Каротиноиды

Наряду с зелеными пигментами в хлоропластах и хроматофорах содержатся пигменты, относящиеся к группе каротиноидов. Каротиноиды — это желтые и оранжевые пигменты алифатического строе­ния, производные изопрена. Каротиноиды содержатся во всех выс­ших растениях и у многих микроорганизмов. Это самые распростра­ненные пигменты с разнообразными функциями. Каротиноиды, содержащие кислород, получили название ксантофиллов. Основными представителями каротиноидов у высших растений являются два пиг­мента —β-каротин (оранжевый) С₄₀Н₅₆ и ксантофилл (желтый) С₄₀Н₅₆О₂. Каротин состоит из 8 изопреновых остатков. При разрыве углеродной цепочки пополам и образовании на конце спирто­вой группы, каротин превращается в 2 молекулы витамина А. Обра­щает на себя внимание сходство в структуре фитола — спирта, входя­щего в состав хлорофилла, и углеродной цепочки, соединяющей циклогексениловые кольца каротина. Предполагается, что фитол возни­кает как продукт гидрирования этой части молекулы каротиноидов. Каротиноиды имеют большое количество конъюгированных двойных связей, поэтому они способны к окислительно-восстановительным реакциям. Поглощение света каротиноидами, а, следовательно, их окраска также обусловлены наличием конъюгированных двойных связей, β-каротин имеет два максимума поглощения, соответствую­щие длинам волн 482 и 452 нм. Красные лучи, поглощаемые хлорофиллами, каротиноиды не поглощают. Каротиноиды, в отличие от хлорофилла, не обладают способностью к флюоресценции. Подобно хлорофиллу каротиноиды в хлоропластах вступают во взаимодейст­вие с белками.

Физиологическая роль каротиноидов. Уже тот факт, что кароти­ноиды всегда присутствуют в хлоропластах, позволяет считать, что они принимают участие в процессе фотосинтеза. Однако не отмече­но ни одного случая, когда в отсутствии хлорофилла этот процесс осуществляется, поэтому считают, что роль каротиноидов вспомога­тельная.

В настоящее время предполагается, что каротиноиды, поглощая определенные участки солнечного спектра, передают энергию этих лучей на молекулы хлорофилла. Тем самым они способствуют ис­пользованию лучей, которые хлорофиллом не поглощаются.

Физиологическая роль каротиноидов не ограничивается их уча­стием в передаче энергии на молекулы хлорофилла. На свету происходит вза­имопревращение ксантофиллов (виолоксантин превращается в зеаксантин), что сопровождается выделением кислорода. Спектр действия этой реакции совпадает со спектром поглощения хлорофилла, что позволило высказать предположение об ее участии в процессе фото­синтеза.

Имеются данные, что каротиноиды выполняют защитную функ­цию, предохраняя различные органические вещества, в первую оче­редь молекулы хлорофилла, от разрушения на свету в процессе фото­окисления. Опыты, проведенные на мутантах кукурузы и подсолнеч­ника, показали, что они содержат протохлорофиллид (темновой пред­шественник хлорофилла), который на свету переходит в хлоро­филл а, но разрушается. Последнее связано с отсутствием способно­сти исследованных мутантов к образованию каротиноидов.

Ряд исследователей указывает, что каротиноиды играют опреде­ленную роль в половом процессе у растений. Известно, что в период цветения высших растений содержание каротиноидов в листьях уменьшается. Одновременно оно заметно растет в пыльниках, а так­же в лепестках цветков. Микроспорогенез тесно связан с метаболизмом каротиноидов. Незрелые пыльце­вые зерна имеют белую окраску, а созревшая пыльца — желто-оран­жевую. В половых клетках водорослей наблюдается дифференциро­ванное распределение пигментов. Мужские гаметы имеют желтую окраску и содержат каротиноиды. Женские гаметы содержат хлоро­филл. Высказывается мнение, что именно каротин обусловливает под­вижность сперматозоидов. Материнские клет­ки водоросли хламидомонады образуют половые клетки (гаметы) первоначально без жгутиков, в этот период они еще не могут пере­двигаться в воде. Жгутики образуются только после освещения гамет длинноволновыми лучами, которые улавливаются особым каротиноидом — кроцином.

Образование каротиноидов. Синтез каротиноидов не требует све­та. При формировании листьев каротиноиды образуются и накапли­ваются в пластидах еще в тот период, когда зачаток листа защищен в почке от действия света. При начале освещения образование хлорофилла в этиолированных проростках сопровождается временным падением содержания каротиноидов. Однако затем содержание каро­тиноидов восстанавливается и даже повышается с увеличением интен­сивности освещения. Показана тесная зависимость образования каро­тиноидов от азотного обмена. Установлено, что между содержанием белка и каротиноидов имеется прямая коррелятивная связь. Потеря белка и каротиноидов в срезанных листьях идет параллельно. Обра­зование каротиноидов зависит от источника азотного питания. Более благоприятные результаты по накоплению каротиноидов получены при выращивании растений на нитратном фоне по сравнению с амми­ачным. Недостаток серы резко уменьшает содержание каротиноидов. Большое значение имеет соотношение Са в питательной среде. Относительное увеличение содержания Са приводит к усиленному на­коплению каротиноидов по сравнению с хлорофиллом. Противопо­ложное влияние оказывает увеличение содержания магния.