Фотосинтетические пигменты накапливаются в

Фотосинтетические пигменты накапливаются в

Пигменты – это вещества, избирательно поглощающие свет в видимой части спектра. При освещении белым светом их цвет определяется только лучами, которые они отражают или пропускают. Способность пигментов поглощать свет, связано с наличием в их молекулах правильно чередующихся двойных и одинарных связей. Это так называемые сопряженные или коньюгированные связи. Между двумя атомами, связанными двойными связями, находится 4 электрона. Когда система состоит из сопряженных связей, то половина этих электронов может свободно перемещаться вдоль этой системы. Поглотив квант света, такой электрон может оторваться от молекулы пигмента, т. е. становится донором электронов для восстановления веществ.

Хлорофиллы. В 1818 году французы Ж. Пелтье и Ж. Ковенту выделяли из листа зеленое вещество и назвали его хлорофиллом (от греч. хлорос – зеленый, филон –лист). В другой половине ХIХ в ученые уже знали о тесной связи фотосинтеза с этим зеленым веществом. Начались его исследования.

Ч. Дарвин назвал хлорофилл самым интересным веществом на Земле, а сейчас это вещество занимает первое место в мире среди органических соединений по количеству напечатанных статей.

В 1860 г. француз Э. Фреми разделил зеленый экстракт, полученный из листа, на две части: голубовато-зеленую и желтую. Первую он считал хлорофиллом, вторую ксантофиллом. В 1864 г. англичанин Д. Стокс сделал вывод, что экстракт состоит из четырех пигментов: двух зеленых и двух желтых. Такие же результаты получил Г. Сорби в 1878 г. Но на их исследования никто не обратил внимания.

И только после того, как в 1882 г. И. П. Бородин (Россия) получил хлорофилл в чистом кристаллическом виде, а М. С. Цвет (Россия) в 1901 г. предложил хромотографический метод, исследования пигментов пошли очень быстро.

Изучением желтых пигментов занимались А. Арно (1885–1887 гг., Франция), Г. Молиш (1894–1896 гг., Австрия). Большой вклад в изучении биосинтеза и функций хлорофилла сделан советской школой фотосинтетиков академиками А. А. Красновским, Т. Н. Годневым, А. А. Шлыком.

Сейчас известно, что высшие растения содержат две формы зеленых пигментов: хлорофиллы а и b и две формы желтых пигментов (каротиноиды): каротины и ксантофиллы, а так же фикобилины.

Главную роль в фотосинтезе играет хлорофилл а. Строение молекулы его было установлено во втором десятилетии прошлого века, а четверть века спустя была синтезирована молекула хлорофилла, которая ничем не отличалась от природной.

Однако, хлорофилл – это только один из компонентов фотосинтезирующей системы. Поэтому пока все еще не удается осуществить процесс фотосинтеза в пробирке.

Хлорофилл является сложным органическим веществом. Одной из главных трудностей для выявления точного химического состава хлорофилла является его полная нерастворимость в воде и легкая изменчивость под воздействием солей, кислот и щелочей. Суммарный химический состав молекулы хлорофилла можно выразить следующей формулой:

хлорофилл а С55Н72О5N4Mg

хлорофилл b С55Н70О6 N4Mg

Указанные хлорофиллы отличаются одним атомом кислорода и двумя водорода, а по цвету хлорофилл а – сине-зеленый; b – желто-зеленый.

По химической природе хлорофилл а представляет собой сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, в одном карбоксиле которой водород замещен остатком метанола, а в другом – фитола:

 

 

 

Рассмотрим детальней структурную формулу хлорофилла а (рис. 3). 

Рис. 3. Строение молекулы хлорофилла

В основе молекулы лежит порфирин, который состоит из четырех пирольных колец (пронумерованы римскими цифрами), соединенных метиновыми мостиками (–СН=). В центре порфиринового ядра находится атом Mg, связанный с N. Таким образом, хлорофилл относится к Mg-порфиринам. Порфирины входят также в состав гема крови и являются важным компонентом систем,  принимающих участие в дыхании; в этом случае вместо магния они содержат железо.

