3. Хлоропласты и фотосинтетические пигменты

Лист растения — орган, обеспечивающий условия для проте­кания фотосинтетического процесса. Функционально же фото­синтез приурочен к специализированным органеллам — хлоропластам. Хлоропласты высших растений имеют форму двояковы­пуклой линзы (диска), которая наиболее удобна для поглощения солнечных лучей. Их размеры, количество, расположение в клет­ке также полностью отвечают назначению: как можно эффектив­нее поглощать солнечную энергию, как можно полнее усваивать углерод. На различных сельскохозяйственных объектах установ­лено, что количество хлоропластов в клетке измеряется десятка­ми. Это обеспечивает высокое содержание этих органелл на еди­ницу поверхности листа. Так, на 1 мм² листа фасоли приходится 283 тыс. хлоропластов, у подсолнечника — 465 тыс. Диаметр хло­ропластов в среднем 0,5—2 мкм, длина 5—10 мкм, объем 30— 40 мкм3. Малый размер хлоропластов и большое количество их в одной клетке обусловливают громадную общую суммарную рабо­чую поверхность.

Хлоропласты способны к активным движениям — изменению ориентации тела и перемещению в пространстве. Скорость дви­жения хлоропластов около 0,12 мкм/с. Их передвижения вызы­ваются физическими и химическими факторами. Например, под влиянием яркого света хлоропласты поворачиваются узкой сто­роной диска к падающим лучам и перемещаются на боковые стенки клеток. Хлоропластам присуща также хемотаксическая чувствительность — они передвигаются в направлении более вы­сокой концентрации СО₂ в клетке.

Пигменты хлоропластов

Фотосинтез связан с избирательным поглощением пигмента­ми света в видимой части солнечного спектра. Фотосинтетичес­кие пигменты составляют 10—15 % сухой массы хлоропластов. Они характеризуются большим разнообразием и по химической природе делятся на две группы — хлорофиллы и каротиноиды.

Хлорофиллы

В настоящее время известно несколько различных форм хлорофилла, которые обозначают латинскими буквами. Хлоропласты высших растений содержат хлорофилл а и хлорофилл b. Они были идентифицированы русским ученым М.С. Цветом (1906) с помощью разработанного им метода хро­матографии. Структурная формула хлорофилла, предложенная Г. Фишером (1939), получила окончательное подтверждение в 1960 г. в результате двух независимо проведенных работ в США и ФРГ по искусственному синтезу хлорофилла а.

Хлорофилл — сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта‚ а другая – остатком непредельного спирта фитола:

На рисунке 8, дана структурная формула хлорофилла а. Четыре пиррольных кольца (I—IV) соединены между собой ме­тановыми мостиками (α‚β‚ γ‚ ε), образуя порфириновое ядро. Атомы азота пиррольных колец четырьмя координационными связями взаимодействуют с атомом Mg. В структуре порфиринового ядра есть также циклопентановое кольцо, содержащее хи­мически активную карбонильную группу. Структура, состоящая из тетрапиррольного и циклопентанового колец, получила назва­ние форбина.

Порфириновое кольцо представляет собой систему из девяти пар чередующихся двойных и одинарных, т. е. конъюгированных, связей с 18 делокализованными π-электронами. Хлорофилл b отличается от хлорофилла а тем, что у третьего углерода второ­го пиррольного кольца вместо метильной находится альдегидная группа. Структура хлорофилла, лишенная фитола, называется хлорофиллидом. При замещении атома магния протонами водоро­да образуется феофитин.

Согласно закону Гротгуса — одному из фундаментальных законов светохимии фотохимически деятельны только поглощенные лучи. Поэтому изучение спектров поглоще­ния пигментов, и в первую очередь хлорофилла, является реша­ющим для понимания механизма фотосинтеза и разработки путей его регуляции. Не случайно этой ключевой проблеме по­священ классический труд К.А. Тимирязева «Об усвоении света растениями».

Отличительной особенностью всех пигментов является нали­чие в их составе системы слабо удерживаемых делокализованных электронов, возбуждаемых квантами видимой части солнечного спектра. Это лежит в основе их свойства — избирательного по­глощения света. Резко выраженные максимумы поглощения хлорофиллов находятся в сине-фиолетовой и красной частях спект­ра (рис. 9). Максимумы поглощения раствора хлорофилла а в этиловом спирте — 428—430 и 660—663 нм соответственно, хло­рофилла b — 452—455 и 642—644 нм. Хлорофиллы очень слабо поглощают оранжевые и желтые лучи и совсем не поглощают зеленые и инфракрасные. Поэтому раствор хлорофилла а имеет сине-зеленый цвет, хлорофилла b — желто-зеленый.

Поглощение в сине-фиолетовой части спектра обусловлено системой конъюгированных 9 пар одинарных и двойных связей порфиринового ядра молекулы хлорофилла с 18 делокализованными π-электронами, которые возбуждаются квантами с энергией 4,5 ^.10^-19 Дж, соответствующей этим лучам. Поглощение в крас­ной области спектра (энергия кванта 3 ^.10^-19 Дж) связано с гидри­рованием двойной связи у C₇—C₈ в IV пиррольном кольце (при восстановлении протохлорофиллида до хлорофиллида), присутст­вием магния в порфириновом ядре и наличием циклопентанового кольца (V). Эти же особенности структуры способствуют сниже­нию поглощения в желтой и зеленой частях спектра.

