3.3. Пигментные системы фотосинтезирующих организмов

3.3.1. Пигментные системы как первичные фоторецепторы

Фоторецепторная система фотосинтеза строится на основе двух важнейших типов химических соединений: 1) тетрапирролов, образующих циклическую структуру хлорофиллов (магнийпорфиринов), а также открытую структуру пиг­ментов фикобилинов; 2) полиизопреноидов, образующих большой и разно­образный класс пигментов каротиноидов.

В каждой из этих групп пигментов путем модификации основной структуры образуется несколько химически различных структур, имеющих максимумы поглощения в разных частях видимой области электромагнитного спектра. Из­вестно 10 различных структурных форм хлорофиллов (хлорофиллы а, b, с, d, e, бактериохлорофиллы а, b, с, d и протохлорофилл), несколько форм фикобили­нов, более 100 различных модификаций каротиноидов. Кроме того, одна и та же химическая структура в живом листе в комплексе с белками и липидами образует целую серию так называемых «нативных» форм. Так, для хлорофилла а известно около 10 таких спектрально различных форм, из них 4 формы с мак­симумами поглощения в красной части спектра считаются универсальными — 661, 670, 678, 683 нм. Для каротиноидов известно несколько различных состояний одной и той же структуры: например, максимум поглощения β-каротина мономерного — 450 нм, в комплексе с белком — 455 — 460 нм, кристаллического — 540 нм. В итоге формируется мощная фоторецепторная система с большим набором различных спектральных форм. Это определяет поглощение боль­шей части видимой области спектра (от 400 до 800 нм) — так называемую фотосинтетически активную радиацию (ФАР) с энергией квантов от 1 до 3 эВ, и высокую эффективность миграции энергии в пигмент-белковых комплексах хлоропластов.

Физические механизмы процессов поглощения, запасания и миграции энер­гии молекулами хлорофилла достаточно хорошо изучены.

Поглощение фотона (hv) обусловлено переходом системы в различные энер­гетические состояния. В молекуле в отличие от атома возможны электронные, колебательные и вращательные движения, и общая энергия молекулы равна сумме этих видов энергий. Основной показатель энергии поглощающей систе­мы — уровень ее электронной энергии, определяется энергией внешних элек­тронов на орбите. Согласно принципу Паули, на внешней орбите находятся два электрона с противоположно направленными спинами, в результате чего образуется устойчивая система спаренных электронов. Поглощение энергии света сопровождается переходом одного из электронов на более высокую ор­биту с запасанием поглощенной энергии в виде энергии электронного возбуждения; Важнейшая характеристика поглощающих систем — избирательность поглощения, определяемая электронной конфигурацией молекулы. В сложной органической молекуле есть определенный набор свободных орбит, на которые возможен переход электрона при поглощении квантов света. Согласно «пра­вилу частот» Бора, частота поглощаемого или испускаемого излучения v дол­жна строго соответствовать разности энергий между уровнями:

ν = (Е₂ – E₁)/h,

где h — постоянная Планка, равная 6,626 • 10^-34 Дж/с.

Каждый электронный переход соответствует определенной полосе погло­щения. Таким образом, электронная структура молекулы определяет характер электронно-колебательных спектров.

Запасание поглощенной энергии связано с возникновением электронно-воз­бужденных состояний пигментов. Физические закономерности возбужденных со­стояний Mg-порфиринов могут быть рассмотрены на основе анализа схемы элек­тронных переходов этих пигментов (рис. 3.7). Известно два основных типа воз­бужденных состояний — синглетные и триплетные. Они отличаются по энергии и состоянию спина электрона. В синглетном возбужденном состоянии спины электронов на основном и возбужденном уровнях остаются антипараллельны­ми, при переходе в триплетное состояние происходит поворот спина возбужден­ного электрона с образованием бирадикальной системы. При поглощении фото­на молекула хлорофилла переходит из основного (S_o) в одно из возбужденных синглетных состояний — S₁ или S₂, что сопровождается переходом электрона на возбужденный уровень с более высокой энергией. Возбужденное состояние S₂ очень нестабильно. Электрон быстро (в течение 10^-12 с) теряет часть энергии в виде тепла и опускается на нижний колебательный уровень S₁, где может находиться в течение 10^-9 с. В состоянии S₁ может произойти обращение спина электрона и переход в триплетное состояние Т₁, энергия которого ниже S_1.

Рис. 3.7. Схема электронных переходов для магнийпорфиринов в полярном

растворителе:

S_o — основное состояние; S_it S₂ — первое и второе синглетные возбужденные состояния; Г], Т₂ — первое и второе триплетные возбужденные состояния

Возможно несколько путей дезактивации возбужденных состояний:

— превращение энергии возбуждения в тепло (термальная диссипация энер­гии);

— излучение фотона с переходом системы в основное состояние (флуорес­ценция или фосфоресценция);

— перенос энергии на другую молекулу;

— использование энергии возбуждения в фотохимической реакции.

