЦЕВА и др.

[44]). Три гидрофильные полипептидные субъ

печивает электростатическое взаимодействие с

единицы, PsaC, PsaD и PsaE, образуют на стро

ФБС (рис. 6). Тот же (PsaC-PsaD-PsaE) выступ

мальной поверхности комплекса ФС I объём

не позволяет ФБС вступать в контакт с тримера

ный микровыступ размером 3 нм, который иде

ми ФС I из за несовпадения их трёхмерной сим

ально подходит своей формой к пространствен

метрии и билатеральной симметрии ядра

ной щели между двумя нижними цилиндрами

ФБС [44]. Отсутствие тримеров у красных водо

аллофикоцианина в ядре ФБС [44]. Контакт

рослей поэтому не влияет на возможность ис

между ядром ФБС и ФС I в стерической белко

пользования фикобилисомной антенны в ФС I,

вой модели столь тесен, что обеспечивает рас

а у цианобактерий присутствие мономеров и

стояние между терминальными эмиттерами

тримеров ФС I служит способом регулировать

ФБС и ближайшими хлорофиллами в составе

соотношение фракций ФБС в составе ФС II

ФС I, которое достаточно для переноса энергии

и ФС I.

возбуждения от антенны [44]. Фосфорилирова

Ферредоксин, как первичный акцептор

ние линкерных белков и терминального эмитте

электрона в ФС I, является небольшим белком

ра Арс Е [49] создаёт на поверхности ФБС отри

массой 11 кДа с поверхностным отрицательным

цательный заряд, в то время как стромальная

зарядом, что позволяет ему размещаться в той

поверхность комплекса ФС I в области микро

же поверхностной области ФС I, что и ФБС [50].

выступа заряжена положительно [50], что обес

Приобретая электроны от Р700, ферредоксин

Рис. 5. Пигментный аппарат ФС II в Состояниях 1/2 (а и б). Черные стрелки обозначают миграцию энергии от ядра ФБС

к димеру ФС II; красные стрелки - возбуждающий свет для перевода клеток в Состояние 1 (715 нм) и в Состоя

ние 2 (580 нм); горизонтальные жёлтые стрелки разной толщины - линейный транспорт электрона; пунктирные стрел

ки - влияние окисленной (Пх) и восстановленной (ПхН₂) форм пластохинона на димеры ФС II. в - Расположение диме

ров ФС II в плоскости тилакоидной мембраны в виде рядов в Состоянии 1 и неупорядоченное расположение в Состоя

нии 2 (г)

БИОХИМИЯ том 86 вып. 7 2021

СОСТОЯНИЯ 1 И 2 У КРАСНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ И ЦИАНОБАКТЕРИЙ

1063

Рис. 6. Изменения в пигментном аппарате ФС I, сопровождающие переходные Состояния 1 (а) и 2 (б). Черные стрелки

обозначают миграцию энергии от ядра ФБС к мономеру ФС I, красные стрелки - возбуждающий свет, горизонтальный

пунктир на панели а обозначает расхождение ФБС и ФС I, уменьшающее миграцию; Фд - ферредоксин, ФНР - ферре

доксин НАДФ⁺ редуктаза

покидает поверхность ФС I, присоединяясь к

рата ФС I и ФС II, при смене Состояний 1/2 ве

ферредоксин НAДФ⁺ оксидоредуктазе, связан

дут себя по разному. Связь ФБС с ФС II остаёт

ной с ФБС, принадлежащей ФС I [51, 52].

ся постоянной независимо от того, в Состоя

В Состоянии 1, когда снижается поток элект

нии 1 или в Состоянии 2 находится клетка. В то

ронного транспорта от ФС II, уменьшается и

же время ранее полученные нами [29] и в работе

поступление получающих электроны молекул

Chukhutsina et al. [30] при 77 К сведения указы

ферредоксина к ферредоксин НAДФ⁺ оксидо

вают на то, что в Состоянии 1 происходит обра

редуктазе. Одноименные отрицательные поверх

тимое отделение ФБС от ФС I. Различными яв

ностные заряды ферредоксина и ядра ФБС при

ляются также изменения флуоресценции

водят к эффекту расхождения ФБС и мономера

собственных хлорофилльных комплексов ФС I

ФС I и соответствующему возрастанию флуо

и ФС II. Выявлено, что в Состоянии 2 в сравне

ресценции ФБС (рис. 6, а). В отличие от ФС II,

нии с Состоянием 1 уменьшается флуоресцен

расхождение возможно, так как контактная по

ция хлорофилла ФС II, в то время как флуорес

верхность ФБС и ФС I меньше, чем в случае

ценция ФС I остаётся на постоянном уровне.

