9.1.2. Световая фаза фотосинтеза

Пигменты фотосинтеза. В поглощении света принимают участие специальные фотосенсорные структуры фотосинтезирующих клеток, важнейшими компонентами которых являются химические соединения, относящиеся к классу пигментов. Они представлены тремя группами веществ - хлорофиллами, каротиноидами и фикобилинами.

Хлорофиллы имеют структурное сходство с гемами. Основу строения их молекулы, как и в гемах, составляет порфириновое ядро, включающее четыре пиррольных кольца, соединенных метеновыми группировками. Атомы азота пиррольных колец образуют четыре координационные связи с атомом магния, занимающим центральное положение в молекуле хлорофилла. Кроме того, к пиррольному кольцу III порфиринового ядра хлорофилла присоединена кольцевая структура V, содержащая карбонильную

(=С=О) и метилированную карбоксильную (–С–О–СН₃) группы. С атомами

‖

О

углерода пиррольных колец, не участвующими в образовании порфиринового ядра, связаны определённые боковые радикалы, которые различаются у разных форм хлорофилла, обозначаемых латинскими буквами – a, b, с, d. При обработке хлорофиллов слабой кислотой происходит замещение в их молекулах катионов Mg²⁺ на катионы Н⁺, в результате чего образуются соответствующие производные, называемые феофетинами. У большинства хлорофиллов к карбоксильной группе, соединённой с пиррольным кольцом IV, сложноэфирной связью присоединяется остаток спирта фитола, имеющего следующее строение:

Н(СН₂–СН–СН₂–СН₂)₃–СН₂–С=СН–СН₂ОН

| |

СН₃ СН₃

При удалении путём гидролиза сложноэфирной связи остатка фитола из молекулы хлорофилла образуется производное, называемое хлорофиллидом, а при одновременном гидролизе связи, соединяющей окисиметильную группу с карбоксилом циклической структуры V, возникают производные - хлорофиллины.

Хлорофилл а содержится в фотосинтезирующих клетках растений, водорослей и цианобактерий. У Хлорофилла b в отличие от хлорофилла а во втором пиррольном кольце метильная группа замещена на формильную

группу (–С=О). Эта форма хлорофилла представлена у высших растений,

‌

Н

зеленых и эвгленовых водорослей.

Бурые и диатомовые водоросли вместо хлорофилла b содержат хлорофилл с, а многие красные водоросли – хлорофилл d, который отличается от хлорофилла а тем, что у него виниловая группировка в пиррольном кольце I замещена на формильную. В клетках фотосинтезирующих бактерий содержатся бактериохлорофиллы.

Хлорофилл а Одна из форм хлорофилла с

Молекулы хлорофилла имеют систему сопряжённых двойных связей, включающую 18 подвижных р-электронов, что позволяет им легко осуществлять переход в возбуждённое состояние при поглощении квантов света. Под воздействием кванта красного света один из электронов в молекуле хлорофилла перемещается на более высокоэнергетическую орбиталь, вследствие чего молекула хлорофилла переходит в синглетное возбужденное состояние, которое характеризуется тем, что направление спина у возбуждённого электрона не изменяется. В возбужденном синглетном состоянии молекула хлорофилла находится 10^-12–10^-9 секунды, затем она возвращается в основное синглетное состояние, отдав энергию возбуждения в ви-де тепла, флуоресценции или передавая её другим молекулам хлорофилла.

При поглощении кванта синего света, обладающего большей энергией по сравнению с красным светом (1 моль квантов синего света - 260, красного - 176 кДж), один из электронов в молекуле хлорофилла переходит на ещё более высокоэнергетическую орбиталь, переводя молекулу во второе возбужденное синглетное состояние, в котором она находится 10^-13 секунды и затем, отдав часть энергии в виде тепла, переходит в первое возбуждённое синглетное состояние, а далее указанным выше путём возвращается в основное синглетное состояние.

Из возбуждённого синглетного состояния молекула хлорофилла, потеряв часть энергии возбуждения в виде тепла, может переходить в триплетное состояние, которое сопровождается обращением спина возбуждённого электрона. Из триплетного состояния молекула хлорофилла далее возвращается в основное синглетное состояние, излучая энергию возбуждения в виде фосфоресценции или отдавая её другим молекулам хлорофилла.

У растений хлорофилл содержится в мембранах хлоропластов, называемых ламеллами. Во многих участках хлоропласта ламеллы образуют уплотнения в виде стопки дисков, которые называют гранами (рис. 30). 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 представляет собой плоскостную структуру, обладающую гидрофильными свойствами, а остаток фитола – гидрофобная часть, способная взаимодействовать с мембранными липидами. За счёт гидрофильного участка молекулы хлорофилла образуют комплексы с белками в составе тилакоидов.

