3.3.4. Каротиноиды

3.3.4.1. Общая характеристика класса каротиноидов.

Каротиноиды – большая и разнообразная группа желтых, оранжевых, красных пигментов, поглощающих коротковолновую часть видимой области спектра (400-550 нм) и выполняющих необходимые и очень важные функции в фотосинтезе.

По химической природе каротиноиды представляют собой полиизопреноидную цепь, состоящую из 40 атомов углерода, которая у большинства каротиноидов замыкается по концам в два иононовых кольца. Центральная часть молекулы, состоящая из 18 атомов углерода, представляет собой систему сопряженных связей, образуя основную хромофорную группу молекулы пигмента.

В зависимости от содержания кислорода в молекуле каротиноида различают каротины, пигменты не содержащие кислорода, и ксантофиллы, содержащие кислород в форме гидрокси-группы (-ОН) или эпокси-группы. У высших растений главными представителями ксантофиллов являются – лютеин, виолаксантин, зеаксантин и неоксантин (рис. 3.17).

Большое разнообразие пигментов в группе каротиноидов в значительной мере связано с наличием разных изомерных форм. Цис- и транс-изомеры имеют неодинаковое расположение заместителей относительно двойной связи (рис. 3.18), различаются по спектральным и химическим свойствам и имеют разную конфигурацию молекулы – транс-изомеры линейную, цис-изомеры (9, 11, 13, 15-цис) – изогнутую. Большая часть каротиноидов ССК представлена транс-конфигурацией.

Каротиноиды присутствуют в мембранах у всех фотосинтезтрующих организмов, где они выполняют ряд важнейших функций в процессе фотосинтеза – антенную (являясь дополнительными пигментами в процессе поглощения солнечной энергии), защитную (как тушители триплетного хлорофилла и синглетного кислорода) и фотопротекторную (предохраняют реакционный центр от мощных потоков энергии при высоких интенсивностях света и стабилизируют липидную фазу тилакоидных мембран от переокисления).

3.3.4.2. Антенная функция каротиноидов.

Антенная функция каротиноидов предполагает энергетическое взаимодействие каротиноидов и хлорофиллов. Антенная функция имеет место в ССК и обусловлена синглетно-возбужденным состоянием каротиноидов, которые находятся в форме «все-транс». Возможность миграции энергии в пигмент-белковом комплексе от возбужденных каротиноидов к хлорофиллу доказано экспериментально работами Дюйзенса в опытах с сенсибилизированной флюоресценцией в системе β-каротин → бактериохлорофилл и опытами Гудхира со спектром действия, в которых установлен перенос энергии между каротиноидами и хлорофиллами в ФСI и ФСII. Таким образом, главная функция каротиноидов в ССК – поглощение энергии и перенос ее на хлорофилл. Для этой цели отобраны «все-транс» каротиноиды.

Каротиноиды характеризуются определенным спектром поглощения в сине-зеленой области (400-550 нм) (рис. 3.19). Хромофорная группа различных каротиноидов может включать в себя от 9 до 13 двойных связей, что определяет положение максимумов, энергию возбуждения и общий вид спектра поглощения. У большинства каротиноидов спектр поглощения имеет главный максимум (480 нм) и два более или менее выраженных плеча, что отражает три колебательных подуровня одного электронного перехода на второй возбужденный уровень (S₀→S₂). Переход электрона в первое синглетное возбужденное состояние (S₀→S₁) оптически запрещен.

Однако, фотофизические исследования возбужденных состояний каротиноидов, проведенные в последние годы, показали, что β-каротин и другие каротиноиды обладают ниже лежащим возбужденным синглетным уровнем S₁, на который возможен переход электрона из состояния S₂ путем реакции внутренней конверсии (Koyama, 1991). На рис. представлена диаграмма энергетических уровней β-каротина и бактериохлорофилла, где на оси ординат отложены значения волнового числа (υ) в обратных см (см^-1) , характеризующие энергию уровней. Можно видеть хорошее соответствие положения энергетических уровней β-каротина и хлорофилла, что свидетельствует о возможностях миграции энергии электронного возбуждения от β-каротина к молекуле хлорофилла.

При возбуждении молекулы β-каротина переход на S₂ возбужденный уровень (S₀→S₂) оптически разрешен, и этот переход определяет характер спектра поглощения в коротковолновой части видимой области спектра (~500 нм). Время жизни этого возбужденного состояния очень мало (200 фемтосекунд), обнаружена флуоресценция при 570 нм с очень низким квантовым выходом 6∙10^-5.

Переход S₀→S₁ оптически запрещен, поэтому соответствующие ему полосы поглощения не обнаружены. Предполагают, что имеет место внутренняя конверсия энергии S₂→S₁ со временем 200 фемтосекунд. Положение возбужденного уровня S₁ определено методом интерполяции по скорости релаксации S₂→S₁ в опытах с серией каротиноидов с различным числом двойных связей в конъюгированной цепи. Проведенные исследования позволяют предполагать, что положение возбужденного уровня S₁ β-каротина близко 17000 см^-1 (~600 нм). Квантовый выход флуоресценции от S₁ к S₀ с максимумом около 840 нм очень мал (2∙10^-5), в несколько раз меньше, чем для S₂. Время жизни молекулы β-каротина в возбужденном состоянии S₁ около 10 пикосекунд. Большее время жизни и лучшее совпадение энергетических уровней β-каротина и бактериохлорофилла позволяет считать состояние S₁ более удобным для переноса энергии возбуждения на хлорофилл (рис. 3.20).

Механизм миграции энергии в ССК от каротиноидов к хлорофиллам изучен недостаточно. Экспериментально доказано, что имеет место очень эффективный перенос энергии от каротина к хлорофиллу. Поскольку переход S₀→S₂ разрешен, в данном случае возможен дипольный механизм Ферстера. Однако, время жизни S₂ очень мало (200 фемтосекунд ), и необходим очень тесный контакт молекул β-каротина и хлорофилла. Время жизни S₁ значительно больше (10 пикосекунд) и совпадение энергетических уровней лучше, что более удобно для переноса энергии. Однако, переход S₀→S₁ для β-каротина оптически запрещен и дипольный механизм миграции энергии не возможен. В данном случае предполагается обменно-резонансный механизм Теренина-Декстера.

Таким образом, перенос энергии может идти двумя путями: 1). S₂кр→ S₂хл-л и 2). S₂кр→ S₁кр → S₁хл-л, и это может объяснить тот факт, что для антенной функции в процессе эволюции были отобраны каротиноиды в форме «все-транс», что обеспечивает работу двух каналов переноса энергии на хлорофилл (цис-формы каротиноидов флюоресцируют только в состоянии S₂).