ФС II, а ферредоксин с его поверхностным за

Полученные результаты позволили предложить

рядом является принадлежностью лишь ФС I.

интерпретацию происходящих флуоресцентных

Подобно ФС II, переход между Состояния

изменений, как результат обратимого формиро

ми 1/2 не требует для ФС I дополнительных трат

вания рядов димерами ФС II в плоскости мемб

энергии АТФ пигментным аппаратом и автома

ран тилакоидов и зависимого от активности

тически регулируется соотношением долей ли

ферредоксина транспорта электронов в ФС I.

нейного и циклического транспорта электро

нов.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об от

В данной работе продемонстрирована уни

сутствии конфликта интересов.

версальность проявления феномена Состоя

Соблюдение этических норм. Настоящая

ний 1/2 у красных водорослей и цианобактерий.

статья не содержит описания каких либо иссле

В итоге работы можно утверждать, что две фрак

дований с участием людей или использованием

ции ФБС, входящие в состав пигментного аппа

животных в качестве объектов.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 7 2021

1064

БОЛЫЧЕВЦЕВА и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Mullineaux, C. W., and Emlyn Jones, D. (2005) State

on and off in Spirulina platensis, Biochim. Biophys. Acta,

transitions: an example of acclimation to low light stress,

1757, 1512 1519.

J. Exp. Bot., 56, 389 393.

20.

Dong, C., Tang, A., Zhao, J., Mullineaux, C. W.,

Calzadilla, P. I., and Kirilovsky, D. (2020) Revisiting

Shen, G., and Bryant, D. A. (2009) ApcD is necessary for

cyanobacterial state transitions, Photochem. Photobiol. Sci.,

efficient energy transfer from phycobilisomes to photosys

19, 585 603.

tem I and helps to prevent photoinhibition in the

Murata, N. (1969) Control of excitation transfer in photo

cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002, Biochim.

synthesis. I. Light induced change of chlorophyll a fluo

Biophys. Acta, 1787, 1122 1128.

resence in Porphyridium cruentum, Biochim. Biophys. Acta,

21.

Zlenko, D. V., Elanskaya, I. V., Lukashev, E. P.,

172, 242 251.

Bolychevtseva, Y. V., Suzina, N. E., et al. (2019) Role of

Bonaventura, C., and Myers, J. (1969) Fluorescence and

the PB loop in ApcE and phycobilisome core function in

oxygen evolution from Chlorella pyrenoidosa, Biochim.

cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803, Biochim.

Biophys. Acta, 189, 366 383.

Biophys. Acta, 1860, 155 166.

Minagawa, J. (2011) State transitions - The molecular

22.

McConnell, M. D., Koop, R., Vasil’ev, S., and Bruce, D.

remodeling of photosynthetic supercomplexes that con

(2002) Regulation of the distribution of chlorophyll and

trols energy flow in the chloroplast, Biochim. Biophys. Acta,

phycobilin absorbed excitation energy in cyanobacteria.

1807, 897 905.

A structure based model for the light state transition, Plant

Lemeille, S., and Rochaix, J. D. (2010) State transitions at

Physiol., 130, 1201 1212.

the crossroad of thylakoid signalling pathways, Photosynth.

23.

Strašková, A., Steinbach, G., Konert, G., Kotabová, E.,

Res., 106, 33 46.

Komenda, J., et al. (2019) Pigment-protein complexes are

Pesaresi, P., Pribil, M., Wunder, T., and Leister, D. (2011)

organized into stable microdomains in cyanobacterial thy

Dynamics of reversible protein phosphorylation in thy

lakoids, Biochim. Biophys. Acta, 1860, 1 15.

lakoids of flowering plants: the roles of STN7, STN8 and

24.

Wollman, F. A. (1979) Ultrastructural comparison of

TAP38, Biochim. Biophys. Acta, 1078, 887 896.

Cyanidium caldarium wild type and III C mutant lacking

Kanervo, E., Suorsa, M., and Aro, E. A.

(2005)

phycobilisomes, Plant Physiol., 63, 375 381.

