БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 10, с. 1471–1482

УДК 577.32

ζ-Каротин: генерация и тушение синглетного кислорода, сравнение с фитофлуином

© 2022 А.А. Ашихмин 1, А.С. Бендиткис 2, А.А. Москаленко 1, А.А. Красновский (мл.) 2*phoal@mail.ru

ФИЦ «Пущинский научный центр биологических исследований РАН», Институт фундаментальных проблем биологии РАН, 142290 Пущино, Московская обл., Россия

ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, Институт биохимии имени А.Н. Баха, 119071 Москва, Россия

Поступила в редакцию 29.05.2022
После доработки 24.08.2022
Принята к публикации 24.08.2022

DOI: 10.31857/S0320972522100128

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ζ-каротин, фитофлуин, синглетный кислород, фотосенсибилизация, фотодинамический стресс.

Аннотация

Известно, что фитофлуин и ζ‑каротин – C40‑каротиноиды с короткой цепью сопряженных двойных связей (СДС) (5 и 7 соответственно), являются универсальными предшественниками в биосинтезе окрашенных каротиноидов в растительных клетках. Ранее, используя стационарные измерения фотосенсибилизированной фосфоресценции синглетного кислорода (1O2), мы впервые показали, что фитофлуин эффективно генерирует 1O2 в аэрированных растворах и поэтому может служить источником фотодинамического стресса при УФ-возбуждении живых клеток (Ашихмин и соавт. (2020) Биохимия, 85, 907-915). В настоящей работе, используя новые импульсные светодиоды, аэрированный гексафторбензол в качестве растворителя и разрешенные во времени измерения фосфоресценции 1O2, мы подтвердили высокую эффективность генерации 1O2 фитофлуином, квантовый выход которой по этим данным ≈ 0,4. Обнаружено, что ζ‑каротин фотосенсибилизирует образование 1O2, хотя квантовый выход этого процесса почти в 30 раз ниже, чем у фитофлуина. Установлено, что оба каротиноида тушат 1O2 в темноте, измерены константы скорости тушения, равные соответственно (3,6 ± 0,9) × 107 и (2,1 ± 0,2) × 108 М–1⋅с–1, причем для ζ‑каротина эта константа получена, вероятно, впервые. Данные показывают, что константы скорости тушения 1O2 обоими каротиноидами значительно (на 2 и 3 порядка соответственно) меньше, чем константа скорости ограниченных диффузией бимолекулярных процессов. Следовательно, протекторная способность каротиноидов – ингибирование 1O2 – относительно слабо выражена. Поэтому оба каротиноида можно рассматривать как потенциальные сенсибилизаторы фотодинамического стресса в клетках живых организмов.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при частичной поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук (МК-1352.2021.1.4), Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 19-04-00331-а) и государственных заданий ФИЦ Биотехнологии РАН (12241100080-3) и ФИЦ ПНЦБИ РАН (122041100204-3).

Благодарности

Авторы благодарят OOO мл.«Полироник» (Москва) за мл.техническую помощь и OOO «ПиМ-Инвест» (Москва) за предоставление и очистку растворителей, а также Журавлеву З.А. (ИФПБ РАН) за помощь в выращивании культуры Ectothiorhodospira haloalkaliphila.

Вклад авторов

А.А. Красновский мл., А.А. Ашихмин, А.А. Москаленко – концепция и руководство работой; А.А. Ашихмин – выделение каротиноидов; А.А. Красновский мл. и А.С. Бендиткис – конструирование приборов и проведение экспериментов; А.А. Ашихмин, А.С. Бендиткис, А.А. Москаленко, А.А. Красновский мл. – обсуждение результатов исследования; А.А. Красновский мл., А.А. Ашихмин и А.С. Бендиткис – написание текста и его редактирование.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Britton, G. (2008) Functions of Intact Carotenoids, in Carotenoids. Natural Functions (Britton, G., Liaaen-Jensen, S., and Pfanger, H., eds) Birkhauser Verlag, Switzerland, Vol. 4, pp. 189-212, doi: 10.1007/978-3-7643-7499-0_10.

2. Mathews-Roth, M., Wilson, T., Fujimori, E., and Krinsky, N. (1974) Carotenoid chromophore length and protection against photosensitization, Photochem. Photobiol., 19, 217-222, doi: 10.1111/j.1751-1097.1974.tb06501.x.

