Хлорофиллы

Важнейшую роль в процессе фотосинтеза играют зеленые пигменты— хлорофиллы. Французские ученые Пелетье иКавенту (1818)  выделили из листьев зеленое вещество и назвали его хлорофиллом (от греч. «хлорос» — зеленый и «филлон» — лист). В настоящее время известно около десяти хлорофиллов. Они отличаются по химическому строению, окраске, распространению среди живых организмов. У всех высших зеленых растений содержатся хлорофиллы а и b. Хлорофилл с содержится в диатомовых водорослях, хлорофилл d — в красных водорослях. Кроме того, известны четыре бактериохлорофилла (a, b, c, d), содержащиеся в клетках фотосинтезирующих бактерий. В клетках зеленых бактерий содержатся бактериохлорофиллы с и d, в клетках пурпурных бактерий — бактериохлорофиллы а и b. Основными пигментами, без которых фотосинтез не идет, являются хлорофилл а для зеленых растений и бактериохлорофиллы для бактерий.

Впервые точное представление о пигментах зеленого листа высших растений было получено благодаря работам крупнейшего русского ботаника М. С. Цвета (1872—1919). Он разработал новый хроматографический метод разделения веществ и выделил пигменты листа В чистом виде. Хроматографический метод разделения веществ основан на их различной способности к адсорбции. Метод этот получил широкое применение. М. С. Цвет пропускал вытяжку из листа через стеклянную трубку, заполненную порошком — мелом или сахарозой (хроматографическую колонку). Отдельныекомпоненты смеси пигментов различались по степени адсорбируемости и передвигались с разной скоростью, в результате чего они концентрировались в разных зонах колонки. Разделяя колонку на отдельные части (зоны) и используя соответствующую систему растворителей, можно было выделить каждый пигмент. Оказалось, что листья высших растений содержат четыре пигмента — два хлорофилла (а и b) и два каротиноида (каротин и ксантофилл).

 Хлорофиллы, так же как и каротиноиды, нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях. Хлорофиллы a и b различаются по цвету: хлорофилл а имеет сине-зеленый оттенок, a хлорофилл b — желто-зеленый. Содержание хлорофилла а в листе примерно в три раза больше по сравнению с хлорофиллом b.

Химические свойства хлорофилла

По химическому строению хлорофиллы — сложные эфиры дикарбоновой органической кислоты — хлорофиллина и двух остатков спиртов — фитола и метилового. Эмпирическая формула — C₅₅Н₇₂O₅N₄Mg. Хлорофиллин представляет собой азотсодержащее металлорганическое соединение, относящееся к магнийпорфиринам

 

 

         _/  соон

МgН₄ОН₃₀С₃₂

      \СООН

В хлорофилле водород карбоксильных групп замещен остатками двух спиртов — метилового СН₃ОН и фитолаС_2оН₃₉ОН.

дана структурная формула хлорофилла а. Хлорофилл b отличается тем, что содержит на два атома водорода меньше и на один атом кислорода больше (вместо группы СН₃ группа – C^{= О}

                                                                                                                            ^{\ Н} . В связи с этим молекулярная масса хлорофилла а — 893 и хлорофилла b — 907. В 1960 г. Вудворд осуществил полный синтез хлорофилла.

В центре молекулы хлорофилла расположен атом магния, который соединен с четырьмя атомами азота пиррольныхгруппировок. В пиррольных группировках хлорофилла имеется система чередующихся двойных и простых связей. Это и есть хромофорная группа хлорофилла, обусловливающая поглощение определенных лучей солнечного спектра и его окраску. Диаметр порфиринового ядра составляет 10 нм, а длина фитольного остатка — 2 нм.

Расстояние между атомами азота пиррольных группировок в ядре хлорофилла составляет 0,25 нм. Интересно, что диаметр атома магния равен 0,24 нм. Таким образом, магний почти полностью заполняет пространство между атомами азота пиррольных группировок. Это придает ядру молекулы хлорофилла дополнительную прочность. Еще К. А. Тимирязев обратил внимание на близость химического строения двух важнейших пигментов: зеленого — хлорофилла листьев и красного — гемина крови. Действительно, если хлорофилл относится к магнийпорфиринам, то гемин — кжелезопорфиринам. Сходство это не случайно и служит еще одним доказательством единства всего органического мира.