Functional flexibility and acclimation of the thylakoid

25.

Mörschel, E., and Schatz, G. H. (1987) Correlation of

membrane, Photochem. Photobiol. Sci., 4, 1072 1080.

photosystem II complexes with exoplasmatic freeze frac

Dumas, L., Zito, F., Blangy, S., Auroy, P., Johnson, X.,

ture particles of thylakoids of the cyanobacterium

et al. (2017) A stromal region of cytochrome b₆f subunit IV

Synechococcus, Planta, 1723, 145 154.

is involved in the activation of the Stt7 kinase in

26.

Calzadilla, P. I., Zhan, J., Sétif, P., Lemaire, C.,

Chlamydomonas, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 114, 12063

Solymosi, D., et al. (2019) The cytochrome b₆ f complex is

12068.

not involved in cyanobacterial state transitions, Plant Cell,

10.

Ruban, A. V., and Johnson, M. P. (2009) Dynamics of the

31, 911 931.

photosystems cross section associated with the state transi

27.

Liu, H., Zhang, H., Niedzwiedzki, D. M., Prado, M.,

tions in higher plants, Photosyth. Res., 99, 173 183.

He, G., et al. (2013) Phycobilisomes supply excitations to

11.

Golbeck, J. H. (1994) in The Molecular Biology of Cyano=

both photosystems in a megacomplex in cyanobacteria,

bacteria (Bryant, D. A., ed.) Kluwer Academic Publishers,

Science, 342, 1104 1107.

Dordrecht, pp. 320 354.

28.

Mullineaux, C. W. (1992) Excitation energy transfer from

12.

Rakhimberdieva, M. G., Boichenko, V. A., Karapetyan,

phycobilisomes to Photosystem I in a cyanobacterium,

N. V., and Stadnichuk, I. N. (2001) Interaction of phyco

Biochim. Biophys. Acta, 1100, 285 292.

bilisomes with photosystem II dimers and photosystem I

29.

Stadnichuk, I. N., Bulychev, A. A., Lukashev, E. P.,

monomers and trimers in the cyanobacterium Spirulina

Sinetova, M. P., Khristin, M. S., et al. (2011) Far red light

platensis, Biochemistry, 40, 15780 15788.

regulated efficient energy transfer from phycobilisomes to

13.

Umena, Y., Kawakami, K., Shen, J. R., and Kamiya, N.

photosystem I in the red microalga Galdieria sulphuraria

(2011) Crystal structure of oxygen evolving photosystem II

and photosystems related heterogeneity of phycobilisome

at a resolution of 1.9 Å, Nature, 473, 55 60.

population, Biochim. Biophys. Acta, 1807, 227 235.

14.

Bald, D., Kruip, J., and Rögner, M. (1996) Supramolec

30.

Chukhutsina, V., Bersanini, L., Aro, E. M., and Van

ular architecture of cyanobacterial thylakoid membranes:

Amerongen, H. (2015) Cyanobacterial light harvesting

how is the phycobilisome connected with the photosys

phycobilisomes uncouple from photosystem I during dark

tems? Photosynth. Res., 49, 103 118.

to light transitions, Sci. Rep., 5, 1 10.

15.

Mullineaux, C. W., and Allen, J. F. (1990) State 1 State 2

31.

Schreiber, U., Klughammer, C., and Neubauer, C. (1988)

transitions in the cyanobacterium Synechococcus 6301 are

Measuring P700 absorbance changes around 830 nm with a

controlled by the redox state of electron carriers between

new type of pulse modulation system, Z. Naturforsch., 43,

photosystems I and II, Photosynth. Res., 23, 297 311.

686 698.

16.

Ogawa, T., Harada, T., Ozaki, H., and Sonoike, K. (2013)

32.

Rögner, M., Mühlenhoff, U., Boekema, E. J., and Witt, H.

Disruption of the ndhF1 gene affects chlorophyll fluores

(1990) Mono , di and trimeric PSI reaction center com

cence through state transition in the cyanobacterium

plexes isolated from the thermophilic cyanobacterium

Synechocystis sp. PCC 6803, resulting in apparent high effi

Synechococcus sp.: size, shape and activity, Biochim.

ciency of photosynthesis, Plant Cell Physiol., 54, 1164 1171.

Biophys. Acta, 1015, 415 424.

17.

Federman, S., Malkin, S., and Scherz, A.