Как указывалось ранее, в хлоропластах растений содержатся две формы хлорофилла – хлорофилл а и хлорофилл b, которые имеют максимумы поглощения в красной и синей областях спектра (рис. 31). Хлорофилл а при растворении в диэтиловом эфире дает сине-зелёное окрашивание и имеет максимумы поглощения при длинах волн 662 нм и 429 нм, хлорофилл b – жёлто-зелёную окраску и максимумы поглощения – при 643 нм и 453 нм.

Однако в клетках листа молекулы хлорофилла образуют агрегированные комплексы с белками, липидами и другими молекулами пигментов, поэтому их максимумы поглощения смещаются от тех значений, которые определены для чистых растворов хлорофилла. Так, например, в ходе исследований выявлены разные формы хлорофилла а с максимумами поглощения в красной части спектра в интервале длин волн 660-700 нм. Присутствие разных форм хлорофилла в структуре хлоропластных мембран расширяет диапазон длин волн, при которых происходит поглощение солнечного света растениями.

Молекула хлорофилла b в возбужденном состоянии способна передавать энергию возбуждения по принципу индуктивного резонанса другой молекуле хлорофилла без инициирования излучения в виде флуоресценции. Это оказывается возможным, если взаимодействующие молекулы находятся на близком расстоянии ( 10 нм) и спектр флуоресценции молекулы-донора перекрывается со спектром поглощения молекулы-акцептора. Вокруг возбуждённой молекулы, поглотившей квант света, возникает переменное электрическое поле, которое воздействует на соседнюю молекулу, индуцируя её переход в возбужденное синглетное состояние, при этом исходная молекула-донор переходит в основное синглетное состояние.

Получившая возбуждение новая молекула хлорофилла по указанному выше механизму передает энергию возбуждения следующей молекуле, у которой спектр поглощения перекрывается со спектром флуоресценции возбуждённой молекулы. Учитывая, что спектры флуоресценции молекул смещены от спектров поглощения в длинноволновую сторону (согласно правилу Стокса), перенос энергии возбуждения осуществляется от молекул с более коротковолновыми максимумами поглощения, имеющих больший запас энергии в возбуждённом синглетном состоянии, к молекулам, которые поглощают свет в длинноволновом диапазоне и имеют меньший запаса энергии в возбуждённом синглетном состоянии. Скорость резонансного переноса энергии между молекулами хлорофилла соизмерима со временем нахождения молекулы в возбуждённом синглетном состоянии, а эффективность переноса энергии возбуждения приближается к 100 %.

Молекулы хлорофилла а, имеющие максимумы поглощения в наиболее длинноволновой части спектра, не способны передавать энергию по принципу индуктивного резонанса другим молекулам хлорофилла, однако они образуют в комплексе со специфическими белками так называемые реакционные центры, в которых осуществляется перенос электрона от возбуждённой молекулы хлорофилла на соответствующий акцептор. Различают два типа реакционных центров, в составе одного из них содержится длинноволновая форма хлорофилла а, обозначаемая индексом Р₇₀₀, а в другом – длинноволновая форма хлорофилла а, обозначаемая индексом Р₆₈₀. В названиях индексов числа 700 и 680 указывают длину волны максимумов поглощения данных пигментов в красной части спектра. На каждую молекулу пигментов Р₇₀₀ и Р₆₈₀, входящих в состав реакционных центров, в структуре хлоропластных мембран имеются по 120–240 других молекул хлорофилла, способных поглощать кванты света и переводить энергию возбуждения на реакционный центр.

Молекулы хлорофилла b с максимумом поглощения при 650 нм так же, как и хлорофилл а, при поглощении квантов света переходят в возбуждённое синглетное состояние и передают энергию возбуждения на хлорофилл а. В составе молекул хлорофилла, передающих энергию возбуждения на реакционные центры, число молекул хлорофилла b обычно составляет 42-45 %.

Наряду с хлорофиллами активную роль в процессе фотосинтеза играют каротиноиды, которые представлены в фотосинтезирующих организмах двумя группами – каротинами и ксантофиллами. Каротины (С₄₀Н₅₆) - пигменты оранжевого или красного цвета, хорошо растворяются в эфире, но почти не растворимы в спиртах. Важнейшим представителем этой группы является -каротин, который в значительном количестве содержится в пластидах высших растений и водорослей, однако он не заметен вследствие зелёного цвета хлорофилла. Однако в осенний период, когда хлорофилл подвергается интенсивному распаду, именно каротины и ксантофиллы окрашивают листья растений в жёлто-оранжевый цвет.