Одной из специфических черт строения хлорофилла является наличие в его молекуле помимо четырех гетероцикловеще одной циклической группировки из пяти углеродных атомов — циклопентанона. В циклопентановом кольце содержится кетогруппа, обладающая большой реакционной способностью. Есть данные, что в результате процессаэнолизации по месту этой кетогруппы к молекуле хлорофилла присоединяется вода.

Молекула хлорофилла полярна, ее порфириновое ядро обладает гидрофильными свойствами, а фитольныйконец — гидрофобными. Это свойство молекулы хлорофилла обусловливает определенное расположение ее в мембранах хлоропластов. Порфириновая часть молекулы связана с белком, а фитольная цепь погружена в липидный слой. Извлеченный из листа хлорофилл легко реагирует как с кислотами, так и со щелочами. При взаимодействии со щелочью происходит омыление хлорофилла, в результате чего образуются два спирта и щелочная соль кислоты хлорофиллина. В интактном живом листе от хлорофилла может отщепляться фитол под воздействием фермента хлорофиллазы. При взаимодействии со слабой кислотой извлеченный хлорофилл теряет зеленый цвет, образуется соединение феофитин, у которого атом магния в центре молекулы замещен на два атома водорода.

Хлорофилл в живой интактной клетке обладает способностью к обратимому фотоокислению и фотовосстановлению. Способность к окислительно-восстановительным реакциям связана с наличием в молекуле хлорофилла сопряженных двойных связей с подвижными π-электронами и атомов азота с неподеленными электронами. Азот пиррольных ядер может окисляться (отдавать электрон) или восстанавливаться (присоединять электрон).

Исследования показали, что свойства хлорофилла, находящегося в листе и извлеченного из листа, различны, так как в листе он находится в комплексном соединении с белком. Это доказывается следующими данными:

1.Спектр поглощения хлорофилла, находящегося в листе, иной по сравнению с извлеченным хлорофиллом.

2.  Хлорофилл невозможно извлечь абсолютным спиртом из сухих листьев. Экстракция протекает успешно, только если листья увлажнить или к спирту добавить воды, которая разрушает связь между хлорофиллом и белком.

3.  Выделенный из листа хлорофилл легко подвергается разрушению под влиянием самых разнообразных воздействий  (повышенная кислотность, кислород и даже свет).

Между тем в листе хлорофилл достаточно устойчив ко всем перечисленным факторам. Следует отметить, что хотя крупный русский ученый В. Н. Любименко и предлагал этот комплекс назвать хлороглобином, по аналогии с гемоглобином, связь между хлорофиллом и белком иного характера, чем между гемином и белком. Для гемоглобина характерно постоянное соотношение — на 1 молекулу белка приходится 4 молекулы гемина. Между тем соотношение между хлорофиллом и белком различно и претерпевает изменения в зависимости от типа растений, фазы их развития, условий среды (от 3 до 10 молекул хлорофилла на 1 молекулу белка). Связь между молекулами белка и хлорофиллом осуществляется путем нестойких комплексов, образующихся при взаимодействии кислотных групп белковых молекул и азота пиррольных колец. Чем выше содержание дикарбоновых аминокислот в белке, тем лучше идет их комплектование с хлорофиллом (Т. Н. Годнее). Белки, связанные с хлорофиллом, характеризуются низкой изоэлектрической точкой (3,7—4,9). Молекулярная масса этих белков порядка 68 тыс. Вместе с тем хлорофилл может взаимодействовать и с липидами мембран.

Важным свойством молекул хлорофилла является их способность к взаимодействию друг с другом. Переход измономерной в агрегированную форму возник в результате взаимодействия двух- и более молекул при их близком расположении друг к другу. В процессе образования хлорофилла его состояние в живой клетке закономерно меняется. При этом и происходит его агрегация (А. А. Красновский). В настоящее время показано, что хлорофилл в мембранахпластид находится в виде пигмент-липопротеидных комплексов с различной степенью агрегации.

Физические свойства хлорофилла

Как уже отмечалось, хлорофилл способен к избирательному поглощению света. Спектр поглощения данного соединения определяется его способностью поглощать свет определенной длины волны (определенного цвета). Для того чтобы получить спектр поглощения, К. А, Тимирязев пропускал луч света через раствор хлорофилла. Часть лучей поглощалась хлорофиллом, и при последующем пропускании через призму в спектре обнаруживались черные полосы. Было показано, что хлорофилл в той же концентрации, как в листе, имеет две основные линии поглощения в красных и сине-фиолетовых лучах (рис. 6). При этом хлорофилл а в растворе имеет максимум поглощения 429 и 660 нм, тогда как хлорофилл b — 453 и 642 нм. Однако необходимо учитывать, что в листе спектры поглощения хлорофилла меняются в зависимости от его состояния, степени агрегации, адсорбции на определенных белках. В настоящее время показано, что есть формы хлорофилла, поглощающие свет с длиной волны 700, 710 и даже 720 нм. Эти формы хлорофилла, поглощающие свет с большой длиной волны, имеют особенно важное значение в процессе фотосинтеза. 