Кроме пирольных в состав молекулы хлорофилла входит циклопентановое  кольцо (V), которое содержит высокоактивную кетогруппу и участвует в окислении воды. Хлорофилл b отличается от хлорофилла а тем, что ко второму пирольному кольцу присоединена не метильная, а альдегидная группа. Четыре пирольных кольца и метиновые мостики образуют двойные связи. Между двумя атомами, связанными двойными атомами, находится 4 электрона. Когда система состоит из двойных связей, то половина этих π-электронов, как отмечалось, может свободно перемещаться вдоль системы.

Молекулу хлорофилла делят на две части: порфириновое ядро и фитольный хвост. Фитольный хвост в два раза длиннее ядра. Порфириновое ядро благодаря наличию атомов кислорода и азота гидрофильно. Фитольный хвост – это углеводородная, а  это значит гидрофобная часть молекулы хлорофилла. Поэтому порфириновое ядро размещается в гидрофильной части мембраны тилакоида, а фитольный хвост в гидрофобной. Имея разные свойства, две части молекулы хлорофилла выполняют разную функцию: порфириновое ядро содержащее коньюгированные связи, поглощает свет, а фитольный хвост играет роль якоря, который удерживает молекулу хлорофилла в определенной части мембраны тилакоида.

Таким образом, мы видим, что подобно тому, как отдельные органы многоклеточного организма или органеллы в клетке имеют определенное строение и выполняют в связи с этим особую функцию, так и особые части молекулы хлорофилла владеют специальными свойствами, а соответственно и функциями.

Доказать, что свет поглощается порфириновым ядром молекулы хлорофилла, можно с помощью реакции хлорофилла со щелочью, в результате которой образуются два спирта (метанол и фитол) и соль хлорофилла:

Щелочь отсекает от молекулы хлорофилла фитольный хвост, в результате образованная соль теряет способность растворяться в бензине, но сохраняет зеленый цвет хлорофилла. Следовательно, растворимость пигмента в бензине, его гидрофобность обусловлена остатком фитола, а поглощение света связано с порфириновым ядром. Атом магния также влияет на поглощение света молекулой хлорофилла. Если с помощью кислоты заместить магний на водород, то образовавшееся вещество – феофитин – принимает красно-бурый цвет вместо зеленого:

В природных условиях образование феофитина происходит осенью, при старении листьев, под воздействием неблагоприятных факторов. В результате листья желтеют. При влиянии различных факторов происходит увеличение проницаемости мембран, и кислый вакуолярный сок, проникая в хлоропласты, преобразует хлорофилл в феофитин. Поскольку избирательная проницаемость мембран нарушается под воздействием разных факторов, то листья желтеют под воздействием низких и высоких температур, дефиците воды и ее избытке и т. д.

В настоящее время считают, что роль Mg в поглощении света связана с тем, что он, во-первых, изменяет симметрию молекулы хлорофилла таким образом, что все сопряженные связи и сама молекула находятся в одной плоскости. Когда молекула по каким-либо причинам принимает другую форму, то взаимодействие π-электроновых облаков нарушается, цепь сопряжения разъединяется, цвет пигментов изменяется или пропадает. Во-вторых, магний придает молекуле хлорофилла способность соединяться с другими молекулами этого пигмента. И, в-третьих, магний необходим для сохранения возбужденного состояния молекулой хлорофилла. Так, тетрапиролы, содержащие вместо магния железо, быстро рассеивают свет.

Хлорофилл а – самый важный из фотосинтетических пигментов, он присутствует во всех фотосинтезирующих растениях. Существуют и другие формы хлорофиллов (b, с1, с2 и d), которые называются вспомогательными (табл. 2.1). 

