юрин физиология растений

Ðèñ. 2.4. Строение молекулы хлорофилла

Молекулу хлорофилла делят на две части: порфириновое ядро и фитольный хвост. Фитольный хвост в два раза длиннее ядра. Порфириновое ядро благодаря наличию атомов кислорода и азота гидрофильно. Фитольный хвост — это углеводородная, а это зна- чит — гидрофобная часть молекулы хлорофилла. Поэтому порфириновое ядро размещается в гидрофильной части мембраны тилакоида, а фитольный хвост в гидрофобной. Имея разные свойства, две части молекулы хлорофилла выполняют различную функцию: порфириновое ядро, содержащее конъюгированные связи, поглощает свет, а фитольный хвост играет роль якоря, который удерживает молекулу хлорофилла в определенной части мембраны тилакоида.

Таким образом, видим, что подобно тому, как отдельные органы многоклеточного организма или органеллы в клетке имеют определенное строение и выполняют в связи с этим особую функцию, так и особые части молекулы хлорофилла владеют специальными свойствами, а соответственно и функциями.

82

Доказать, что свет поглощается порфириновым ядром молекулы хлорофилла, можно с помощью реакции хлорофилла со щело- чью, в результате которой образуются два спирта (метанол и фитол) и соль хлорофилла:

Щелочь отсекает от молекулы хлорофилла фитольный хвост, в результате образованная соль теряет способность растворяться в бензине, но сохраняет зеленый цвет хлорофилла. Следовательно, растворимость пигмента в бензине, его гидрофобность обусловлена остатком фитола, а поглощение света связано с порфириновым ядром. Атом магния также влияет на поглощение света молекулой хлорофилла. Если с помощью кислоты заместить магний на водород, то образовавшееся вещество (феофитин) принимает крас- но-бурый цвет вместо зеленого:

Âприродных условиях образование феофитина происходит осенью, при старении листьев, под воздействием неблагоприятных факторов. В результате листья желтеют. Под влиянием различных факторов увеличивается проницаемость мембран и кислый вакуолярный сок, проникая в хлоропласты, преобразует хлорофилл в феофитин. Поскольку избирательная проницаемость мембран нарушается под воздействием разных факторов, то листья желтеют под воздействием низких и высоких температур, при дефиците воды и ее избытке и т. д.

Âнастоящее время считают, что роль Mg в поглощении света связана с тем, что он, во-первых, изменяет симметрию молекулы хлорофилла таким образом, что все сопряженные связи и сама молекула находятся в одной плоскости. Когда молекула по ка- ким-либо причинам принимает другую форму, то взаимодействие-электронных облаков нарушается, цепь сопряжения разъединяется, цвет пигментов изменяется или пропадает. Во-вторых,

83

магний придает молекуле хлорофилла способность соединяться с другими молекулами этого пигмента. И, в-третьих, магний необходим для сохранения возбужденного состояния молекулой хлорофилла. Так, тетрапиролы, содержащие вместо магния железо, быстро рассеивают свет.

Хлорофилл à — самый важный из фотосинтетических пигментов, он присутствует во всех фотосинтезирующих растениях. Существуют и другие формы хлорофиллов (b, ñ1, ñ2 è d), их называют вспомогательными (табл. 2.1; см. рис. 2.4).

Каротиноиды — жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого и красного цветов. Они входят в состав хлоропластов и хромопластов незеленых частей растений (цветов, плодов, корнеплодов). В зеленых листьях их окраска маскируется хлорофиллом.

Каротиноиды являются тетратерпеноидами (8 остатков изопрена) и содержат 40 атомов углерода. Они представляют собой цепи, которые имеют, как и хлорофилл, двойные сопряженные связи. На одном или двух концах цепи находятся иононовые кольца.

84

Каротиноиды делят на две группы: каротины и ксантофиллы. Каротины, например -каротин (С40Í56), представляют собой чистые углеводороды (тетратерпены):

Ксантофиллы же — лютеин С40Í56Î2 и виолаксантин С40Í56Î4 — окисленные соединения. Каротины имеют оранжевую или красную окраску, а ксантофиллы — желтую.

Виолаксантин

-Каротин имеет одно -иононовое кольцо (двойные связи между С5 è Ñ6), а второе — -иононовое (двойные связи между С4 è Ñ5). -Каротин отличается от -каротина тем, что имеет два-иононовых кольца.