Миграция энергии между молекулами пигментов может осуществляться по следующим механизмам. Индуктивно-резонансный механизм (механизм Фёрстера) возможен при условии, когда переход электрона оптически разрешен и обмен энергией осуществляется по экситонному механизму. Понятие «экситон» означает электронно-возбужденное состояние молекулы, где возбужденный электрон остается связанным с молекулой пигмента и разделения зарядов не происходит. Перенос энергии от возбужденной молекулы пигмента к другой молекуле осуществляется путем безызлучательного переноса энергии возбуж­дения. Электрон в возбужденном состоянии представляет собой осциллиру­ющий диполь. Образующееся при этом переменное электрическое поле может вызвать аналогичные колебания электрона в другой молекуле пигмента при выполнении условий резонанса (равенство энергии между основным и возбужденным уровнями) и условий индукции, определяющих достаточно силь­ное взаимодействие между молекулами (расстояние не более 10 нм).

Обменно-резонансный механизм миграции энергии Теренина—Декапера имеет место в том случае, когда переход оптически запрещен и диполь при возбуж- I дении пигмента не образуется. Для его осуществления необходим тесный кон­такт молекул (около 1 нм) с перекрыванием внешних орбиталей. В этих усло­виях возможен обмен электронами, находящимися как на синглетных, так и I на триплетных уровнях.

3.3.2. ХЛОРОФИЛЛЫ

3.3.2.1. Основные элементы структуры

и их значение в поглощении

и преобразовании энергии

Из большого числа разнообразных пигментов только две структуры — хло­рофилл а и бактериохлорофилл а — способны осуществлять преобразование энергии, все остальные пигменты участвуют в процессах поглощения и мигра­ции энергии. Анализ химического строения молекулы хлорофилла а показывает, что данная структура прекрасно приспособлена для выполнения трех основных функций в фотосинтезе — поглощения, запасания и преобразования энергии.

Главные функции хлорофиллов, представляющих собой магнийпорфирины, определены спецификой химического строения молекулы, ее физико-хи­мическими свойствами, природой электронно-колебательных спектров. Функции Mg-порфиринов формировались в процессе эволюции в тесной связи с эволюцией фоторецепторных структур. В основе молекулы Mg-порфирина ле­жит тетрапиррольная структура порфина, включающая 4 пиррольных кольца, соединенных метановыми мостиками (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Структурная формула порфина и его производных — дигидропорфина

и тетрагидропорфина

Пиррольное кольцо, состоящее из 4 атомов углерода и атома азота, является хромофором, способным поглощать энергию инфракрасной области спектра. Замыкание пиррольных колец в тетрапиррольную структуру порфина, химически более устойчивую, имело решающее значение в эволюции хлорофиллов как первичных фоторе­цепторов. Благодаря формированию циклической системы и эффекту сопря­жения появляются интенсивные полосы поглощения в видимой области спек­тра с более высокой энергией квантов. Образующиеся в процессе эволюции порфирины представляют собой сложную систему с общим π-электронным облаком, объединяющим 4 пиррольных кольца в единый цикл.

Порфириновый макроцикл обладает всеми свойствами, необходимыми для выполнения важнейших функций в фотосинтезе:

— имеет определенный спектр поглощения в зеленой области (порфирины красного цвета);

— проявляет активную красную флуоресценцию, что свидетельствует о фо­тохимической активности порфиринов;

— является хелатообразователем, способным включать Mg, что позволяет осуществлять реакции, идущие с запасанием энергии;

— обладает способностью к обратимым окислительно-восстановительным превращениям — фотовосстановлению (может служить акцептором электро­на, т. е. осуществлять фотоокисление органических веществ в отсутствие О₂) и фотоокислению (электрон-донорная функция при включении Mg).

В процессе эволюции пигментов изменяются свойства их полярности. Фор­мируются порфирины, различающиеся по числу СООН-групп — от уропорфирина (8 СООН) и копропорфирина

(4 СООН) до протопорфирина (2 СООН). Появляется также гидрофобный радикал фитол. Возникновение менее поляр­ных, более гидрофобных порфиринов обеспечило возможность включения их в мембранные структуры и образования пигмент-белковых комплексов с более длинноволновыми максимумами поглощения, а также определенную ориен­тацию пигментов, что необходимо для активных процессов поглощения и миграции энергии.

