Биохимия растений

участием кислорода СО2 образуются также молекулы воды. Источником водорода для восстановления СО2 у других фотосинте-

зирующих организмов могут служить молекулы Н2S, Í2, углеводо-

родов и некоторых других химических веществ.

В 1954—1958 гг. Д. И. Арноном было установлено, что конеч- ными продуктами световых реакций фотосинтеза являются м˝оле-

кулы восстановленных динуклеотидов НАДФ · Н и молекулы˝

АТФ, которые далее включаются в темновые реакции, и в ходе этих реакций происходит восстановление СО2 до уровня углево-

дов. В опытах было также показано, что световые реакции осу˝ще-

ствляются с участием ферментов, локализованных в мембран˝ах хлоропластов, а темновые реакции — в их жидкой фазе, или мат-

риксе.

9.1.1. СВЕТОВАЯ ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА

Пигменты фотосинтеза. В поглощении света принимают учас-

тие специальные фотосенсорные структуры фотосинтезирую˝щих

клеток, важнейшими компонентами которых являются химиче˝с- кие соединения, относящиеся к классу пигментов. Они предс˝тав-

лены тремя группами веществ: хлорофиллами, каротиноидами˝ и

фикобилинами.

Х л о р о ф и л л ы имеют структурное сходство с гемами. Ос-

нову строения их молекулы, как и гемов, составляет порфири˝но-

вое ядро, включающее четыре пиррольных кольца, соединенны˝х метеновыми группировками. Атомы азота пиррольных колец о˝б-

разуют четыре координационные связи с атомом магния, зани˝мающим центральное положение в молекуле хлорофилла. Кроме того, к пиррольному кольцу III порфиринового ядра хлорофилл˝а

присоединена кольцевая структура V, содержащая карбониль˝ную (=С=О) и метилированную карбоксильную ãðóï-

пы. С атомами углерода пиррольных колец, не участвующими в образовании порфиринового ядра, связаны определенные бо˝ковые радикалы, которые неодинаковы у разных форм хлорофилл˝а,

обозначаемых латинскими буквами a, b, ñ, d. При обработке хло-

рофиллов слабой кислотой в их молекулах происходит замещ˝ение

катионов Mg2+ на катионы Н+, в результате чего образуются соответствующие производные, называемые феофетинами. Ó áîëü-

шинства хлорофиллов к карбоксильной группе, соединенной˝ с

пиррольным кольцом IV, сложноэфирной связью присоединяетс˝я

остаток спирта фитола, имеющего следующее строение:

271

При удалении путем гидролиза сложноэфирной связи остатк˝а

фитола из молекулы хлорофилла образуется производное, на˝зываемое хлорофиллидом, а при одновременном гидролизе связи, со-

единяющей окисиметильную группу с карбоксилом цикличес˝кой

структуры V, возникают производные — хлорофиллины. Хлорофилл à содержится в фотосинтезирующих клетках расте-

ний, водорослей и цианобактерий. У хлорофилла b в отличие от

хлорофилла à во втором пиррольном кольце метильная группа за-

мещена на формильную группу . Эта форма хлорофилла

представлена у высших растений, зеленых и эвгленовых водо˝рос-

ëåé.

Бурые и диатомовые водоросли вместо хлорофилла b содержат хлорофилл ñ, а многие красные водоросли — хлорофилл d, êîòî-

рый отличается от хлорофилла à тем, что у него виниловая груп-

пировка в пиррольном кольце I замещена на формильную. В клетках фотосинтезирующих бактерий содержатся бактериохлорофиллы.

