Пластидные пигменты

Из молекулярной схемы строения тилакоидов хло­ропластов видно, что наряду с белками и фосфолипида­ми в них представлены зеленые пигменты - хлорофил­лы и желтые - каротиноиды. У растений содержатся хлорофилл а и хлорофилл b, У фотосинтезирующих бактерий - бактериохлорофилл. Все пластидные пиг­менты нерастворимы в воде, но растворяются в органи­ческих растворителях.

Строение хлорофилла изучено настолько, что уже в 1960 г. он получен синтетически. В химическом отношении хлорофилл представляет собой сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина (хлорофил­линовой кислоты) И двух спиртов - метилового и фитола.

Основу молекулы хлорофилла составляют 4 пир­рольных кольца, придающие хлорофиллу гидрофиль­ные свойства. Пиррольные кольца соединены метино­выми мостиками (-СН=). У 3-го пиррольного кольца располагается пятое циклопентановое дополнительное кольцо.

Карбоксил при этом кольце соединен эфирной связью с остатком метанола (СН₃). Остаток спирта фитола (С₂₀Н₃₉) соединен с карбоксилом пропионовой кислоты, расположенной у 4-го пиррольного кольца. Фитольный хвост придает хлорофиллу гидрофобные свойства. В центре молекулы хлорофилла находится атом магния, соединенный с азотом пиррольных колец двумя основными ковалентными и двумя дополнитель­ными связями. Ядро молекулы хлорофилла окружено чередующимися двойными и одинарными связями, ко­торые носят название конъюгированных. Хлорофилл b отличается от хлорофилла а лишь тем, что у 2-го пир­рольного кольца вместо метилъной группы имеет­ся альдегидная группа.

Следует особо подчеркнуть значение металлорга­нической связи магния с азотом пиррольных колец и конъюгированных связей в молекуле хлорофилла в превращении энергии солнечного света в химическую связь. Первая ответственна за поглощение красной части спектра, а вторые - сине-фиолетовой. Наличие таких связей свидетельствует о том, что эти вещества фотоактивны. Эти связи определяют характерный спектр поглощения хлорофиллов, максимумы которо­го приходятся на красную и сине-фиолетовую часть. Кроме красных, синих и фиолетовых лучей спектра хлорофилл поглощает оранжевые, голубые и частично желтые. Зеленые лучи практически не погло­щаются, поэтому мы видим листья зелеными.

Другим специфическим свойством хлорофиллов является флуоресценция, т.е. потеря энергии в виде излучения при переходе молекулы из возбужденного состояния в основное. При этом испускаются лучи с большей длиной волны, чем поглощенные. Поэтому вытяжка хлорофилла в проходящем свете окрашена в изумрудно-зеленый, а в отраженном - в красный цвет.

Листья растений поглощают в среднем около 60 - ­70 % физиологически активной радиации, а остальную радиацию отражают и пропускают. По общим оптичес­ким характеристикам плоский и игольчатый лист су­щественно отличаются.

Если хвоя текущего года и частично первого года жизни имеет примерно одинаковые с плоским листом спектральные характеристики, то хвоя второго и пос­ледующих лет жизни резко увеличивает поглощение света, особенно в ближней инфракрасной области. В среднем хвоя сосны и ели поглощает в видимой части спектра на 10 - 15 %, а в ближней инфракрасной - на 20- 30 % больше света, чем лист березы, осины и дру­гих лиственных пород. Что касается пропускания сол­нечных лучей хвоей сосны и ели, то оно сравнительно невелико. В целом лиственные леса пропускают под полог значительно больше дальних красных и ближних инфракрасных лучей солнечного спектра. Лишь в пас­мурную погоду эти различия сглаживаются.

Кора ветвей и стволов у большинства древесных растений, за исключением белой бересты берез и оран­жево-красной пробки сосен, поглощает до 80 - 90 % и отражает 10-20 % энергии падающей радиации. При первичном строении коры ее спектральные характе­ристики близки к аналогичным характеристикам зеле­ного листа (В. А. Алексеев).

Из химических свойств хлорофилла, прежде все­го, следует отметить его способность реагировать со щелочами и кислотами. Если на раствор хлорофилла подействовать КОН, то образуется калиевая соль хло­рофиллина и спирты (реакция омыления).

Калиевая соль хлорофиллина также зеленого цве­та, а так как в молекуле хлорофилла не затронуты ни металлорганическая связь магния с азотом пирроль­ных колец, ни конъюгированные связи, то оптические свойства этой соли не утрачиваются.

При действии кислот на хлорофилл образуется бурое вещество феофитин, в молекулу которого вме­сто магния внедряется водород, что приводит к потере оптических свойств.

Зеленую окраску раствора можно восстановить, действуя на феофитин солями меди, ртути, цинка, железа. Так, при нагревании феофитина с уксуснокис­лой медью последняя замещает водород, восстанавли­вая зеленую окраску

Хлорофилл очень сходен по своему химическому составу с гемоглобином крови, что свидетельствует о близости этих двух важнейших пигментов· раститель­ного и животного происхождения.

Пластидные пигменты в хлоропластах постоянно подвергаются различным превращениям, синтезу, рас­паду и т. д. Так, например, за одни сутки обновляется до 10 % хлорофилла.

Биосинтез хлорофилла теснейшим образом связан с общим метаболизмом растения и внешними факто­рами. Из последних необходимы определенная темпе­ратура - не ниже -2°С, оптимальная - около 20°С . Для большинства растений оптимальная интенсив­ность света составляет около 25000 лк, причем лучше всего реакции синтеза хлорофилла идут в красной части спектра. Для указанных реакций нужны мине­ральные элементы - железо, азот, магний, а также бор, цинк и медь.