3. Krinsky, N. (1974) Сarotenoid protection against oxidation, Pure Appl. Chem., 51, 649-660, doi: 10.1351/pac197951030649.

4. Bensasson, R., Land, E. J., Maudinas, B. (1976) Triplet states of carotenoids from photosynthetic bacteria studied by nanosecond ultraviolet pulse irradiation, Photochem. Photobiol., 23, 189-193, doi: 10.1111/j.1751-1097.1976.tb07240.x.

5. Cogdell, R. J., Howard, T. D., Bittl, R., Schlodder, E., Geisenheimer, I., et al. (2000) How carotenoids protect bacterial photosynthesis, Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci., 355, 1345–1349, doi: 10.1098/rstb.2000.0696.

6. Niedzwiedzki, D. M., Swainsbury, D. J. K., Canniffed, D. P., Hunter, C. N., and Hitchcock, А. (2020) A photosynthetic antenna complex foregoes unity carotenoid-to-bacteriochlorophyll energy transfer efficiency to ensure photoprotection, Proc. Nat. Acad. Sci., 117, 6502-6508, doi: 10.1073/pnas.1920923117.

7. Edge, R., and Truscott, T. G. (2018) Singlet oxygen and free radical reactions of retinoids and carotenoids – a review, Antioxidants, 7, 5-16, doi: 10.3390/antiox7010005.

8. Красновский A. A. (мл), Каган В. Е. (1978) Генерация и тушение синглетного кислорода ретиналями, Доклады АН СССР, 242, 229-232.

9. Krasnovsky, A. A., Jr., and Kagan, V. E. (1979) Photosensitization and quenching of singlet oxygen by pigments and lipids of photoreceptor cells of the retina, FEBS Lett., 108, 152-154, doi: 10.1016/0014-5793(79)81198-9.

10. Островский М. А., Федорович И. Б. (1994) Ретиналь как сенсибилизатор фотоповреждения ретинальсодержащих белков сетчатки глаза, Биофизика, 39, 13-25.

11. Красновский A. A. (мл) (1986) Синглетный кислород в фотосинтезирующих организмах, Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева (Российский химический журнал), издательство Химия, Москва, 31, 562-567.

12. Махнева З. К., Ерохин Ю. Е., Москаленко А. А. (2007) Фотосенсибилизированное каротиноидами окисление димеров бактериохлорофилла светособирающих комплексов B800-850 в клетках Allochromatium minutissimum, Доклады Академии наук, 416, 408-411.

13. Махнева З. К., Большаков М. А., Ашихмин А. А., Ерохин Ю. Е., Москаленко А. А. (2009) Влияние синего света на стабильность структуры антенных комплексов из Allochromatium minutissimum с разным содержанием каротиноидов, Биологические мембраны, 26, 188-193.

14. Махнева З. К., Ашихмин А. А., Большаков М. А., Москаленко А. А. (2020) Выделение синглетного кислорода мембранами пурпурных фотосинтезирующих бактерий при облучении светом происходит при возможном участии каротиноидов, Микробиология, 89, 169-179, doi: 10.31857/S0026365620010097.

15. Махнева З. К., Ашихмин А. А., Большаков М. А., Москаленко А. А. (2019) Взаимодействие бактериохлорофилла с синглетным кислородом в мембранах пурпурных фотосинтезирующих бактерий: существует ли защитная функция каротиноидов? Доклады Академии наук, 486, 504-508, doi: 10.31857/S0869-56524864504-508.

16. Makhneva, Z. K., Bolshakov, M. A., and Moskalenko, A. A. (2021) Carotenoids do not protect bacteriochlorophylls in isolated light-harvesting LH2 complexes of photosynthetic bacteria from destructive interactions with singlet oxygen, Molecules, 26, 5120, doi: 10.3390/molecules26175120.

17. Красновский А. А., Бендиткис А. С., Козлов А. С. (2019) Кинетические измерения фосфоресценции синглетного кислорода методом разрешенного во времени счета фотонов в растворителях, не содержащих водородных атомов, Биохимия, 84, 240-251, doi: 10.1134/S0320972519020076.

