Физические свойства хлорофилла

Хлорофилл способен к избирательному поглощению света и к флюоресценции. 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 сначала через раствор хлоро­филла, а затем через призму. В этом случае часть лучей поглощалась. Было показано, что хлорофилл в той же концентрации, как в листе, имеет две основные линии поглощения в красных и сине-фиолетовых лучах. При этом хлорофилл а в растворе имеет максиму­мы 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 до 720 нм. Формы хлорофилла, поглощающие свет с большой длиной волны, имеют особенно важное значение в про­цессе фотосинтеза. Хлорофилл обладает способностью к флюоресцен­ции. Флюоресценция 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 флюоресценцией.

Биосинтез хлорофилла

Синтез хлорофилла происходит в две фазы: темновую — до протохлорофиллида и световую — образование из протохлорофиллида хлорофилла. Для превращения протохлорофиллида в хлорофиллид необходимо его связывание с белком голохромом и присо­единение двух атомов водорода. Именно последняя реакция для боль­шинства растений протекает с использованием энергии света (фо­товосстановление). Водороды присоединяются к 7-му и 8-му атомам углерода. На послед­нем этапе к хлорофиллиду присоединяется спирт фитол. Поскольку синтез хлорофилла — процесс многоэтапный, в нем участвуют различные ферменты, составляющие, по-видимому, поли­ферментный комплекс. Интересно заметить, что образование многих белков-ферментов ускоряется на свету. Содержание хлорофилла в листе колеблется незначительно. Это связано с тем, что идет непрерывный процесс разрушения старых молекул и образование но­вых молекул хлорофилла. Причем эти два процесса уравновешивают друг друга. При этом предполагается, что вновь образовавшиеся мо­лекулы хлорофилла не смешиваются со старыми и имеют несколько иные свойства.

Условия образования хлорофилла

Проростки, выросшие в отсутствии света, называют этиолирован­ными. Такие проростки, как правило, характеризуются измененной формой (вытянутые стебли, неразвившиеся листья) и слабой желтой окраской (хлорофилла в них нет). Известно, что в некоторых случаях хлорофилл образуется и в отсутствии света. Способность образовывать хлорофилл в темноте ха­рактерна для растений, стоящих на нижней ступени эволюционного процесса. Так, при благоприятных условиях питания некоторые бак­терии могут синтезировать в темноте желто-зеленый пигмент — бактериохлорофилл. Сине-зеленые водоросли при достаточном снаб­жении органическим веществом растут и образуют пигменты в тем­ноте.

Способность к образованию хлорофилла в темноте обнаружена и у таких высокоорганизованных водорослей, как харовые. Лиственные и печеночные мхи сохраняют способность образовывать хлорофилл в темноте. Почти у всех видов хвойных при прорастании семян в тем­ноте семядоли зеленеют. Более развита эта способность у теневынос­ливых пород хвойных деревьев. По мере роста проростков в темноте образовавшийся хлорофилл разрушается, и на 35—40-й день пророст­ки в отсутствии света погибают. Интересно заметить, что проростки хвойных, выращенные из изолированных зародышей в темноте, хло­рофилла не образуют. Однако достаточно присутствия небольшого кусочка нераздробленного эндосперма, чтобы проростки начинали зеленеть. Зеленение происходит даже в том случае, если зародыш сопри­касается с эндоспермом другого вида хвойных деревьев. При этом на­блюдается прямая корреляция между величиной окислительно-вос­становительного потенциала эндосперма и способностью проростков зеленеть в темноте.

В целом рассмотрение этого вопроса приводит к заключению, что в эволюционном плане хлорофилл первоначально образовался как побочный продукт процесса темнового обмена. Однако в дальней­шем на свету растения, обладающие хлорофиллом, получили большее преимущество благодаря возможности использовать энергию сол­нечного света, и эта особенность была закреплена естественным отбором.

Исследования влияния света на накопление хлорофилла в этиоли­рованных проростках показали, что первым в процессе зеленения появляется хлорофилл а. Нормальное соотношение хлорофилла а к хлорофиллу b (3:1) наступает только через несколько часов после начала освещения, при этом, хлорофилл b образуется из хлорофилла а.

Спектрографический анализ показывает, что процесс образования хлорофилла идет очень быстро. Так, уже через 1 мин после начала освещения выделенный из этиолированных проростков пигмент име­ет спектр поглощения, совпадающий со спектром поглощения хлоро­филла а.

При исследовании влияния качества света на образование хлоро­филла в большинстве случаев проявилась положительная роль крас­ного света. Большее значение имеет интенсивность освещения. Оказалось, что освещение электрической лампой мощ­ностью 10 Вт на расстоянии 400 см было пределом, ниже которого образование хлорофилла прекращалось. Существует и верхний пре­дел освещенности, выше которого образование хлорофилла тормо­зится.

Целый ряд исследований показывает, что образование хлорофил­ла идет интенсивнее на прерывистом свете. Это подтверждает, что в образовании хлорофилла имеется темновая и световая фазы. При этом световая фаза значительно короче темновой.

Образование хлорофилла зависит от температуры. Оптимальная температура для накопления хлорофилла 26—30°С. Как и следовало ожидать, от температуры зависит лишь образование предшественни­ков хлорофилла (темновая фаза). При наличии уже образовавшихся предшественников хлорофилла процесс зеленения (световая фаза) идет с одинаковой скоростью независимо от температуры.

На скорость образования хлорофилла оказывает влияние содержа­ние воды. Сильное обезвоживание проростков приводит к полному прекращению образования хлорофилла. Особенно чувствительно к обезвоживанию образование протохлорофиллида. Показана необходимость углево­дов для протекания процесса зеленения. Именно с этим связано то, что зеленение этиолированных проростков на свету зависит от их возраста. После 7—9-дневного возраста способность к образованию хлорофилла у таких проростков резко падает. При опрыскивании са­харозой проростки снова начинают интенсивно зеленеть.

Важнейшее значение для образования хлорофилла имеют усло­вия минерального питания. Прежде всего, необходимо достаточное количество железа. При недостатке железа даже листья взрослых растений теряют окраску. Это явление названо хлорозом. Железо — необходимый катализатор образования хлорофилла. Оно необходимо на этапе синтеза σ-аминолевулиповой кислоты из глицина и сукцинил-КоА, а также синтеза протопорфирина. Большое значение для обеспечения синтеза хлорофилла имеет нормальное снабжение расте­ний азотом и магнием, так как оба эти элемента входят в состав хло­рофилла. При недостатке меди хлорофилл легко разрушается. Это, по-видимому, связано с тем, что медь способствует образованию устойчивых комплексов между хлорофиллом и соответствующими бел­ками.

Исследование процесса накопления хлорофилла у растений в те­чение вегетационного периода показало, что максимальное содержа­ние хлорофилла приурочено к началу цветения. Есть даже мнение, что повышение образования хлорофилла может быть использовано как индикатор, указывающий на готовность растений к цветению. Синтез хлорофилла зависит от деятельности корневой системы. Так, при прививках содержание хлорофилла в листьях привоя зависит от свойств корневой системы подвоя. Возможно, что влияние корневой системы связано с тем, что там образуются гормоны (цитокинины). У двудомных растений большим содержанием хлорофилла характери­зуются листья женских особей.