272

Молекулы хлорофилла имеют систему сопряженных двойных

связей, включающую 18 подвижных π-электронов, что позволяет

им легко осуществлять переход в возбужденное состояние п˝ри поглощении квантов света. Под воздействием кванта красного˝ света

один из электронов в молекуле хлорофилла перемещается на˝ бо-

лее высокоэнергетическую орбиталь, вследствие чего моле˝кула

хлорофилла переходит в первое возбужденное синглетное состояние, которое характеризуется тем, что направление спина у˝ воз-

бужденного электрона не изменяется. В возбужденном сингл˝ет-

ном состоянии молекула хлорофилла находится 10–12—10–9 с, затем она возвращается в основное синглетное состояние, отд˝авая

энергию возбуждения в виде теплоты, флуоресценции или пер˝едавая ее другим молекулам хлорофилла.

При поглощении кванта синего света, обладающего большей

энергией по сравнению с красным светом (1 моль квантов сине˝го света — 260 кДж, красного — 176 кДж), один из электронов в мо-

лекуле хлорофилла переходит на еще более высокоэнергети˝чес-

кую орбиталь, переводя молекулу во второе возбужденное синглетное состояние, в котором она находится 10–13 с и затем, отдав

часть энергии в виде теплоты, переходит в первое возбужденное

синглетное состояние, а далее указанным ранее путем возвр˝ащается в основное синглетное состояние.

Из возбужденного синглетного состояния молекула хлороф˝ил-

ла, потеряв часть энергии возбуждения в виде теплоты, може˝т переходить в триплетное состояние, которое сопровождается обращением спина возбужденного электрона. Из возбужденного триплетного состояния молекула хлорофилла далее возвращается

в основное синглетное состояние, излучая энергию возбуждения в

273

9строения хлоропласта:

виде фосфоресценции или отдавая ее другим молекулам хлор˝о-

филла.

У растений хлорофилл содержится в мембранах хлоропласто˝в, называемых ламеллами. Во многих участках хлоропласта ламеллы образуют уплотнения в виде стопки дисков, которые называю˝т гранами (рис. 9.1). Мембранные структуры в составе гран (тилакоиды) имеют внешний слой, состоящий из белков, и внутренний липидный слой, включающий хлорофилл и другие пигменты.

Магнийпорфириновое кольцо молекулы хлорофилла представ˝ляет собой плоскостную структуру, обладающую гидрофильными свойствами, а остаток фитола — гидрофобная часть, способ˝ная взаимодействовать с мембранными липидами. За счет гидроф˝ильного участка молекулы хлорофилла образуют комплексы с бе˝лками в составе тилакоидов.

Как указывалось ранее, в хлоропластах растений содержатс˝я две формы хлорофилла — à è b, которые имеют максимумы поглощения в красной и синей областях спектра (рис. 9.2). Хлорофилл à при растворении в диэтиловом эфире дает сине-зеленое окра˝ши-

Рис. 9.2. Спектры поглощения пигментов фотосинтеза:

1 — хлорофилл à; 2 — хлорофилл b; 3 — каротиноиды

274

вание и имеет максимумы поглощения при длинах волн 662 и 429 нм, хлорофилл b — желто-зеленую окраску и максимумы поглощения при 643 и 453 нм.

Однако в клетках листа молекулы хлорофилла образуют агре˝ги-

рованные комплексы с белками, липидами и другими молекула˝ми пигментов, поэтому их максимумы поглощения смещаются от т˝ех значений, которые определены для чистых растворов хлороф˝илла.

Так, например, в ходе исследований выявлены разные формы х˝лорофилла à с максимумами поглощения в красной части спектра в интервале длин волн 660—700 нм. Присутствие разных форм хлорофилла в структуре хлоропластных мембран расширяет диа˝пазон длин волн, при которых происходит поглощение солнечного с˝вета растениями.