Таблица 2.1. Формы хлорофилла в растениях

Тип

хлорофилла

R1 R2 R3 R4 Отсутствие атомов Н между С7 и С8 (двойные связи)
а –СН=СН2 –СН3 –СН2СН3 Х Нет
в –СН=СН2 –СНО –СН2СН3 Х Нет
с1 –СН=СН2 –СН3 –СН2СН3 –СН=СН·СООН Да
с2 –СН=СН2 –СН3 –СН=СН2 –СН=СН·СООН Да
d СНО –СН3 –СН2СН3 Х Нет

Каротиноиды – жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого и красного цветов. Они входят в состав хлоропластов и хромопластов незеленых частей растений (цветов, плодов, корнеплодов). В зеленых листьях их окраска маскируется хлорофиллом.

Каротиноиды являются тетратерпеноидами (8 остатков изопрена) и содержат 40 атомов углерода. Они представляют собой цепи, которые имеют, как и хлорофилл, двойные сопряженные связи. На одном или двух концах цепи находятся иононовые кольца.

Каротиноиды делят на две группы: каротины и ксантофиллы. Каротины, например α-каротин (С40Н56) представляет собой чистые углеводороды (тетратерпены):

тогда как ксантофиллы: лютеин С40Н56О2 и виолоксантин С40Н56О4 являются окисленными соединениями. Каротины имеют оранжевую или красную окраску, а ксантофиллы – желтую.

α-Каротин имеет одно β-иононовое кольцо (двойные связи между С5 и С6), а второе – ε-иононовое (двойные связи между С4 и С5). β-Каротин отличается от α- тем, что имеет два β-иононовых кольца.

Ксантофиллы отличаются значительно большим разнообразием, чем каротины, поскольку входящие в их состав кислородосодержащие группы могут быть самыми разнообразными: это может быть гидроксильная группа, кетогруппа, эпоксигруппа и метаксильная группа.

Распределение и типы каротиноидов в растениях имеют глубокий эволюционный смысл; их можно использовать для таксономических целей.

Относительная распространенность хлорофилла и каротиноидов в высших растениях составляет 4,5:1 (квантосомы содержат 230 молекул хлорофилла и 50 молекул каротиноидов). Интересно отметить, что животные обычно не синтезируют каротиноидов. Поэтому желтая и розовая расцветка птиц (например, канареек, фламинго), так же как и многочисленных беспозвоночных, обусловлена каротиноидами, которые они получают, поедая растения.

Молекулы каротиноидов имеют длину около 3 нм; те, которые принимают участие в фотосинтезе обычно имеют 9 или более двойных связей.

Свет, поглощенный хлорофиллом, может вызывать образование возбужденных состояний молекулярного кислорода. Этот высокореакционное состояние может повредить хлорофиллу, но взаимодействие с каротиноидами предотвращает этот процесс. Например, мутант Rhodopseudomonasspheroides, у которого отсутствуют каротиноиды, обычно осуществляет фотосинтез в отсутствии кислорода; когда бактерии освещают в присутствии кислорода, бактериохлорофилл фотоокисляется и бактерии гибнут. У родственных штамов, содержащих каротиноиды, такая чувственность к кислороду не наблюдается. В других случаях, когда синтез каротиноидов подавлен, свет в присутствии кислорода может оказаться для фотосинтезирующих организмов губительным.

У дефектных по каротиноидам мутантов кукурузы и подсолнечника, а также при экспериментально нарушенном образовании каротиноидов наблюдается быстрое фотоокисление хлоропластов. Защитный (фотопротекторный) эффект объясняется способностью каротиноидов взаимодействовать с возбужденными молекулами кислорода и хлорофилла. В этом случае энергия возбужденного триплетного хлорофилла и синглетного кислорода резонансным путем передается на каротиноиды, а затем рассеивается в виде тепла.

Высказывается мнение о прямом участии каротиноидов в расщеплении воды и кислородном обмене при фотосинтезе. Особое значение придается виолаксантиновому циклу:

При освещении в зеленых листьях происходит превращение виолаксантина в зеаксантин. В независимой от света реакции благодаря включению кислорода происходит обратное превращение.