При прорастании семян в темноте, в том числе семян большинства лиственных древесных растений, появляющиеся проростки лишены обычной зеленой окраски вследствие отсутствия хлорофилла. Эти рас­тения остаются почти белыми, иногда желтыми. Стеб­ли их необычно вытянуты, листья не полностью разви­ты. Такие растения называют этиолированными, а само явление - этиоляцией. У хвойных древесных пород проростки зеленеют и при выдерживании их в темно­те, но в дальнейшем без света и они приобретают все признаки этиолированных, потому что имевшийся хло­рофилл постепенно разрушился, а новые его порции не образуются.

Явление хлороза растений связано с недостатком в них железа, ответственного за ряд реакций биосин­теза хлорофилла. Хлороз наблюдается на сильноизве­стковых щелочных почвах. В таких почвах железо переходит в нерастворимую и недоступную для расте­ний форму. Признаки хлороза наблюдаются у расте­ний южного происхождения при низкой температуре почвы, когда жизнедеятельность корней нарушена, а вместе с ней и синтез ряда продуктов, необходимых для синтеза хлорофилла. Инфекционные заболевания растений также нередко вызывают появление призна­ков хлоротичности.

Хлороз нельзя смешивать с альбинизмом, вызы­ваемым нарушениями генетического аппарата растений. При альбинизме листья оказываются белыми даже в самых благоприятных условиях внешней среды из­-за отсутствия генов, ответственных за синтез пластид­ных пигментов. Альбинизм наблюдается у проростков лимона, кукурузы и некоторых других растений, при­чем после исчерпания запасных веществ семени они погибают из-за отсутствия фотосинтеза.

Желтые пластидные пигменты - каротиноиды подразделяются на каротины и их кислородные производные - ксантофиллы. К настоящему времени в растительном мире выделено несколько сот кароти­ноидов, но наибольшее распространение из кароти­нов получили каротины b и а, а из ксантофиллов - лютеин, виолаксантнин, неоксантин, зеаксантин.

Каротиноиды являются производными изопрена. Эмпирическая формула каротинов С₄₀Н₅₆. Из восьми остатков изопрена обра­зуются довольно длинные цепи, имеющие по краям иононовые кольца. Название каротин про­исходит от латинского слова «карота» - морковь, в ко­торой этот пигмент содержится в большом количестве и был открыт в 1821 г. Нетрудно заметить наличие в молекуле каротинов конъюгированных связей, свиде­тельствующих о принадлежности этих веществ к фо­тоактивным соединениям.

Кислородопроизводные каротинов ксантофиллы, наиболее распространенным из которых является лютеин C₄₀H₅₄ (ОН)₂, поглощают, как и каротины, лучи сине-фиолетовой части спектра.

Синтез каротиноидов идет при температуре не ниже -5°С. Наиболее оптимальной является темпера­тура в пределах 20°С. Свет для синтеза каротиноидов не обязателен, но он стимулирует реакции образования этих веществ, особенно синие лучи спектра. Необхо­дим и ряд минеральных элементов, особенно фосфор.

Содержание хлорофиллов колеблется от 0,3 до 1,3 % на абсолютно сухую массу листа. Хлорофилла а обыч­но в 3 раза больше, чем хлорофилла b. У теневых листьев хлорофилла b больше, чем у световых. Содер­жание каротина в 3 - 5 раз меньше, чем хлорофиллов. На одну молекулу каротинов приходится 2 - 3 молеку­лы ксантофиллов. Содержание хлорофилла изменяется в связи с возрастом листа.

В однолетней хвое содержание хлорофиллов не­сколько увеличивается от верхней к нижней части кроны. Содержание пигментов в листе меняется и в зависимости от возраста деревьев. В однолетней хвое сосны и ели в возрасте 60 лет содержится наибольшее количество хлорофиллов.

Содержание пластидных пигментов в листьях ли­стопадных древесных растений по ходу вегетации сначала довольно резко возрастает, затем стабилизи­руется, а к осени снижается, а каротиноидов продол­жает увеличиваться. Осенью повышается и количество в листьях антоцианов - пигментов, находящихся не в цитоплазме, а в клеточном соке вакуоли. От указанной динамики содержания и превращения пластидных и вакуолярных пигментов зависит осенняя окраска лис­тьев древесных растений. В это время в стареющих листьях хлорофилл начинает разрушаться, а повышенное количество каротиноидов придает листьям желтую окраску (березы, ясени, липы и др. породы). Розовая, багряная, оранжевая, пунцово-красная окраска листьев древесных растений осенью связана с накоплением различных антоцианов, окраска которых зависит от кислотности клеточного сока (клены, осина, рябина, бересклет и др. породы). Солнечная сухая погода при относительно низкой температуре осенью способствует накоплению антоцианов и, следовательно, разнооб­разию осенней окраски листьев древесных растений. В летний период накоплению антоцианов в листьях и побегах деревьев способствует недостаток фосфора, магния и некоторых других элементов.

Содержание пластидных пигментов можно суще­ственно повысить, если улучшить лесорастительные условия. Любая оптимизация водного и минерального питания древесных растений, уничтожение вредной энтомофауны и фитопатогенных грибов приводят к более быстрому биосинтезу и повышенному содержа­нию хлорофиллов и каротиноидов.

Так, например, осушение почвы заболоченного ельника хвощово-сфагнового и внесение удобрений существенно повысили содержание хлорофиллов в хвое ели: текущего года - от 1,6 до 2,5 раза, однолет­ней и двухлетней - от 1,5 до 2,3 раза.

Регулировать содержание пигментов можно так­же с помощью ряда других лесохозяйственных мероп­риятий, в частности рубками ухода.