Молекула хлорофилла b в возбужденном состоянии способна передавать энергию возбуждения по принципу индуктивног˝о резонанса другой молекуле хлорофилла без инициирования из˝луче- ния в виде флуоресценции. Это оказывается возможным, если˝ взаимодействующие молекулы находятся на близком рассто˝янии (<10 нм) и спектр флуоресценции молекулы-донора перекрывае˝т- ся спектром поглощения молекулы-акцептора. Вокруг возбуж˝денной молекулы, поглотившей квант света, возникает переменн˝ое электрическое поле, которое воздействует на соседнюю мол˝екулу, индуцируя ее переход в возбужденное синглетное состояни˝е, при

этом исходная молекула-донор переходит в основное сингле˝тное состояние.

Получившая возбуждение новая молекула хлорофилла по ука˝- занному ранее механизму передает энергию возбуждения сл˝едующей молекуле, у которой спектр поглощения перекрывается с˝о спектром флуоресценции возбужденной молекулы. Учитывая˝, что спектры флуоресценции молекул смещены от спектров погло˝щения в длинноволновую сторону (согласно правилу Стокса), пе˝ренос энергии возбуждения осуществляется от молекул с более ко-

ротковолновыми максимумами поглощения, имеющих больший˝ запас энергии в возбужденном синглетном состоянии, к моле˝кулам, которые поглощают свет в длинноволновом диапазоне и ˝име-

ют в аналогичном состоянии меньший запас энергии. Скорост˝ь резонансного переноса энергии между молекулами хлорофи˝лла соизмерима со временем нахождения молекулы в возбужденн˝ом синглетном состоянии, а эффективность переноса энергии в˝оз-

буждения приближается к 100 %.

Молекулы хлорофилла à, имеющие максимумы поглощения в

наиболее длинноволновой части спектра, не способны перед˝авать

энергию по принципу индуктивного резонанса другим молек˝улам

275

хлорофилла, однако они образуют в комплексе со специфичес˝кими белками так называемые реакционные центры, в которых осуществляется перенос электрона от возбужденной молекулы˝ хлорофилла на соответствующий акцептор. Различают два типа реа˝кци-

онных центров, в составе одного из них содержится длинноволновая форма хлорофилла à, обозначаемая П700, а в другом — его

длинноволновая форма, обозначаемая П680. Индексы 700 и 680

указывают длину волны, при которой достигается максимум п˝о- глощения данных пигментов в красной части спектра. На каж˝-

дую молекулу пигментов П700 è Ï680, входящих в состав реакци-

онных центров, в структуре хлоропластных мембран имеются по 120—240 других молекул хлорофилла, способных поглощать

кванты света и переводить энергию возбуждения на реакцио˝н-

ный центр.

Молекулы хлорофилла b с максимумом поглощения при

650 нм, как и хлорофилл à, при поглощении света переходят в воз-

бужденное синглетное состояние и передают энергию возбу˝ждения на хлорофилл à. В составе молекул хлорофилла, передающих

энергию возбуждения на реакционные центры, молекулы хлор˝о-

филла b обычно составляют 42—45 %.

Наряду с хлорофиллами активную роль в процессе фотосинте˝за

играют к а р о т и н о и д ы, которые представлены в фотосинтезирующих организмах двумя группами — каротинами и ксан˝то-

филлами. Каротины (Ñ40Í56) — пигменты оранжевого или красно-

го цвета, хорошо растворяются в эфире, но почти нерастворимы в

спиртах. Важнейшим представителем этой группы является β-ка- ротин, который в значительном количестве содержится в пла˝сти-

дах высших растений и водорослей. Однако он незаметен всл˝ед-

ствие зеленого цвета хлорофилла. В осенний период, когда х˝лорофилл подвергается интенсивному распаду, именно каротины˝ и

ксантофиллы окрашивают листья растений в желто-оранжевы˝й

öâåò.

Молекула β-каротина построена из восьми остатков изопрена,

образующих систему сопряженных двойных связей. Причем ос˝-

татки изопрена на концах молекулы подвергаются циклизац˝ии, образуя две циклические структуры β-ионона (см. с. 565). В не-

большом количестве в растениях содержится также α-каротин, ко-

торый отличается от β-каротина тем, что в одной из концевых циклических структур двойная связь смещена на один углер˝одный атом к началу цепи, вследствие чего система сопряженных д˝войных связей укорачивается на одно звено. В мембранных стру˝кту-

рах зеленых серных бактерий содержится γ-каротин, у которого

276

изопреновые остатки на одном из концов молекулы не подвер˝гаются циклизации.