В верхушках побегов растений каротиноиды обеспечивают их ориентацию к световому потоку за счет фототропизма.

Каротиноиды выполняют роль вспомогательных пигментов, которые передают энергию поглощенных квантов хлорофиллу «а» для совершения фотохимической работы. Особенно возрастает их значение как светоулавливающих систем в сине-фиолетовой и синей частях спектра в затененных местах, т. е. когда преобладает рассеянная радиация.

К пигментам, которые участвуют в световой стадии фотосинтеза, относятся и фикобилины. Все фотосинтетические пигменты (хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины) входят в состав пигментных систем в виде хромпротеинов, т. е. пигмент – белковых комплексов. Хлорофиллы и каротиноиды связаны с белками относительно слабо, связь между пигментом и белком не ковалентная. Поскольку такие связи легко нарушаются хлорофиллы и каротиноиды можно экстрагировать с помощью органических растворителей таких как ацетон, спирт.

Фикобилины связаны с белком ковалентно, поэтому они находятся в виде молекул – фикобилипротеинов. Фикобилипротеины растворимы в воде и легко вымываются из мацерированных тканей водой или разбавленными растворами солей. Однако, для разрушения молекулы фикобилипротеинов путем расщепления связи между пигментом и белком необходим гидролиз в жестких условиях.

По структуре фикобилины – тоже тетрапироллы, но с открытой цепью, которые имеют систему коньюгированных двойных и одинарных связей. У фикобилинов четыре остатка пиррола вытянуты в открытую цепь таким образом, что замкнутого порфиринового кольца в них не образуется. В своем составе они не содержат атомов Mg, или других металлов, а также фитола. Эти пигменты делят на две основные группы в соответствии с их цветом – красные (фикоэритрины) и синие (фикоцианины).

Название «фикобилины» предложил Лемберг (20-е гг. ХХ века) из-за их подобия с желтыми пигментами.

Структурные формулы соответствующих билинов – фикоэритробилина (фикоэритрин) фикоцианобилина (фикоцианин) приведена на рис.

Фикоэритрин и фикоцианин состоят из двух разных белковых субъединиц: α (молекулярная масса ~ 19 000) и β (~ 21 000). Стехиометричные отношения α- и β-субъединиц составляют 1:1. Каждая из белковых субъединиц несет ковалентно связанный с ней фикобилин, при этом субъединицы, выделенные из разных организмов, могут нести разное количество молекул фикобилина – от одной до четырех. Как правило, фикобилины, связанные с одной субъединицей, относятся к одному типу  (т. е. к фикоэритробилинам или фикоцианобилинам); в результате получаются красные или синие субъединицы. В некоторых случаях субъединица несет на себе два типа фикобилинов, но тогда один из типов является преобладающим. In vivo белковая субъединица встречается в виде агрегатов (α, β)n, где n равно 3 или 6, что соответствует молекулярным массам около 134 или 268 кД.

К фикобилинам относятся также аллофикацианин. Он назван так потому, что его сначала принимали за одну из форм фикоцианина. Аллофикацианин присутствует в небольших количествах в водорослях семейств красных и сине-зеленых. В отличие от других фикобилипротеинов его молекула состоит только из одного типа белковых субъединиц (молекулярная масса ~ 15 кД), при этом каждая субъединица несет одну молекулу аллофикацианина. In vivo она объединяется в агрегаты с молекулярной массой ~ 10 кД, состоящих из шести субъединиц.