Дальнейшая эволюция пигментов шла по пути все большего усложнения их структуры. Изменяется степень восстановленности пигментов. По этому показа­телю различают три основные пигментные системы: порфин, дигидропорфин (хлорин) и терагидропорфин (бактериохлорин) (см. рис. 3.8). Изменение уров­ня восстановленности Mg-порфиринов, связанное с гидрированием двух полу­изолированных двойных связей в положениях углерода в кольце 3 — 4 и 7 — 8 (3=4 и 7=8), имело большое значение для формирования оптимальной элек­тронной структуры молекулы и сопровождалось изменением спектральных и электрон-донорных свойств. Дополнительное гидрирование порфиринового макроцикла у хлорофилла и бактериохлорофилла привело к уменьшению по­тенциала ионизации и снижению количества энергии, необходимой для фото­окисления пигментов, что имело решающее значение для процесса преобразования энергии в реакционных центрах.

Усложнение общей структуры молекулы Mg-порфирина связано с форми­рованием пятого циклопентанного кольца, т. е. с образованием системы «форбина». Структура форбина характерна для всех представителей группы хлорофил­ла (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Структура хлорофиллов a, b и бактериохлорофилла а: I —IV — нумерация пиррольных колец

Известно 10 различных модификаций хлорофилла и бактериохлорофилла. Рассмотрим важнейшие из них.

Хлорофилл а — универсальный пигмент высших растений и водорослей. У не­которых водорослей (синезеленых, некоторых красных) он представляет един­ственную форму хлорофилла. Максимум поглощения в органических раство­рителях в красной области спектра находится при длинах волн 660 — 664 нм.

Хлорофилл b — дополнительный пигмент высших растений и водорослей, впервые появляется у эвгленовых водорослей, заменяя фикобилины. Отлича­ется от хлорофилла а наличием альдегидной группы вместо метильной —СН₃ во II пиррольном кольце. Красный максимум поглощения в ацетоне 645 нм.

Хлорофилл с — дополнительный пигмент бурых и диатомовых водорослей. Он содержит магний, не этерифицирован фитолом, связь 7=8 не гидрирована, остаток пропионовой кислоты при С₇ имеет двойную связь: —СН=СН—СООН.

Хлорофилл d — дополнительный пигмент красных водорослей, отличается от хлорофилла а наличием альдегидной группы при С₂ вместо —СН=СН₂. Красный максимум поглощения в органических растворителях 686 нм.

Бактериохлорофилл а — главный пигмент у фотосинтезирующих бактерий. Красный максимум поглощения — 770 — 780 нм.

Предшественником хлорофиллов является протохлорофилл или его безфитольная форма протохлорофиллид. У протохлорофилла в отличие от хлоро­филла а двойная связь 7 = 8 в IV пиррольном кольце не гидрирована, восста­новление ее осуществляется фотохимическим путем на заключительных стади­ях биосинтеза хлорофилла.

Все рассмотренные модификации затрагивают лишь боковые группы, цент­ральная часть молекулы остается неизменной. К числу основных элементов структуры относятся: 1) циклическая 18-членная система сопряженных связей, 2) центральный атом магния, 3) циклопентанное кольцо, 4) фитол (у бактериохлорофиллов с и d — фарнезол). Исследования последних лет позволяют раскрыть функциональное значение отдельных элементов структуры.

Конъюгированная система сопряженных связей у всех хлорофиллов представ­ляет собой основную хромофорную группу, ответственную за избирательное поглощение световой энергии. Циклическая система сопряженных двойных связей, образующая делокализованную π-орбиту, имеет ряд дополнительных сопряжений: винильную группу в I кольце, полуизолированную связь во II кольце, С=О группу в V кольце. В результате возникает сложноразветвленная конъюгированная си­стема, которая обеспечивает высокую погло­щающую способность

Mg-порфиринов. Спектры поглощения магнийпорфиринов имеют два хорошо выраженных максимума поглощения в сине-фиолетовой (полоса Соре) и красной областях спектра (рис. 3.10). У хлорофилла b оба максимума расположе­ны между максимумами поглощения хло­рофилла а, что увеличивает области погло­щаемой энергии хлоропластами высших растений.

Центральный атом магния определяет важнейшие физические и химические свойства молекулы магнийпорфирина. Включение магния в тетрапиррольную струк­туру значительно изменяет спектральные свойства хлорофилла. Влияние маг­ния осуществляется через атомы азота пиррольных колец — двух третичных (—N=) и двух иминных (=NH). В щелочной среде два протона от иминных атомов азота замещаются на магний, образующий с двумя атомами иминного азота электровалентные связи. Два третичных атома азота стабилизируют это соединение за счет неподеленных пар электронов посредством координа­ционной связи. При образовании комплексного соединения порфиринов с металлом электронная плотность по всем пиррольным кольцам выравнивает­ся и они становятся эквивалентными. В результате этого изменяется симмет­рия молекулы, что сопровождается изменением ее спектральных характери­стик.