(2000)

33.

Stadnichuk, I. N., Rakhimberdieva, M. G., Boichenko,

Excitation energy transfer in aggregates of photosystem I

V. A., Bolychevtseva, Yu. V. Karapetyan, N. V., and

and photosystem II of the cyanobacterium Synechocys=

Selyakh, I. O. (2000) Glucose induced inhibition of the

tis sp. PCC 6803: can assembly of the pigment protein

photosynthetic pigment apparatus in heterotrophically

complexes control the extent of spillover? Photosynth. Res.,

grown alga Galdieria, Rus. J. Plant Physiol. Engl. Transl.,

64, 199 207.

47, 585 592.

18.

Mullineaux, C. W. (2008) Phycobilisome reaction centre

34.

Acuña, A. M., Snellenburg, J. J, Gwizdala, M.,

interaction in cyanobacteria, Photosynth. Res., 95, 175 182.

Kirilovsky, D., van Grondelle, R., and van

19.

Li, H., Li, D., Yang, S., Xie, J., and Zhao, J. (2006) The

Stokkum, I. H. M (2016) Resolving the contribution of the

state transition mechanism - simply depending on light

uncoupled phycobilisomes to cyanobacterial pulse ampli

БИОХИМИЯ том 86 вып. 7 2021

СОСТОЯНИЯ 1 И 2 У КРАСНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ И ЦИАНОБАКТЕРИЙ

1065

tude modulated (PAM) fluorometry signals, Photosynth.

the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 and phy

Res., 127, 91 102.

cobiliprotein impaired mutants: state 1/state2 transitions

35.

Campbell, D., Hurry, V., Clarke, A. K., Gustafsson, P., and

and carotenoid induced quenching of phycobilisomes,

Öquist, G. (1998) Chlorophyll fluorescence analysis of

Photosynth. Res., 99, 227 241.

cyanobacterial photosynthesis and acclimation, Microbiol.

44. Zlenko, D. V., Krasilnikov, P. M., and Stadnichuk, I. N.

Mol. Biol. Rev., 62, 667 683.

(2016) Structural modeling of the phycobilisome core and

36.

Remelli, W., and Santabarbara, S. (2018) Excitation and

its association with the photosystems, Photosynth. Res.,

emission wavelength dependence of fluorescence spectra in

130, 347 356.

whole cells of the cyanobacterium Synechocystis sp.

45. Krasilnikov, P. M., Zlenko, D. V., and Stadnichuk, I. N.

PPC6803: influence on the estimation of Photosystem II

(2020) Rates and pathways of energy migration from the

maximal quantum efficiency, Biochim. Biophys. Acta, 1859,

phycobilisome to the photosystem II and to the orange

1207 1222.

carotenoid protein in cyanobacteria, FEBS Lett., 594,

37.

Shubin, V. V., Murthy, S. D. S., Karapetyan, N. V., and

1145 1154.

Mohanty, P. (1991) Origin of the 77 K variable fluorescence

46. Zlenko, D. V., Galochkina, T. V., Krasilnikov, P. M., and

at 758 nm in the cyanobacterium Spirulina platensis,

Stadnichuk, I. N. (2017) Coupled rows of PBS cores and

Biochim. Biophys. Acta, 1060, 28 36.

PSII dimers in cyanobacteria: symmetry and structure,

38.

Matthijs, H. C. P., Jeanjean, R., Yeremenko, N.,

Photosynth. Res., 133, 245 260.

Huisman, J., Joset, F., and Hellingwerf, K. J.

(2002)

47. Voloshina, O. V., Bolychevtseva, Y. V., Kuzminov, F. I.,

Hypothesis: versatile function of ferredoxin NADP⁺

Gorbunov, M. Y., Elanskaya, I. V., and Fadeev, V. V. (2016)

reductase in cyanobacteria provides regulation for transient

Photosystem II activity of wild type Synechocystis PCC

photosystem I driven cyclic electron flow, Funct. Plant

6803 and its mutants with different plastoquinone pool

Biol., 29, 201 210.

redox state, Biochemistry (Moscow), 81, 858 870.

39.

Alcantara Sanchez, F., Leyva Castillo, L. E., Lopez, C.,

48. Karge, O., Bondar, A. N., and Dau, H. (2014) Cationic

de la Vara L. G., and Gómez Lojero, C.

