Михаил Никитин - Происхождение жизни. От туманности до клетки

Третья группа веществ, поглощающих свет и, похоже, превращающих световую энергию в биохимическую, – это меланины, черные и желтые красители, определяющие цвет кожи и волос человека. Меланины состоят из нескольких тысяч одинаковых звеньев и в клетках обычно находятся в виде зерен. Кроме человека и животных меланины широко распространены у грибов и в разных группах бактерий. История открытия меланинового фотосинтеза начинается как фантастический роман: при очередном обследовании состояния саркофага Чернобыльской АЭС внутри него, на бетонных стенах, были найдены пятна совершенно черной плесени, растущей при очень высоком уровне радиации. Плесень была доставлена в лабораторию, где оказалось, что она относится к хорошо известному роду Cryptococcus, но, в отличие от известных родственников, накапливает в клеточных стенках огромное количество меланина. Дальнейшие эксперименты в медицинском колледже Альберта Эйнштейна в Нью-Йорке показали, что повышенный уровень радиации (в 500 раз выше естественного фона) ускоряет рост этой плесени в полтора раза на богатой среде и в три раза – при недостатке питательных веществ (Dadachova et al., 2007). Под действием ультрафиолета, рентгеновских лучей и гамма-лучей меланиновые гранулы восстанавливают НАД, что, видимо, используется в клетках плесени для запасания энергии в виде АТФ (Turick et al., 2011). Подобные черные штаммы были найдены и для других видов плесневых грибков. Они встречаются в высокогорье, где много ультрафиолета, и в зараженных радиацией почвах и способны расти по направлению к источнику радиации. Остается только пожалеть, что в организме человека меланин не обладает такими же замечательными свойствами.

Большая часть фотосинтеза на Земле происходит благодаря хлорофиллу. По своему устройству его молекулы очень похожи на гем, о котором шла речь в предыдущей главе, но вместо железа в центре молекулы содержится магний.

В реакционных центрах встречаются три типа пигментов: хлорофилл a (цианобактерии, водоросли и наземные растения), бактериохлорофилл a (фотосинтезирующие бактерии, кроме цианобактерий), бактериохлорофилл g (только у гелиобактерий), а также феофитин – безмагниевый вариант хлорофилла а (только в паре с обычным хлорофиллом а ). Кроме того, в разных растениях, водорослях и бактериях встречаются хлорофиллы b и с и бактериохлорофиллы b, c, d и e . Все эти вещества участвуют либо в передаче энергии света на реакционный центр, либо в движении электронов с реакционного центра на переносчики.

Зеленый цвет хлорофилла обусловлен тем, что он поглощает свет в двух диапазонах – красном и сине-фиолетовом. Свободный хлорофилл в растворе обладает красной флюоресценцией. Можно проделать простой опыт: нарезанную свежую зелень залить небольшим количеством спирта и оставить на ночь в закрытой посуде. Получится ярко-зеленый спиртовой раствор хлорофилла, который будет светиться красным при освещении ультрафиолетовым фонариком. У промежуточных продуктов синтеза хлорофилла – хлорофиллидов, протохлорофиллидов, протопорфирина IX – эта флюоресценция выражена сильнее, а полоса поглощения сдвинута в ближнюю ультрафиолетовую область. Хлорофилл в составе белков реакционных центров никакой флюоресценцией не обладает: вместо этого энергия поглощенного света превращается в электрическую.

Механизмы превращения энергии света в электрическую энергию в принципе одинаковы как в фотосистемах живых клеток, так и в солнечных батареях, созданных человеком. Солнечные батареи состоят из двух тонких слоев полупроводника (например, кремния) с разными добавками, из-за которых электрические свойства слоев отличаются (p-тип и n-тип проводимости). Поглощенный квант света вызывает возбуждение электрона в одном слое, после чего он быстро попадает в другой слой и не может вернуться обратно, кроме как через внешнюю электрическую цепь. Этот процесс называется «разделение зарядов». В реакционных центрах зеленых клеток содержатся молекулы хлорофилла. Они, как и гем, обладают обширной плоской системой двойных связей, электроны которых легко могут перемещаться по всей молекуле. По электрической проводимости хлорофиллы и гемы подобны графену, также обладающему обширной плоской системой двойных связей. Два полупроводника с разными свойствами, между которыми происходит разделение зарядов в фотосистеме II, – это обычный хлорофилл а и феофитин (хлорофилл без атома магния в центре). В фотосистеме I разделение зарядов происходит между «специальной парой» двух тесно сближенных молекул хлорофилла а и третьей молекулой того же хлорофилла а , проводящие свойства которого изменены соседними аминокислотами.

Хлорофилл-связывающие белки обоих типов реакционных центров, так же как главные антенные белки CP43 и CP47 цианобактерий и хлоропластов и светособирающие комплексы зеленых несерных бактерий (LH), состоят из повторяющихся похожих трансмембранных доменов, к части из которых прикрепляются молекулы хлорофилла. К молекулам хлорофилла близко прилежат остатки ароматических аминокислот – тирозина, триптофана, гистидина, которые могут передавать возбуждение на хлорофилл. Сравнение последовательностей этих белков друг с другом показывает, что все они могли произойти от одного предкового мембранного белка, имевшего 11 одинаковых доменов, с молекулами хлорофилла либо его предшественников на каждом домене (Mix et al., 2005; Mulkidjanian, Junge, 1997). В свою очередь, этот белок мог получиться путем последовательных удвоений доменов малого хлорофилл-связывающего белка с одним трансмембранным доменом, подобно современным светозащитным белкам HLIP цианобактерий.

Исходной функцией хлорофилл-связывающего белка, как и у каротиноидов, возможно, была защита от ультрафиолета: такой белок мог эффективно снимать возбуждение с соседних молекул и рассеивать его частью в тепло, частью – в красную флюоресценцию. Такая защита могла быть востребована еще на стадии РНК-белкового мира: протоорганизмы того времени уже имели мембраны, удаленные от минеральной подложки и не защищенные от ультрафиолета сульфидом цинка. Плавающие расселительные стадии протоорганизмов, не связанные с минеральной подложкой, выигрывали от наличия такого белка еще больше. Удвоения доменов и увеличение количества молекул хлорофилла повышали эффективность рассеивания энергии. В современных реакционных центрах сайты связывания переносчиков электронов (хинонов и ферредоксина) появились с утратой некоторыми доменами способности к связыванию хлорофилла.