Центральный атом магния определяет уникальные функции молекулы хло­рофилла в фотосинтезе, связанные с поглощением, запасанием и преобразо­ванием энергии. Д.Мозеролл (1974) считает, что использование магния пер­вичными фототрофными организмами для построения фоторецепторных си­стем обусловлено определенными физико-химическими свойствами этого эле­мента. Магний отличается наиболее низкой величиной электроотрицательно­сти (по Л.Полингу, Mg = 1,3; Zn = 1,6; Си = 1,9), а магнийхелат порфирина имеет наиболее низкое значение редокс-потенциала, т. е. отличается наимень­шей способностью удерживать электроны. При включении магния в тетрапир­рольную структуру снижается также величина потенциала ионизации. Поэтому магнийпроизводные порфирина являются сильными восстанавливающими аген­тами и в возбужденном состоянии способны восстанавливать соединения с высоким восстановительным потенциалом (-0,9 В).

Магний определяет ряд химических свойств хлорофилла. Обладая коорди­национным числом б, магний способен образовать дополнительно две коор­динационные связи с атомами кислорода и азота. Благодаря этому магний уча­ствует в образовании ассоциатов молекулы хлорофилла с другими молекулами пигментов (при образовании димеров в реакционных центрах), с белками, липидами, фосфолипидами и другими компонентами хлоропласта. Образование ассоциатов обусловливает сильное смещение абсорбционного максимума в длинноволновую область. В результате этого (по данным К. Френча, 1972 и Ф.Ф. Литвина, 1973) образуется серия так называемых «нативных» спектраль­ных форм хлорофилла, выполняющих различные функции. Более коротковол­новые формы (661, 670, 678 нм) участвуют главным образом в процессах по­глощения энергии, более длинноволновые формы (683 нм) — в процессах ее миграции, а пигменты реакционных центров (П₆₈₀, П₇₀₀) — в процессах пре­образования энергии.

Дополнительное циклопентанное кольцо. Значение V кольца хлорофилла опре­деляется наличием в нем двух полярных групп — кетогруппы С₉=О при 9-м атоме углерода и кетоэфирной группы при С₁₀. Кетогруппа при С₉ участвует в образовании водородной связи хлорофилла и молекулы воды. Через атом кислорода вода может образовать координационную связь с магнием одной молекулы хлорофилла и одновременно водородную связь с группой С=О дру­гой молекулы. В результате образуются структуры Mg∙∙∙O(H)—Н∙∙∙О=С. В дан­ном случае воде принадлежит очень важная роль в образовании высокоорга­низованных структур антенных комплексов. Неподеденные электроны

атома кислорода С₉=О группы V кольца мо­гут участвовать в поглощении световой энер­гии и возбуждаться с переходом на π-орбиту, обусловливая так называемые n→π*-переходы.

Большое значение в образовании светпоглощающих структур хлоропластов принадле­жит кетоэфирной группе V кольца. В отличие от группы С₉=О, которая образует допол­нительное сопряжение с π-электронной си­стемой макроцикла, кетоэфирная группа при С₁₀ не конъюгирует с циклической π-электронной системой, вследствие чего образует более прочную связь с молекулой воды. Кроме того, кетоэфирная группа находится в транс-положении по отно­шению к плоскости порфинного кольца. Это позволило предположить участие кетоэфирной группы в образовании димеров П₇₀₀ и П₆₈₀ в реакционных цент­рах фотосистем. Согласно модели Ф.Фонга (1974), образование симметрично­го димера в реакционном центре ФС1 осуществляется при участии централь­ных атомов магния, кетоэфирных групп двух молекул хлорофилла а и двух молекул Н₂О с образованием структур типа (хл. а — Н₂О)₂ (рис. 3.11). Результа­ты работ японских ученых показали, что П₇оо представляет собой димер хлоро­филла а и хлорофилла а', у которого кетоэфирная группа находится в цис-положении относительно плоскости молекулы (Т. Watanabe et al., 1985). Таким образом, магний и кетоэфирная группа в молекуле хлорофилла являются глав­ными компонентами для формирования димерных структур пигментов реак­ционного центра.

Фитол представляет собой полиизопреноидную цепь, состоящую из 20 уг­леродных атомов (спирт фитол — С₂₀Н₃₉ОН), и является гидрофобным ради­калом молекулы хлорофилла. Фитольная цепь не находится в электронном со­пряжении с макроциклом и поэтому практически не влияет на электронную структуру хлорофилла в возбужденных состояниях S₁ и S₂. В нативной системе взаимодействие фитола с гидрофобными белками позволяет регулировать по­ложение макроцикла по отношению к свету и, таким образом, изменять ак­тивность светопоглощения молекулой хлорофилла.