85

Ксантофиллы отличаются большим разнообразием, чем каротины, поскольку входящие в их состав кислородосодержащие группы могут быть самыми разными: это может быть гидроксильная группа, кетогруппа, эпоксигруппа и метаксильная группа.

Распределение и типы каротиноидов в растениях имеют глубокий эволюционный смысл; их можно использовать для таксономических целей.

Относительная распространенность хлорофилла и каротиноидов в высших растениях составляет 4,5 : 1 (квантосомы содержат 230 молекул хлорофилла и 50 молекул каротиноидов). Интересно отметить, что животные обычно не синтезируют каротиноидов. Поэтому желтая и розовая расцветка птиц (например, канареек, фламинго), как и многочисленных беспозвоночных, обусловлена каротиноидами, которые они получают, поедая растения.

Молекулы каротиноидов имеют длину около 3 нм; те, которые принимают участие в фотосинтезе, обычно имеют 9 или более двойных связей.

Свет, поглощенный хлорофиллом, может вызывать образование возбужденных состояний молекулярного кислорода. Это высокореакционное состояние может повредить хлорофиллу, но взаимодействие с каротиноидами предотвращает этот процесс. Например, мутант Rhotopseudomonas spheroides, у которого отсутствуют каротиноиды, осуществляет фотосинтез в отсутствие кислорода; когда бактерии освещают в присутствии кислорода, бактериохлорофилл фотоокисляется и бактерии гибнут. У родственных штаммов, содержащих каротиноиды, такая чувствительность к кислороду не наблюдается. В других случаях, когда синтез каротиноидов подавлен, свет в присутствии кислорода может оказаться для фотосинтезирующих организмов губительным.

У дефектных по каротиноидам мутантов кукурузы и подсолнечника, а также при экспериментально нарушенном образовании каротиноидов наблюдается быстрое фотоокисление хлорофилла. Защитный (фотопротекторный) эффект объясняется способностью каротиноидов взаимодействовать с возбужденными молекулами кислорода и хлорофилла. В этом случае энергия возбужденного триплетного хлорофилла и синглетного кислорода резонансным путем передается на каротиноиды, затем рассеивается в виде тепла.

Высказывается мнение о прямом участии каротиноидов в расщеплении воды и кислородном обмене при фотосинтезе. Особое значение придается виолаксантиновому циклу:

86

При освещении в зеленых листьях наблюдается превращение виолаксантина в зеаксантин. В независимой от света реакции благодаря включению кислорода происходит обратное превращение.

В верхушках побегов растений каротиноиды обеспечивают их ориентацию к световому потоку за счет фототропизма.

Каротиноиды выполняют роль вспомогательных пигментов, которые передают энергию поглощенных квантов хлорофиллу à для совершения фотохимической работы. Особенно возрастает их значение как светоулавливающих систем в сине-фиолетовой и синей частях спектра в затененных местах, т. е. когда преобладает рассеянная радиация.

К пигментам, которые участвуют в световой стадии фотосинтеза, относятся и фикобилины. Все фотосинтетические пигменты (хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины) входят в состав пигментных систем в виде хромпротеинов, т. е. пигмент-белковых комплексов. Хлорофиллы и каротиноиды связаны с белками относительно слабо, связь между пигментом и белком нековалентная. Поскольку такие связи легко нарушаются, хлорофиллы и каротиноиды можно экстрагировать с помощью органических растворителей (ацетон, спирт).

Фикобилины связаны с белком ковалентно, поэтому они находятся в виде молекул — фикобилипротеинов. Фикобилипротеины растворимы в воде и легко вымываются из мацерированных тканей водой или разбавленными растворами солей. Однако для разрушения молекулы фикобилипротеинов путем расщепления связи между пигментом и белком необходим гидролиз в жестких условиях.

По структуре фикобилины — тоже тетрапирроллы, но с открытой цепью, которые имеют систему конъюгированных двойных и одинарных связей. У фикобилинов четыре остатка пиррола вытянуты в открытую цепь таким образом, что замкнутого порфиринового кольца в них не образуется. В своем составе они не содержат атомов Mg или других металлов, а также фитола. Эти пигменты

87

делят на две основные группы в соответствии с их цветом — красные (фикоэритрины) и синие (фикоцианины).