Хлорофилл обладает способностью к флуоресценции. Флуоресценция, представляет собой свечение тел, возбуждаемое освещением и продолжающееся очень короткий промежуток времени (10^-8—10 -⁹ с). Свет, испускаемый при флюоресценции, имеет всегда большую длину волны по сравнению с поглощенным. Это связано с тем, что часть поглощенной энергии выделяется в виде тепла, хлорофилл обладает красной флуоресценцией.

10.Состояние и активность воды в клетке.

В клетке в основном содержится связанная вода. Выделяют три формы такой воды 1)осмотически связанную воду с ионами в результате из гдратации – формирования слоя молекул-диполей вокругионов; 2) коллоидно связанную с биомолекулами- белками и полисахаридами и 3) капиллярно связанную, находящуюся в межклеточном пространстве или клеточных стенкакх, которые обладают высокой гидроскопичностью и удерживают воду за счет большой гидрофильности целлюлозы и пектиновых компонентов.

Химическое или физическое связывание воды в клетке понижает ее активность, т.е. уменьшает способность воды выступать, например, в качестве растворителя. Мера активности воды в клетке представляет собой ее водный потенциал. Он выражается в еденицах давления- атмосферах, барах, паскалях. Условно потенциал чистой воды равен нулю. Водный потенциал любого водного раствора является отрицательной величиной, так как присутствие растворенного вещества понижает свободную энергию молекул воды. Водный потенциал клетки равен сумме осмотического потенциала, потенциал давления, гравитационного потенциала и потенциала набухания.

Показатель состояния воды в клетке, определяемый концентрацией растворенного вещества, называется осмотическим потенциалом. Он характерезует способность воды диффундировать через мембраны или поглощаться клеткой.

Величина, отражающая влияние на активность воды силы тяжести и заставляющая воду двигаться вниз до тех пор, пока силе гравитации не будет противостоять равная ей по величине другая сила, называется гравитационным потенциалом. Эта составляющая водного потенциала заметно сказывается на нем лишь при поднятии воды на относительно большую величину (например, в кроны деревьев).

При поглощении воды клеткой возникает эластичное растяжение клеточной стенки. Тургорное противодавление клеточной стенки, отражающее влияние на активность воды механического (гидростатического) давления, называется потенциалом давления. При равенстве потенциала давления осмотическую потенциалу клетки последняя перестает поглощать воду, так как в этом случае ее водный потенциал становится навным нулю.

Состояние растительных клеток лил тканей,характеризующийся величиной напряжения, степенью насыщенности их водой, называется тургором. При увеличении объема вакуоли и прижимания цитоплазмы к клеточной стенке возникает тургорное давление. Оно придает механическую прочность растительным тканям и поддерживает их форму в пространстве.

Сосущая сила, которая связана с поглощением воды клетками в процессе гидратации белков и других высокомолекулярных соединений, есть потенциал набухания. Он, главным образом, реализуется при поглощении воды сухими семенами.

36.Интенсивность фотосинтеза и продуктивность.

Интенсивность фотосинтеза – это количество СО2, усваиваемое (лил О2 выделяемое) единицей листовой поверхности в единицу времени.

Она зависит от внутренних и внешних факторов. 1)К внутренним относятся: наличие энергии в виде АТФ и НАДФН, концентрация субстратов (СО2 и РДФ), количество фермента РДФ-карбоксилазы, содержание гормонов (в первую очередь АБК), донорно-акцепторные отношения, фаза развития растения, возраст листа, содержание в нем углевода. 2) Из внешних факторов основную роль в процессе фотосинтеза играют: интенсивность и спектральный состав света, температура, концентрация СО2 и О2, водный режим листьев, обеспеченность растений элементами минерального питания.

Интенсивность фотосинтеза растительного объекта зависит от длины волны падающего на него излучения. Спектр действия фотосинтеза показывает эффективность определенных световых лучей в осуществлении этого фотобиологического процесса.

