Фикобилины

Фикобилины — красные и синие пигменты, содержащиеся в хроматофорах некоторых водорослей. Исследования показали, что багряные, сине-зеленые водоросли наряду с хлорофиллом а содержат фикобилины. В основе химического строения фикобилинов лежат четыре пиррольные группировки. В отличие от хлорофилла у фикобилинов пиррольные группы расположены в виде открытой цепочки. Фикобилины представлены двумя пигментами: фикоцианином (у сине-зеленых водорослей) и фикоэритрином (красные водоросли). Фикоэритрин — это окисленный фикоцианин. Фикобилины образуют соединения с белками, содержащимися в хроматофорах. При этом связь между фикобилинами и белками очень прочная. Эта связь раз­рушается только кислотой. Предполагается, что карбоксильные груп­пы пигмента связываются с аминогруппами белка. Фикобилины поглощают лучи в зеленой и желтой части солнеч­ного спектра. Это та часть спектра, которая находится между двумя основными линиями поглощения хлорофилла. Фикоэритрин погло­щает лучи с длиной волны 495—565 им, а фикоцианин — 550—615 нм.

Сравнение спектров поглощения фикобилинов со спектром, в котором проходит фотосинтез у водорослей (спектр действия), пока­зывает, что они очень близки. Это позволяет считать, что фикобилины поглощают энергию света и подобно каротиноидам передают ее на молекулу хлорофилла, после чего она используется в процессе фотосинтеза.

Наличие фикобилинов у водорослей является примером приспо­собления в процессе эволюции к поглощению тех участков солнечного спектра, которые проникают сквозь толщу морской воды (явление филогенетической хроматической адаптации). Как известно, крас­ные лучи, соответствующие основной линии поглощения хлорофилла, поглощаются, проходя через толщу морской воды. Наиболее глубо­ко проникают зеленые лучи, которые поглощаются не хлорофиллом, а фикобилинами. Таким образом, наличие фикобилинов позволяет водорослям в процессе фотосинтеза использовать те лучи, которые к ним проникают.

Энергетика фотосинтеза

Важнейшей особенностью процесса фотосинтеза является то, что он протекает с использованием энергии солнечного света. Лучистая энергия — это энергия электромагнитных колебаний, которая характеризуется определенной длиной волны. Собственно свет или область электромагнитных колебаний, воспринимаемая человеческим глазом, лежит в пределах длины волн от 400 до 700 нм. Более короткие вол­ны характерны для ультрафиолетовых лучей, а более длинные для инфракрасных. Хорошо известно, что при пропускании луча света через призму он разлагается на отдельные участки, имеющие раз­личную окраску (спектр). В пределах видимого света в зависимости от длины волны окраска лучей различна. Обладая волновыми харак­теристиками, свет проявляет и корпускулярные свойства. Лучистая энергия излучается и распространяется в виде отдельных дискретных единиц — квантов или фотонов. Квант света обладает энергией, кото­рая прямо пропорциональна частоте колебаний и обратно пропорциональна длине волны. Величина энергии квантов для раз­ных участков спектра будет различна: чем короче длина волны, тем больше энергия кванта. Положение о том, что в процессе фотосинтеза могут быть исполь­зованы только поглощенные лучи солнечного света, впервые получи­ло экспериментальное подтверждение в опытах К. А. Тимирязева. Процесс усвоения СО₂ на свету пред­ставляет собой фотохимический процесс и подчиняется законам фото­химии. В процессе фотосинтеза на место связей, обладающих малым запасом энергии, таких, как О—Н, С—О, создаются связи С—С, бла­годаря этому свободная энергия системы повышается. Эта энергия представляет собой трансформированную солнечную энергию. К. А. Тимирязевым был разработан более точный метод учета про­цесса фотосинтеза, основанный на одновременном определении объ­ема поглощенной углекислоты и выделенного кислорода в замкнутом сосуде (эвдиометре). Высокая чувствительность данного метода по­зволила определить фотосинтез в отдельных монохроматических участках спектра, в которых благодаря малой их интенсивности фото­синтез шел очень слабо. Опыты К. А. Тимирязева ясно показали, что процесс фотосинтеза проходит именно в тех лучах, которые погло­щаются хлорофиллом. Хлорофилл является оптическим сенсибилиза­тором, поглощающим энергию света и передающим ее на молекулы Н₂О и СО₂. Определяя интенсивность процесса фотосинтеза в различ­ных лучах солнечного спектра, К. А. Тимирязев показал, что наибо­лее интенсивное усвоение углекислоты наблюдается в красных лучах. Затем по направлению к зеленой части спектра процесс фотосинтеза постепенно ослабевает. В зеленых лучах фотосинтез минимальный. Это и понятно, так как именно зеленые лучи хлорофиллом почти не поглощаются. В сине-фиолетовой части спектра наблюдается второй подъем интенсивности фотосинтеза. Таким образом, если представить себе интенсивность фотосинтеза в виде кривой, то она будет иметь два максимума соответственно двум максимумам поглощения хлоро­филла. Ряд пиков энергии фотосинтеза соответственно отдельным линиям поглощения хлорофилла не наблюдается, так как хлорофилл в хлоропластах находится в такой концентрации, при которой, линии поглощения частично сливаются и образуются два основных макси­мума. Интенсивность процесса фотосинтеза в различных участках спектра получила название спектра действия. Можно сделать вывод, что спектр поглощения хлорофилла и спектр действия совпадают.