18. Ашихмин А. А., Бендиткис А. С., Москаленко А. А., Красновский А. А. мл. (2020) Фитофлуин – эффективный фотосенсибилизатор образования синглетного кислорода под действием УФ-А излучения, Биохимия, 85, 907-915, doi: 10.31857/S0320972520070052.

19. Красновский А. А. мл., Ковалев Ю. В., Фалуди-Даниэль А. (1980) Фосфоресценция и замедленная флуоресценция хлорофилла в мутантах кукурузы с аномальным составом каротиноидов, Доклады Академии наук СССР, 251, 1264-1267.

20. Imhoff, J. F., and Trüper, H. G. (1977) Ectothiorhodospira halochloris sp. now., a new extremely halophilic phototrophic bacterium containing bacteriochlorophyll b, Arch. Microbiol., 114, 115-121, doi: 10.1007/BF0041077220.

21. Ashikhmin, A., Makhneva, Z., and Moskalenko, A. (2014) The LH2 complexes are assembled in the cells of purple sulfur bacterium Ectothiorhodospira haloalkaliphila with inhibition of carotenoid biosynthesis, Photosynth. Res., 119, 291-303, doi: 10.1007/s11120-013-9947-6.

22. Красновский А. А., мл. (1976) Фотосенсибилизированная люминесценция синглетного кислорода в растворе, Биофизика, 21, 748-749.

23. Krasnovsky A. A., Jr. (1979) Photoluminescence of singlet oxygen in pigment solutions, Photochem. Photobiol., 29, 29-36, doi: 10.1111/j.1751-1097.1979.tb09255.x.

24. Krasnovsky A. A., Jr. (1998) Phosphorescence studies of singlet oxygen in photobiochemical systems, Membr. Cell Biol., 12, 665-690.

25. Krasnovsky A. A. Jr. (2008) Luminescence and photochemical studies of singlet oxygen photonics, J. Photochem. Photobiol. A Chem., 196, 210-218, doi: 10.1016/j.jphotochem.2007.12.015.

26. Schweitzer, C., and Schmidt, R. (2003) Physical mechanisms of generation and deactivation of singlet oxygen, Chem. Rev., 103, 1685-1757, doi: 10.1021/cr010371d.

27. Oliveros, E., Suardi-Murasecco, P., Aminian-Saghafi, T., and Braun, A. M. (1991) 1H-Phenalen-1-one: photophysical properties and singlet oxygen production, Helv. Chim. Acta, 74, 79-90, doi: 10.1002/hlca.19910740110.

28. Schmidt, R., Tanelian, C., Dunsbach, R., and Wolf, C. (1994) Phenalenone, a universal compound for the determination of quantum yields of singlet oxygen O2 (1Δg) sensitization, J. Photochem. Photobiol. A Chem., 79, 11-17, doi: 10.1016/1010-6030(93)03746-4.

29. Frank, H. A., and Christensen, R. L. (2008) Excited electronic states, photochemistry and photophysics of carotenoids, in Carotenoids, vol. 4, Chapt. 9, Birkhaeuser Verlag, Basel, pp. 167-188.

30. Mathis, P., and Schenck, C. C. (1982) Functions of carotenoids in photosynthesis, in Carotenoids chemistry and Biochemistry (Britton, G., and Goodwin, T. W., eds) Pergamon Press, Oxford, New York, p. 339-351.

31. Murov, S. L., Charmichael, I., and Hug, G. L. (1993) Handbook of Photochemistry, Marcel Dekker Inc., New York, Basel, Hong Kong, p. 290.

32. Cogdell, R. J., Gillbro, T., Andersson, P. O., Liu, R. S. H., and Asato, A. E. (1994) Carotenoids as accessory light-harvesting pigments, Pure Appl. Chem., 66, 1041-1046, doi: 10.1351/pac199466051041.

33. Andersson, P. O., Takaichi, S., Cogdell, R. J., and Gillbro, T. (2001) Photophysical characterization of natural cis-carotenoids, Photochem. Photobiol., 74, 549-557, doi: 10.1562/0031-8655(2001)074<0549:pconcc>2.0.co;2.

34. Andersson, P. O., Bachilo, S. M., Chen, R.-L., and Gillbro, T. (1995) Solvent and temperature effects on dual fluorescence in a series of carotenes. Energy gap dependence of the internal conversion rate, J. Phys. Chem., 99, 16199-16209, doi: 10.1021/j100044a002.