Рис. 8. Структурная формула хлорофилла

Рис. 9. Спектры поглощения пигментов хлоропластов

Даже небольшое изменение в строении молекул приводит к значительным различиям в по­ложении максимумов поглощения. Так, у хлорофилла b, отли­чающегося от хлорофилла а заменой метильной группы на альдегидную, максимумы поглощения света оказываются более сближенными за счет смещения сине-фиолетового в длинно­волновую, а красного — в коротковолновую области. Кроме того, хлорофилл b более полно использует сине-фиолетовый свет, чем хлорофилл а; в красных лучах преимущества имеет хлорофилл а. Замещение магния протонами при обработке хло­рофилла кислотой приводит к образованию феофитина, имею­щего ослабленный красный максимум поглощения света и буро-зеленый цвет. Удаление остатков фитола и метилового спирта путем щелочного гидролиза слабо сказывается на оп­тических свойствах хлорофилла.

Существенное влияние на положение максимумов спектра поглощения оказывают природа растворителя и взаимодействие молекул хлорофилла друг с другом, а также с другими пигмента­ми, белками и липидами в составе хлоропластов. У агрегирован­ных молекул хлорофилла, взаимодействующих с белками, крас­ный максимум поглощения сдвинут в более длинноволновую часть спектра. Степень связывания определяет точный максимум поглощения света.

Раствор хлорофилла обладает яркой вишнево-красной флуоре­сценцией — излучением поглощенных квантов света. В соответст­вии с правилом Стокса флуоресценция сдвинута в более длинно­волновую часть по сравнению с поглощением света, максимум флуоресценции 650—668 нм. Хлорофилл в живом листе флуорес­цирует слабо. Это связано с тем, что энергия поглощенных квантов в основном преобразуется в химическую, причем по степени флуоресценции листа можно судить об эффективности фотосинтеза. Чем интенсивнее флуоресценция, тем ниже КПД использования поглощенной энергии.

Механизмы избирательного поглощения света и флуоресцен­ции изучены достаточно хорошо. Поглощение кванта света со­провождается переходом в более богатое энергией короткоживущее возбужденное состояние, связанное с переходом электрона на более удаленную от ядра орбиталь. Электронные орбитали атомов характеризуются определенными энергетическими уровнями, возрастающими по мере удаления от ядра. Те кванты света, энергия которых соответству­ет разности энергий между двумя орбиталями, поглощаются с переходом электрона на более дальнюю орбиталь. Поэтому могут поглощаться только кванты света с совершенно определенной длиной волны. В отличие от атома возможные энергетические состояния молекул нельзя описать точно фиксированными энер­гетическими уровнями, они характеризуются широкими полоса­ми в спектрах поглощения (рис. 10).

Рис. 10. Энергетические состояния молекулы хлорофилла и различные пути ис­пользования энергии электронного возбуждения. (Цифры указывают время жизни каждого из состояний молекулы.)

В органических молекулах почти все электроны спарены, т. е. находятся в одном и том же энергетическом состоянии, обладая противоположными спинами (основное синглетное энергетичес­кое состояние — S₀). Поглощение молекулой хлорофилла кванта красного света с энергией 170 кДж/моль квантов приводит к пер­вому синглетному электронно-возбужденному состоянию — S₁ время существования которого примерно 10^-9 с. Возбужденная молекула хлорофилла переходит в стабильное состояние путем возвращения электрона на исходную орбиталь. Поглощенная энергия при этом может расходоваться различными способами: рассеиванием теплоты; потерей в виде излучения; возбуждением соседних молекул пигментов (перенос энергии к фотохимическим центрам); совершением фотохимической работы. Возможны также потеря части энергии в виде теплоты и переход молекулы из синглетного в метастабильное триплетное возбужденное состоя­ние (с обращением спина электрона). Триплетное состояние длится гораздо дольше (> 10^-4 с). Из триплетного состояния мо­лекула может вернуться в основное за счет более длительного, чем флуоресценция, слабого длинноволнового свечения — фосфоре­сценции или направив энергию на фотохимические реакции.

Поглощение кванта в сине-фиолетовой области спектра (со­держание энергии 300 кДж/моль квантов) приводит к возникно­вению исключительно краткого (< 10^-12 с) второго возбужден­ного синглетного состояния (S₂). За счет выделения части энер­гии в виде теплоты молекула переходит в S₁, и дальнейшие события соответствуют возбуждению красным светом. Поэтому поглощение света в синей и красной областях дает одинаковый спектр флуоресценции (красный), а также равные количества фотохимической работы, несмотря на неодинаковое содержание энергии у поглощенных квантов. Этим объясняется более высо­кая эффективность красных участков солнечного спектра, о ко­торой писал еще К.А. Тимирязев. Он предположил, что хлорофилл способен к окислительно-восстановительному превращению. Впервые реакция фотовосста­новления хлорофилла была осуществлена в 1948 г. А.А. Красновским в модельных опытах. В качестве донора электронов использована аскорбиновая кислота.

Таким образом, молекула хлорофилла благодаря структурным изменениям и физико-химическим особенностям способна вы­полнять три важнейшие функции: избирательно поглощать энер­гию света; трансформировать ее в энергию электронного возбуж­дения (или запасать ее в виде энергии электронного возбужде­ния); фотохимически преобразовать энергию возбужденного состояния в химическую энергию. Для функционирования моле­кулы хлорофилла существенное значение имеет ее пространст­венная организация. Магний-порфириновое кольцо молекулы представляет собой почти плоскую пластинку толщиной 0,42 нм и площадью 1 нм². Это гидрофильная фотоактивная часть моле­кулы хлорофилла. Длинный (2 нм) алифатический остаток фитола, образующий угол с порфириновым кольцом, — ее гидрофоб­ный полюс, необходимый для взаимодействия молекулы хлоро­филла с гидрофобными участками мембранных белков и липидов.