Молекула -каротина построена из восьми остатков изопрена, образующих систему сопряжённых двойных связей. Причем остатки изопрена на концах молекулы подвергаются циклизации, образуя две циклические структуры -ионона (стр…). В небольшом количестве в растениях содержится также -каротин, который отличается от -каротина тем, что в одной из концевых циклических структур двойная связь смещена на один углеродный атом к началу цепи, вследствие чего на одно звено укорачивается система сопряжённых двойных связей. В мембранных структурах зелёных серных бактерий содержится -каротин, у которого изопреновые остатки на одном из концов молекулы не подвергаются циклизации.

Ксантофиллы (С₄₀Н₅₆О₂, С₄₀Н₅₆О₄) – жёлтые пигменты, являющиеся кислородными производными каротинов. Они хорошо растворяются в спиртах и значительно хуже в эфире. Из ксантофиллов в растениях наиболее распространены лютеин, зеаксантин и виолаксантин.

В результате окисления -каротина образуется важнейший представитель ксантофиллов лютеин, у которого к каждому иононовому кольцу присоединяется по одной гидроксильной группе.

лютеин

При окислении -каротина синтезируется зеаксантин, имеющий так же, как и лютеин, в составе каждого иононового кольца по одной гидроксильной группе.

зеаксантин

В результате присоединения атомов кислорода к двойным связям в составе концевых циклических структур происходит превращение зеаксантина в виолаксантин.

виолаксантин

У эвгленовых водорослей из ксантофиллов преобладает антераксантин, у бурых и диатомовых водорослей – фукоксантин и зеаксантин, у пурпурных серных бактерий – спириллоксантин. Всего в группе каротиноидных пигментов насчитывается около 400 разновидностей, которые выполняют в организмах целый ряд важных функций.

Каротиноиды поглощают кванты света в синей и сине-фиолетовой частях спектра в интервале длин волн 400-500 нм, то есть в той области спектра, в которой слабо поглощают молекулы хлорофиллов. Однако при поглощении квантов света только каротины способны передавать энергию возбуждения молекулам хлорофилла а, от которых она далее переносится на реакционные центры. Как и хлорофиллы, молекулы каротинов могут образовывать агрегированные комплексы с белками и липидами хлоропластных мембран. Таким образом, каротины в комплексе с хлорофиллами выполняют важную функцию поглощения солнечной энергии и передачи её посредством механизма индуктивного резонанса на реакционные центры.

Кроме того, каротиноиды выполняют еще одну функцию в процессе фотосинтеза. Они защищают от фотоокисления молекулы хлорофилла образующимся в ходе фотосинтеза кислородом. Показано, что каротиноиды взаимодействуют с хлорофиллом, находящимся в триплетном возбуждённом состоянии, при этом молекула хлорофилла переходит в основное синглетное состояние, а каротиноид – в возбуждённое триплетное состояние. После этого молекула каротиноида, выделив теплоту, возвращается в исходное синглетное состояние. Одновременно молекулы каротиноидов способны реагировать с кислородом, находящимся в возбуждённом синглетном состоянии, и ускорять его перевод в основное синглетное состояние. При этом молекулы каротиноидов вначале переходят в возбуждённое триплетное состояние, а затем, выделив теплоту, возвращаются в исходное синглетное состояние.

В клетках некоторых водорослей кроме хлорофилла и каротиноидов содержатся пигменты фикобилины. Как и в молекулах хлорофиллов, фикобилины включают четыре пиррольные группировки, но соединённые в открытую цепь. В своем составе они не содержат магния и остатка фитола. У красных водорослей преобладает разновидность фикобилинов - фикоэритробилин, у синезелёных –фикоцианобилин. Фикоэритробилин отличается от фикоцианобилина строением правой концевой группировки.

фикоцианобилин в фикоэритробилине

Фикобилины прочно соединяются ковалентными связями со специфическими белками, образуя фикобилипротеиды, которые имеют максимумы поглощения от 500 до 650 нм. Фикобилипротеиды, включающие пигмент фикоэритробилин, получили название фикоэритринов, а белки, содержащие фикоцианобилин, – фикоцианинов. Фикобилипротеиды в клетках водорослей находятся в особых гранулах – фикобилисомах, расположенных на наружной поверхности фотосинтетических мембран.