Таблица 2.2. Распространение основных фотосинтетических пигментов в растениях

Организмы Хлорофиллы Фикобилипротеины Каротиноиды
а b с1 с2 d фикоэритрин фикоцианин каротины ксантофиллы
Высшие растения, папоротнико- и мохообразные

+

+ β-Каротин

α-Каротин

Лютеин

Виолаксантин

Неоксантин

Водоросли:
Зеленые + + β-Каротин Лютеин

Виолаксантин

Неоксантин

Эвгленовые + + β-Каротин Неоксантин

Диодиноксантин

Виолаксантин

Бурые + + + β-Каротин Фукоксантин

Виолаксантин

Золотистые + + + β-Каротин Фукоксантин
Желто-зеленые + β-Каротин Неоксантин

Диодиноксантин

Диатомовые + + + β-Каротин Неоксантин

Диодиноксантин

Фукоксантин

Криптофитовые + + + + α-Каротин

β-Каротин

Аллоксантин
Красные + + + + α-Каротин

β-Каротин

Лютеин

Зеаксантин

Сине-зеленые + + + β-Каротин Эхиненон

Миксоксантофилл

Зеаксантин

В клетках водорослей фикобилипротеины агрегируются один с другим, образуя гранулы, которые называются фикобилисомами. Фикобилисомы образуют упорядоченные ансамбли на поверхности тилакоидных мембран.

Каротиноиды и фикобилины, как и хлорофиллы b, с1, с2 и d, называют вспомогательными или сопутствующими пигментами. Это определяется их функциями, о которых мы будем говорить дальше.

Распространение основных фотосинтетических пигментов в природе приведено в табл. 2.2.

Если хлорофилл а invivo встречается во всех видах растений, то b – у высших растений и двух семейств водорослей (зеленые и эвгленовые), а фикобилины только в водорослях трех семейств: красные, сине-зеленые и криптофитовые.

Спектры поглощения. Все пигменты поглощают свет избирательно. Так, если пропустить белый свет через раствор хлорофилла, а затем разложить с помощью призмы, то увидим, что отдельные участки спектра будут сильно поглощаться, и на их месте увидим черные полосы. Другие участки спектра будут проходить через раствор хлорофилла в ослабленном виде.

Мы получаем так называемый спектр поглощения хлорофилла. Какие длины волн будет поглощать пигмент, зависит от количества и расположения двойных связей в его молекуле, от присутствия в ней ароматических колец и атомов металла. В случае хлорофилла наиболее полно поглощаются красные и сине-фиолетовые лучи. Небольшая разница в строении молекулы хлорофиллов а и b обуславливает некоторую разницу в поглощении ими света. Хлорофилл а более полно поглощает свет с длиною волны 670, 680, 700 и 435 нм, а хлорофилл b – 650 и 480 нм.

С наименьшим поглощением проходят через раствор хлорофилла или лист зеленые лучи и часть красных. У хлорофилла b полоса поглощения в красной части спектра смещена в сторону коротковолновых лучей, а в сине-фиолетовой – в сторону длинноволновых.

Изучение спектров поглощения показало, что хлорофилл а в живом листе образует 8–10 форм, которые химически одинаковы, но отличаются по поглощению света. Такой результат обусловлен несколькими причинами. Во-первых, молекулы хлорофилла могут взаимодействовать между собой (агрегированная форма). Во-вторых, они взаимодействуют с компонентами мембран хлоропластов, в частности с белком. И, в третьих, это связано с динамическим состоянием молекул хлорофилла в тилакоидах. Хлорофилл беспрерывно разрушается под действием света (фотодесктрукция). На смену разрушенным молекулам в мембраны тилакоидов встраиваются новые. Некоторые особенности пигментов и спектры поглощения представлены в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Некоторые особенности пигментов

Пигменты Структурные отличия Отличия в спектрах поглощения; длина волны, нм Окраска

Хлорофилл а

–СН3 670, 680, 700, 435 Сине-зеленая
Хлорофилл b 650, 480 Желто-зеленая
Β-Каротин С40Н56 425, 450, 480 Желтая
Лютеин С40Н56О2 425, 445, 450 Желтая
Виолаксантин С40Н56О4 475 Желто-оранжевая
Фикоэритрин 498–568 Красная
Фикоцианин 580–630 Сине-голубая
Аллофикоцианин 585–650 Синея

Желтые пигменты имеют основные полосы поглощения света в синей и фиолетовой частях спектра. Немного они поглощают и зеленые лучи.



Источник: biofile.ru


Добавить комментарий