Важное значение имеют исследования К. А. Тимирязева по эф­фективности использования энергии в красном и сине-фиолетовом участках спектра. Поглощенная энергия в крас­ном участке спектра используется более полно. Из этого наблюдения К. А. Тимирязев сделал вывод, что поглощенная энергия лучей разного качества, разной длины волны используется в фотохимических реакциях с разной эффективностью. Зеленый цвет растений не слу­чаен, в процессе естественного отбора растения приспособились к поглощению именно тех лучей, энергия которых используется в про­цессе фотосинтеза наиболее эффективно. На этом примере хорошо демонстрируется важность исторического подхода при объяснении тех или иных физиологических явлений. Мысли К. А. Тимирязева получили блестящее подтверждение после того, как Эйнштейном бы­ла сформулирована теория фотоэффекта. Из теории фотоэффекта следует, что интенсивность любой фотохимической реакции опреде­ляется не количеством поглощенной энергии, а числом поглощенных квантов. Между тем величина квантов в разных лучах солнечного спектра различна. В красных лучах кванты характеризуются мень­шей энергией. По мере того как уменьшается длина волны, растет энергия квантов. В связи с этим на одно и то же количество погло­щенной энергии в красных лучах по сравнению с сине-фиолетовыми приходится большее число квантов и соответственно большее коли­чество прореагировавших молекул в фотохимических реакциях, в том числе и при фотосинтезе. Могут быть кванты, несущие так мало энергии, что ее не хватает на то, чтобы вызвать химический эффект. Иначе говоря, для фотохимических реакций существует нижний пре­дел энергии, т. е. верхний предел длины волны, после которого они неосуществимы.

Фотохимические реакции возможны в пределах величины кван­тов от 147 до 587 кДж/моль. Таким образом, в квантах красного све­та (176 кДж/моль hv) заключено достаточное количество энергии для осуществления фотохимической реакции. Вместе с тем при по­глощении квантов синего света (261 кДж/моль hv) реагирующие молекулы будут получать избыток энергии, который выделяется в виде тепла или света.

Таким образом, молекулы будут вступать в реакцию под влия­нием разного количества энергии. Следовательно, использование энергии зависит от качества света. Была установлена величина фотосинтетической работы, производимой за счет 1 Дж поглощенной лучистой энергии. Эта величина возрастает по мере уве­личения длины волны. Таким образом, количество прореагировавших молекул СО₂ и Н₂О в процессе фотосинтеза пропорционально числу поглощенных квантов. Однако число квантов, необходимое для протекания раз­личных фотохимических реакций, неодинаково. Редкая фотохимиче­ская реакция имеет квантовый расход, равный единице. Он может быть значительно больше единицы, так как не все возбужденные молекулы вступают в реакцию; может быть и меньше единицы, если благодаря цепным взаимодействиям в реакцию вступают не только возбужденные молекулы.

Квантовый расход процесса фотосинтеза, т. е. количество квантов, необходимое для того, чтобы одна молекула СО₂ восстановилась до углеводов, окончательно не установлен. Все же большинство исследо­ваний показывает, что для восстановления одной молекулы СО₂ до углеводов нужно 8—9 квантов света. Анализ квантового расхода, на­блюдаемого в различных участках солнечного спектра, позволил так­же доказать роль каротипоидов в процессе фотосинтеза. В той части спектра, где лежит максимум поглощения каротиноидов, т. е. между синими и зелеными лучами, на их долю приходится 70% от всего поглощения и лишь 30% энергии поглощается хлорофиллом. В этой части спектра расход квантов приближается к теоретически возмож­ному, только если принять, что кванты света, поглощенные каротиноидами, передаются хлорофиллу и таким образом используются в процессе фотосинтеза. Правда, кванты света, поглощенные каротиноидами, используются, по-видимому, менее эффективно по сравне­нию с квантами, поглощенными непосредственно хлорофиллом.