Название «фикобилины» предложил Лемберг (20-е гг. ХХ в.) из-за их подобия с желтыми пигментами.

Структурные формулы соответствующих билинов — фикоэритробилина (фикоэритрин), фикоцианобилина (фикоцианин), имеют следующий вид:

O N C N C N C N O H H H H H H

Фикоцианин

Фикоэритрин и фикоцианин состоят из двух разных белковых субъединиц: (молекулярная масса около 19 кД) и (около 21 кД). Стехиометричные отношения - и -субъединиц составляют 1 : 1. Каждая из белковых субъединиц несет ковалентно связанный с ней фикобилин, при этом субъединицы, выделенные из разных организмов, могут нести разное количество молекул фикобилина

— от одной до четырех. Как правило, фикобилины, связанные с одной субъединицей, относятся к одному типу (т. е. к фикоэритробилинам или фикоцианобилинам); в результате получаются

88

красные или синие субъединицы. В некоторых случаях субъединица несет на себе два типа фикобилинов, но тогда один из них является преобладающим. In vivo белковая субъединица встреча- ется в виде агрегатов ( , )n, ãäå n равно 3 или 6, что соответствует молекулярным массам около 134 или 268 кД.

К фикобилинам относится и аллофикоцианин. Он назван так потому, что его сначала принимали за одну из форм фикоцианина. Аллофикоцианин присутствует в небольших количествах в водорослях семейств красных и сине-зеленых. В отличие от других фикобилипротеинов его молекула состоит только из одного типа белковых субъединиц (молекулярная масса около 15 кД), при этом каждая субъединица несет одну молекулу аллофикоцианина. In vivo она объединяется в агрегаты с молекулярной массой около 10 кД, состоящие из шести субъединиц.

Âклетках водорослей фикобилипротеины агрегируются один

ñдругим, образуя гранулы, которые называются фикобилисомами. Фикобилисомы образуют упорядоченные ансамбли на поверхности тилакоидных мембран.

Каротиноиды и фикобилины, как и хлорофиллы b, ñ1, ñ2 è d, называют вспомогательными или сопутствующими пигментами. Это определяется их функциями.

Распространение основных фотосинтетических пигментов в природе приведено в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Распространение основных фотосинтетических пигментов в растениях

89

Если хлорофилл à встречается in vivo во всех видах растений, то b — у высших растений и двух семейств водорослей (зеленые и эвгленовые), а фикобилины только в водорослях трех семейств: красных, сине-зеленых и криптофитовых.

Спектры поглощения

Все пигменты поглощают свет избирательно. Так, если пропустить белый свет через раствор хлорофилла, а затем разложить с помощью призмы, то отдельные участки спектра окажутся сильно поглощенными и на их месте увидим черные полосы. Другие участки спектра станут проходить через раствор хлорофилла в ослабленном виде.

90

Мы получаем так называемый спектр поглощения хлорофилла. Какие длины волн будет поглощать пигмент, зависит от коли- чества и расположения двойных связей в его молекуле, от присутствия в ней ароматических колец и атомов металла. В случае хлорофилла наиболее полно поглощаются красные и сине-фиолето- вые лучи. Небольшая разница в строении молекулы хлорофиллов à è b обусловливает некоторую разницу в поглощении ими света. Хлорофилл à более полно поглощает свет с длиной волны 670, 680, 700 и 435 нм, а хлорофилл b — 650 è 480 íì.

С наименьшим поглощением проходят через раствор хлорофилла или лист зеленые лучи и часть красных. У хлорофилла b полоса поглощения в красной части спектра смещена в сторону коротковолновых лучей, а в сине-фиолетовой — в сторону длинноволновых.

Изучение спектров поглощения показало, что хлорофилл à в живом листе образует 8—10 форм, которые химически одинаковы, но отличаются по поглощению света. Как видно, такой результат обусловлен несколькими причинами. Во-первых, молекулы хлорофилла могут взаимодействовать между собой (агрегированная форма). Во-вторых, они взаимодействуют с компонентами мембран хлоропластов, в частности с белком. И, в третьих, это связано с динамическим состоянием молекул хлорофилла в тилакоидах. Хлорофилл беспрерывно разрушается под действием света (фотодеструкция). На смену разрушенным молекулам в мембраны тилакоидов встраиваются новые. Некоторые особенности окраски пигментов и спектры поглощения представлены в табл. 2.3.

91