Скорость фотосинтеза зависит от интенсивности фотосинтетической активной реакции (ФАР). Световая зависимость (кривая) фотосинтеза имеет два участка. 1)На линейном участке интенсивность процесса определяется скоростью прохождения световой фазы. 2) На втором участке кривой, где регистрируется световое насыщение фотосинтеза, скорость процесса в основном зависит от активности темновых реакций и поступления углекислого газа.

Скорость фотосинтеза зависит от сопротивления прохожденинию молекул углекислого газа, или проводимости листа для СО2. Различают устьичную и остаточную проводимость. Первая зависит от ширины раскрытия устьичных щелей , апертуры. Вторая величина характерезуется проводимостью мезофилла, она включает прохождение солекулы СО2 в жидкой фазе, транспорт через клеточные стенки, мембраны хлоропластов к местам карбоксилирования и определяется главным образом активностью карбоксилирующих ферментов фотосинтеза.

Комплексный параметр, определяемый интенсивностью не только фотосинтеза растения, но и его дыхания, есть чистая продуктивность фотосинтеза – количество граммов сухого вещества, накопленного растением за единицу времени в расчете на единицу листовой площади. Этот физиологический показатель выражается в граммах сухой массы на 1м² за сутки.

Скорость накопления фитоцинозом общей или хозяйственно-полезной биомассы при расчете на единицу посевной площади (кг/га в сутки) определяется продуктивность растений.

37. Гликолиз: химические реакции, регуляция ,энергетика.

Гликолиз-это процесс окисления и постепенного превращения глюкозы в пировиноградную кислоту (ПВК), в результате которого выделяется энергия, называется гликолизом. Он представляет первую анаэробную фазу дыхания и происходит в цитозоле, пластидах. Гликолиз состоит из трех стадий: 1)активирования глюкозы; 2) расщепление гексозы и 3) окисление и восстановления с образованием АТФ и пирувата. 1)Во время начальной стадии гликолиза происходит фосфорилирование и превращение глюкозы в неустойчивое соединение фруктозо-1,6-дифосфат,2) которое во второй стадии процесса распадается на две молекулы триоз: 3-фосфоглицериновый альдегид (ФГА) СНО-СНОН-СН3О(Р) и фосфодиоксиацетон СН2О(Р)-СО-СН2ОН. Последний затем превращается в ФГА. 3) Третья стадия гликолиза начинается с окисления двух молекул 3-фосфоглицеринового альдегида до двух молекул СН2О(Р)-СНОЕ-СОО(Р) 1,3-дифосфоглицериновой кислоты. От этой кислоты передается остаток фосфата на молекулу АДФ, в результате такого, так называемого субстратного фосфорилирования, возникает макроэргическое соединение АТФ. Образовавшаяся в реакции 2-ФГК СООН-СНО(Р)-СН2ОН при участии фермента энолазы превращается в фосфоенолпируват СООН-СО(Р)=СН2. При этом происходит выделение воды, а в остатке фосфорной кислоты возникает высокоэнергитическая связь.Заканчивается третья стадия переносом фосфатной группы на АДФ и образованием молекулы пирувата.

Реакции гликолиза суммарное уравнение можно выразить так: С6Н12О6+2НАД⁺+2АДФ+2Н3РО4-> 2C Н3-СО-СООН+2НАДН+Н⁺+2АТФ.

Основной функцией гликолиза наряду с образованием энергии служит активирование гексоз, достаточно интерных, малореакционноспособных. В результате синтезируются активные молекулы кислоты, подвергающиеся дальнейшим преобразованием.

Важную роль гликолиз играет так же при расщеплении крахмала хлоропластов до экспортных продуктов- триоз.

Гликолиз находится под постоянным контролем регуляторной системы клетки. Если, например, энергитические потребности клетки возрастают, то концентрация Рн в результате гидролиза АТФ увеличивается. Это активирует ферменты гликолиза и одновременно ингибирует активность ферментов пентозофосфатного цикла. При дифиците Рн наоборот, подавляется гликолиз и активизируется пентозофосфатный цикл. Подобная регуляция скорости гликолиза возможно также на других участках цепи реакции.

7.Конституционные и запасные вещества растения. Основные формы запасных веществ.

КОНСТИТУЦИОННЫЕ ВЕЩЕСТВА — вещества, входящие в состав протопластов и оболочек живых клеток растения. В отличие от запасных веществ и продуктов обмена, К. в. постоянно присутствуют в клетке и не могут быть извлечены без ее разрушения.