Ксантофиллы (Ñ40Í56Î2, Ñ40Í56Î4) — желтые пигменты, являю-

щиеся кислородными производными каротинов. Они хорошо ра˝с- творяются в спиртах и значительно хуже в эфире. Из ксантоф˝иллов в растениях наиболее распространены лютеин, зеаксант˝ин и

виолаксантин.

В результате окисления α-каротина образуется важнейший

представитель ксантофиллов лютеин, у которого к каждому

иононовому кольцу присоединяется по одной гидроксильно˝й

группе:

При окислении β-каротина синтезируется зеаксантин, èìåþ-

щий, как и лютеин, в составе каждого иононового кольца по одной

гидроксильной группе:

277

В результате присоединения атомов кислорода к двойным св˝я- зям в составе концевых циклических структур происходит п˝ревра-

щение зеаксантина в виолаксантин:

278

У эвгленовых водорослей из ксантофиллов преобладает ант˝е-

раксантин, у бурых и диатомовых водорослей — фукоксанти˝н и

зеаксантин, у пурпурных серных бактерий — спириллоксан˝тин.

Всего в группе каротиноидных пигментов насчитывается ок˝оло 400 разновидностей, которые выполняют в организмах целый ря˝д важных функций.

Каротиноиды поглощают кванты света в синей и сине-фиоле-

товой частях спектра в интервале длин волн 400—500 нм, т. е. в

той области спектра, в которой слабо поглощают молекулы х˝лорофиллов. Однако при поглощении квантов света только кароти˝ны способны передавать энергию возбуждения молекулам хлор˝офил-

ëà à, от которых она далее переносится на реакционные центры.

Как и хлорофиллы, молекулы каротинов могут образовывать а˝грегированные комплексы с белками и липидами хлоропластных˝ мембран. Таким образом, каротины в комплексе с хлорофилла˝ми

279

выполняют важную функцию поглощения солнечной энергии и передачи ее посредством механизма индуктивного резонан˝са на

реакционные центры.

Кроме того, каротиноиды выполняют еще одну функцию в процессе фотосинтеза. Они защищают молекулы хлорофилла о˝т фотоокисления образующимся в ходе фотосинтеза кислород˝ом.

Показано, что каротиноиды взаимодействуют с хлорофиллом˝,

находящимся в триплетном возбужденном состоянии, при это˝м молекула хлорофилла переходит в основное синглетное сос˝тоя-

ние, а каротиноид — в возбужденное триплетное состояние˝. Пос-

ле этого молекула каротиноида, выделив теплоту, возвращае˝тся в исходное синглетное состояние. Одновременно молекулы ка˝ро-

тиноидов способны реагировать с кислородом, находящимся˝ в

возбужденном синглетном состоянии, и ускорять его перево˝д в основное синглетное состояние. При этом молекулы каротин˝ои-

дов вначале переходят в возбужденное триплетное состоян˝ие, а

затем, выделив теплоту, возвращаются в исходное синглетно˝е состояние.

В клетках некоторых водорослей кроме хлорофилла и кароти˝- ноидов содержатся пигменты ф и к о б и л и н ы. Как и молеку-

лы хлорофиллов, фикобилины включают четыре пиррольные

группировки, но соединенные в открытую цепь. Они не содер-

жат в своем составе магния и остатка фитола. У красных водо˝-

рослей преобладает разновидность фикобилинов — фикоэритробилин, у синезеленых — фикоцианобилин. Фикоэритробилин отли-

чается от фикоцианобилина строением правой концевой гру˝ппи-

ровки.

280