16. Пигментные системы фотосинтезирующих организмов.

Ответ. Пигменты фотосинтезирующих систем можно разделить на три основные группы: хлорофиллы, каротиноиды и фикобилипротеиды. Пигментный состав различных фотосинтезирующих систем неодинаков и зависит от принадлежности растения к той или иной систематической группе. Для обозначения различных форм хлорофилла используются буквы латинского алфавита: а, b, с, d. Среди различных форм хлорофилла наибольшее распространение имеет хлорофилл a — обязательный компонент пластид всех фотосинтезирующих растений. По своей химической природе хлорофилл весьма близок к некоторым важным дыхательным ферментам, а также к красящему веществу крови — гему гемоглобина. Общность химической природы двух основных пигментов живых организмов, а именно хлорофилла растений и гемоглобина животных, заключается в том, что у гема также имеется ядро, состоящее из четырех соединенных друг с другом пиррольных колец, в центре которого находится атом металла, только у хлорофилла — это магний, а у гема — железо. Наряду с хлорофиллами к постоянным компонентам комплекса пигментов фотосинтезирующих систем относятся каротиноиды. Обычно это желтые, оранжевые и светло-красные пигменты, которые хорошо растворяются в жирах и растворителях жиров, но не растворяются в воде. Как правило, их окраска маскируется интенсивным зеленым цветом хлорофиллов. Поэтому в природе только осенью, когда преимущественно происходит разрушение зеленых пигментов, листья желтеют и каротиноиды становятся доступными для непосредственного наблюдения. Типичными, широко распространенными каротиноидами высших растений являются β-каротин, лютеин и виолаксантин. β-каротин — это желто-оранжевый пигмент. Компонентом у фикоэритринов является мезобилиэритрин, а у фикопианов — мезобиливиолин, структура которых представлена на рисунке. Как видно, фикобилины имеют в своем составе четыре пиррольных кольца, соединенных друг с другом в виде развернутой цепи, однако в деталях структура их окончательно еще не установлена. Важно подчеркнуть, что фикобилины весьма близки по своей химической природе к желчным пигментам животных. Фикоциан и фикоэритрин как дополнительные пигменты играют существенную роль в адаптации (приспособлении) растений к условиям освещения, обеспечивая наилучшее использование солнечной энергии для фотосинтеза.

17. Хлорофиллы, их строение, химические и физические свойства. Функции хлорофиллов.

Ответ. Все хлорофиллы являются магниевыми солями пиррола. В центре молекулы хлорофилла находятся магний и четыре пиррольных кольца, соединенных друг с другом метиновыми мостиками. Хлорофиллы являются сложными эфирами дикарбоновой хлорофиллиновой кислоты С32Н30ОN4Мg(СООН)2 с двумя спиртами — фитолом (С20Н39ОН) и метанолом (СН3ОН). Важнейшей частью молекулы хлорофилла является центральное ядро. Оно состоит из четырех пиррольных пятичленных колец, соединенных между собой углеродными мостиками и образующих большое порфириновое ядро с атомами азота посередине, связанными с атомом магния. В молекуле хлорофилла имеется дополнительное циклопентановое кольцо, которое содержит карбонильную, а также карбоксильную группы, соединенные эфирной связью с метиловым спиртом. Наличие в порфириновом ядре конъюгированной по кругу системы десяти двойных связей и магния обусловливает характерный для хлорофилла зеленый цвет. Хлорофилл b отличается от хлорофилла а только тем, что в его молекуле вместо метильной группы во втором пиррольном кольце содержится альдегидная группа СОН. Хлорофилл а имеет сине-зеленую окраску, а хлорофилл b — светло-зеленую. Адсорбируются они в разных слоях хроматограммы, что свидетельствует о разных химических и физических свойствах. По современным представлениям, биосинтез хлорофилла b идет через хлорофилл а. Одно из важнейших свойств хлорофиллов — их ярко выраженная способность к флуоресценции, которая очень интенсивна в растворе и угнетена в хлорофилле, содержащемся в тканях листьев, пластидах. Известно, что флуоресценция — это свойство многих тел под влиянием падающего света, в свою очередь, излучать свет; при этом длина волны излучаемого света обычно больше длины волны возбуждающего света. Если смотреть на раствор хлорофилла в лучах света, проходящих через него, то он кажется изумрудно-зеленым, если же рассматривать его в лучах отраженного света, то он приобретает красную окраску — это и есть явление флуоресценции. Свойство вещества поглощать свет зависит от его атомного строения, и в первую очередь от расположения окружающих ядро электронов. При поглощении фотона атомом или молекулой его энергия воспринимается одним из электронов, и атом или молекула переходит на уровень, более богатый энергией, — в возбужденное состояние. Возбуждение молекулы светом происходит менее чем за 10-15 с. Обычно возбужденные молекулы неустойчивы: время их жизни в возбужденном состоянии составляет в среднем 10-9-10-8 с. Когда действие света прекращается, возбужденная молекула возвращается в начальное состояние с более низким уровнем энергии. Возвращение к основному состоянию сопровождается потерей энергии, которая была поглощена во время возбужденного состояния, она переходит в тепло или излучается в виде света. Излучение света в этом случае и называется флуоресценцией. Ослабление флуоресценции хлорофилла в живых тканях, очевидно, объясняется поглощением света флуоресценции самими пигментами. Хлорофиллы а и b различаются спектрами поглощения: у хлорофилла b по сравнению с хлорофиллом а полоса поглощения в красной области спектра несколько смещена в сторону коротковолновых лучей, а в сине-фиолетовой области максимум поглощения смещен в сторону длинноволновых, т. е. красных, лучей. С помощью дифференциальной спектрофотометрии установлено, что, хлорофилл — это комплекс зеленых пигментов, компоненты которого имеют различные полосы поглощения в дальних красных и ближних инфракрасных лучах, а именно: 670, 685, 705 и 720 нм. Вероятно, в хлоропластах есть несколько форм хлорофилла, имеющих различный характер связей белков с липидами, что влияет на его оптические свойства. В толстом слое хлорофилла зеленые лучи гаснут, и он приобретает вишнево-красную окраску.