Из того факта, что квантовый расход процесса фотосинтеза очень велик, следует, что это сложный процесс. Какова же судьба погло­щенных пигментами квантов света? Процесс фотосинтеза начинает­ся с фотофизического этапа.

2-й ЭТАП ФОТОСИНТЕЗА

Согласно законам фотохимии, при поглощении кванта света ато­мом или молекулой какого-либо вещества электрон переходит па другую, более удаленную, орбиталь, т. е. на более высокий энергети­ческий уровень. Наибольшей энергией обладает электрон, отдаленный от ядра атома и находящийся на бесконечно большом расстоянии от него. Вместе с тем. чем ближе к ядру, тем меньше энергия электрона. Каждый электрон переходит на более высокий энергетический уровень под влиянием одного кванта света.

В молекуле хлорофилла два уровня возбуждения. Именно с этим связано и то, что он имеет две основные линии поглощения. Первый уровень возбуждения связан с переходом на более высокий энергети­ческий уровень электрона в системе сопряженных двойных связей, а второй — с возбуждением неспаренных электронов атомов азота и кислорода в порфириновом ядре. При поглощении света электроны переходят в колебательное движе­ние. Наиболее подвижными в мо­лекуле являются делокализованные электроны, орбитали которых как бы размазаны, обобщены меж­ду двумя ядрами. Особенно легко возбуждаются электроны сопря­женных двойных связей. Электрон, кроме того, что он находится на определенной орбитали и вращает­ся вокруг ядра, обладает еще спи­ном — характеристикой, которую можно трактовать как направление вращения электрона вокруг своей оси. Спин электрона может прини­мать два значения. Спины двух электронов, находящихся на одной орбитали, различны. Когда в моле­куле все электроны расположены попарно, их суммарный спин равен нулю. Это основное синглетное со­стояние (5о). В основном энерге­тическом состоянии 5о молекула находится в тепловом равновесии со средой, все электроны попарно занимают орбитали с наименьшей энергией. При поглощении света электроны переходят на следующую орбиталь с более высоким энергетическим уровнем. При этом имеются две возможности: если электрон не меняет спина, то это приводит к возникновению первого и второго синглетного состояния

(S₁*, S₂*). Если же один из электронов меняет спин, то такое состояние называют триплетным. (Т₁*).

Наиболее высокий энергетический уровень — это второй синглетный уровень S₂*. Электрон переходит на него под влиянием сине-фиолетовых лучей, кванты которых крупнее, содержат больше энер­гии. В первое возбужденное S₁* состояние электроны могут перехо­дить, поглощая более мелкие кванты (красного света).

Различные возбужденные состояния электронов характеризуются разным временем жизни. Время жизни на S₂* уровне составляет 10^-12 с. Это время настолько мало, что на его протяжении энергия электронного возбуждения не может быть использована. Через этот короткий промежуток времени электрон возвращается в первое син­глетное состояние S₁* (без изменения направления спина). Переход от одной молекулы пигмента к другой идет с большой эффективностью (от хлорофилла b к хлорофиллу а — 90%, от каротиноидов к хлоро­филлу— 40%), однако все же это связано с некоторой ее потерей. Вместе с тем кванты света с меньшей длиной волны обладают боль­шей энергией. В этой связи потеря энергии приводит к превращению квантов в более мелкие (с большей длиной волны). Именно поэтому основная форма хлорофилла, к которой стекается энергия, поглощает лучи с длиной волны 700 нм и обозначается как пигмент 700 (П₇₀₀). Обратный перенос энергии невозможен. Таким образом, фотофизи­ческий этап фотосинтеза заключается в том, что кванты света погло­щаются и переводят молекулы пигментов в возбужденное состояние. Затем эта энергия переносится на хлорофилл-ловушку, связанную с реакционным центром, где она и используется в фотохимических ре­акциях. Дальнейшее превращение энергии света в химическую энер­гию проходит ряд этапов, начиная с окислительно-восстановительных превращений хлорофилла и включая как фотохимические (свето­вые), так и эпзиматические (темповые) реакции.