Jak se purpurové bakterie brání fotooxidativnímu stresu?

Většině lidí přijde těžko na mysl, že kyslík je pro život velmi nebezpečná molekula. Své o tom ví například purpurové fotosyntetické bakterie, které běžně žijí v prostředí bez kyslíku (jsou tzv. anaerobní), a aby přežily v kyslíkatém prostředí, musí aktivovat ochranné mechanismy.

Co je tedy na kyslíku tak nebezpečné? K vysvětlení potřebujeme znát několik faktů z fyzikální chemie. Kyslík v základním (tripletním) stavu sám o sobě nebezpečný není. Ovšem vysoce nebezpečný je první excitovaný stav kyslíku, tzv. singletní kyslík. Ten je velice reaktivní a může způsobit závažná poškození mnoha životně důležitých molekul včetně DNA. Singletní kyslík je produkován také ve fotosyntetizujících buňkách purpurových bakterií, a to tím více, čím více je v prostředí kyslíku a čím větší je intenzita světla. Větší intenzita světla totiž znamená více excitovaných molekul bakteriochlorofylu ve fotosyntetických komplexech, a tudíž i větší pravděpodobnost „předání excitace“ na tripletní kyslík za vzniku singletního kyslíku.

Mezinárodní tým vědců z České Republiky, Velké Británie a Švédska, vedený prof. Tomášem Polívkou (Přírodovědecká fakulta Jihočeské univerzity; Ústav molekulární biologie rostlin, Biologické centrum, Akademie věd ČR), jehož členem byl i doktorand Václav Šlouf (Přírodovědecká fakulta JU), se zaměřil na studium konkrétního ochranného mechanismu purpurové bakterie Rhodobacter sphaeroides před nebezpečnou kombinací „kyslík a velká intenzita světla“, kterou lze zastřešit pojmem fotooxidativní stres. Zmíněný mechanismus je lokalizován ve světlosběrných anténách typu LH1, což jsou kruhové proteinové komplexy s navázanými pigmenty (bakteriochlorofyly a karotenoidy), jejichž úkolem je zachycovat energii slunečního záření a předávat ji ke zpracování do reakčních center. Tato práce, jejíž výsledky byly 14. 5. publikovány v prestižním vědeckém časopisu Proceedings of National Academy of Sciences of USA (PNAS), byla zaměřena na karotenoidy, které mají v anténách zejména světlosběrnou a ochrannou funkci. Antény LH1 vážou za anaerobních podmínek karotenoid sferoiden, který je za přítomnosti kyslíku enzymaticky přeměňován na sferoidenon. Ten se liší od sferoidenu pouze přítomností atomu kyslíku, který je dvojnou vazbou vázán k uhlíkovému řetězci. Metodou časově rozlišené optické spektroskopie (časové rozlišení zhruba 100 femtosekund, 10-13 s) bylo zjištěno, že spektra excitovaných stavů (tzv. transientní spektra) sferoidenu a sferoidenonu v LH1 komplexech se zásadně liší. Srovnáním transientních spekter LH1 se spektry dalších pigment-proteinových komplexů, jejichž struktura je známa v mnohem větším detailu než v případě LH1, bylo zjištěno, že pozorované rozdíly jsou důsledkem změny konformace sferoidenonu v LH1. Tato změna vede mimo jiné k tomu, že sferoidenon v LH1 je přesně „naladěn“ pro příjem excitace singletního kyslíku, který je tímto velmi efektivně zhášen.

Ačkoliv je ochranná funkce karotenoidů (nejen) ve fotosyntetických komplexech bohatě zdokumentována, přesné mechanismy této ochrany často známé nejsou. Hodnota této studie tak spočívá zejména v tom, že ve světle dřívějších poznatků, jejichž spojitost nebyla zřejmá, podává detailní vysvětlení jednoho takového mechanismu na molekulární úrovni.

• Šlouf V., Chábera P., Olsen J. D., Martin E. C., Qian P., Hunter C. N., Polívka T. (2012) Photoprotection in a purple phototrophic bacterium mediated by oxygen-dependent alteration of carotenoid excited-state properties. Published online: ;www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1201413109.