(2017)

screening of charged surface groups (carboxylates) affects

Distribution of isoforms of ferredoxin NADP⁺ reductase

electron transfer steps in photosystem II water oxidation

(FNR) in cyanobacteria in two growth conditions,

and quinone reduction, Biochim. Biophys. Acta, 1837,

Intern. J. Biochem. Cell Biol., 85, 123 134.

1625 1634.

40.

Tian, L., Liu, Z., Wang, F., Shen, L., Chen, J., et al. (2017)

49. Piven, I., Ajlani, G., and Sokolenko, A. (2005) Phycobili

Isolation and characterization of PSI LHCI super com

some linker proteins are phosphorylated in Synechocys=

plex and their sub complexes from a red alga

tis sp. PCC 6803, J. Biol. Chem., 280, 21667 21672.

Cyanidioschyzon merolae, Photosynth. Res., 133, 201 214.

50. Nelson, N., and Junge, W. (2015) Structure and energy

41.

Glazer, A. N. (1989) The light guide. Directional energy

transfer in photosystems of oxygenic photosynthesis, Annu.

transfer in a photosynthetic antenna, J. Biol. Chem., 264,

Rev. Biochem., 84, 659 683.

1 4.

51. Morsy, F. M., Nakajima, M., Yoshida, T., Fujiwara, T.,

42.

El Bissati, K., Delphin, E., Murata, N., Etienn, A. L., and

Sakamoto, T., and Wada, K. (2008) Subcellular localiza

Kirilovsky, D. (2000) Photosystem II fluorescence quench

tion of ferredoxin NADP⁺ oxidoreductase in phycobili

ing in the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803:

some retaining oxygenic photosysnthetic organisms,

involvement of two different mechanisms, Biochim.

Photosynth. Res., 95, 73 85.

Biophys. Acta, 1457, 229 242.

52. Vershubskii, A. V., Mishanin, V. I., and Tikhonov, A. N.

43.

Stadnichuk, I. N., Lukashev, E. P., and Elanskaya, I. V.

(2014) Modeling of the Photosynthetic electron transport

(2009) Fluorescence changes accompanying short term

regulation in cyanobacteria, Biochemistry (Moscow) Suppl.

light adaptations in photosystem I and photosystem II of

Ser. A Membr. Cell Biol., 8, 262 278.

STATE 1 AND STATE 2 IN THE PHOTOSYNTHETIC APPARATUS

OF RED MICROALGAE AND CYANOBACTERIA

Yu. V. Bolychevtseva¹*, I. V. Tropin², and I. N. Stadnichuk³

¹ Bach Institute of Biochemistry, Research Center of Biotechnology of the Russian Academy of Sciences,

119071 Moscow, Russia; E=mail: bolychev1@yandex.ru

² Faculty of Biology, Lomonosov Moscow State University, 119991 Moscow, Russia

³ Timiryasev Institute of Plant Physiology of the Russian Academy of Sciences, 127726 Moscow, Russia

Light absorption of different intensity and quality by photosystem I (PSI) and photosystem II (PSII) gives rise to

changes of intersystem electron transport diminishing the effectiveness of photosynthesis. In plants and green algae,

this redox imbalance is loosed by molecular mechanism called State 1/State 2 transitions which trigger the movement

of the light harvesting LHCII antenna and change the fluorescence properties of the pigment apparatus. Contrary, in

phycobilisome (PBS) containing photosynthetics, cyanobacteria and red algae, the cause of State1/State 2 transitions

is not well understood. None of published hypothesis of spillover, of lateral reversible PBS migration from PSI to the

PSII, and the PBS detachment from the surface of PSII do not explain completely the sum of fluorescence data. Here,

we demonstrate the possibility of State 1/State 2 measurements using stationary fluorescence spectra at the room tem

perature that remove the existing contradictions. It was estimated that in State II the fluorescence of PSII dimers in

thylakoids diminished reversibly while the fluorescence of PBS connected with the PSII stayed unchanged. The

increase of PSI fluorescence in State 1 is due to the detachment of PBS from the surface of PSI monomers. The rate

of fluorescence changes is regulated by the redox state of plastoquinone and ferredoxin pools together with the rate of

linear and cyclic electron transport.

Keywords: State 1, State 2, fluorescence, photosystem I, photosystem II, phycobilisome(s), chlorophyll

БИОХИМИЯ том 86 вып. 7 2021