Хлоропласты и фотосинтетические пигменты

Лист растения — орган, обеспечивающий условия для проте­кания фотосинтетического процесса. Функционально же фото­синтез приурочен к специализированным органеллам — хлоропластам. Хлоропласты высших растений имеют форму двояковы­пуклой линзы (диска), которая наиболее удобна для поглощения солнечных лучей. Их размеры, количество, расположение в клет­ке также полностью отвечают назначению: как можно эффектив­нее поглощать солнечную энергию, как можно полнее усваивать углерод. На различных сельскохозяйственных объектах установ­лено, что количество хлоропластов в клетке измеряется десятка­ми. Это обеспечивает высокое содержание этих органелл на еди­ницу поверхности листа. Так, на 1 мм² листа фасоли приходится 283 тыс. хлоропластов, у подсолнечника — 465 тыс. Диаметр хло­ропластов в среднем 0,5—2 мкм, длина 5—10 мкм, объем 30— 40 мкм3. Малый размер хлоропластов и большое количество их в одной клетке обусловливают громадную общую суммарную рабо­чую поверхность.

Хлоропласты способны к активным движениям — изменению ориентации тела и перемещению в пространстве. Скорость дви­жения хлоропластов около 0,12 мкм/с. Их передвижения вызы­ваются физическими и химическими факторами. Например, под влиянием яркого света хлоропласты поворачиваются узкой сто­роной диска к падающим лучам и перемещаются на боковые стенки клеток. Хлоропластам присуща также хемотаксическая чувствительность — они передвигаются в направлении более вы­сокой концентрации СО₂ в клетке.

 

Пигменты хлоропластов

Фотосинтез связан с избирательным поглощением пигмента­ми света в видимой части солнечного спектра. Фотосинтетичес­кие пигменты составляют 10—15 % сухой массы хлоропластов. Они характеризуются большим разнообразием и по химической природе делятся на две группы — хлорофиллы и каротиноиды.

 

 

Хлорофиллы

В настоящее время известно несколько различных форм хлорофилла, которые обозначают латинскими буквами. Хлоропласты высших растений содержат хлорофилл а и хлорофилл b. Они были идентифицированы русским ученым М.С. Цветом (1906) с помощью разработанного им метода хро­матографии. Структурная формула хлорофилла, предложенная Г. Фишером (1939), получила окончательное подтверждение в 1960 г. в результате двух независимо проведенных работ в США и ФРГ по искусственному синтезу хлорофилла а.

Хлорофилл — сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта‚ а другая – остатком непредельного спирта фитола:

 

 

На рисунке 8,  дана структурная формула хлорофилла а. Четыре пиррольных кольца (I—IV) соединены между собой ме­тановыми мостиками (α‚β‚ γ‚ ε), образуя порфириновое ядро. Атомы азота пиррольных колец четырьмя координационными связями взаимодействуют с атомом Mg. В структуре порфиринового ядра есть также циклопентановое кольцо, содержащее хи­мически активную карбонильную группу. Структура, состоящая из тетрапиррольного и циклопентанового колец, получила назва­ние форбина.

Порфириновое кольцо представляет собой систему из девяти пар чередующихся двойных и одинарных, т. е. конъюгированных, связей с 18 делокализованными π-электронами. Хлорофилл b отличается от хлорофилла а тем, что у третьего углерода второ­го пиррольного кольца вместо метильной находится альдегидная группа. Структура хлорофилла, лишенная фитола, называется хлорофиллидом. При замещении атома магния протонами водоро­да образуется феофитин.

Согласно закону Гротгуса — одному из фундаментальных законов светохимии фотохимически деятельны только поглощенные лучи. Поэтому изучение спектров поглоще­ния пигментов, и в первую очередь хлорофилла, является реша­ющим для понимания механизма фотосинтеза и разработки путей его регуляции. Не случайно этой ключевой проблеме по­священ классический труд К.А. Тимирязева «Об усвоении света растениями».

Отличительной особенностью всех пигментов является нали­чие в их составе системы слабо удерживаемых делокализованных электронов, возбуждаемых квантами видимой части солнечного спектра. Это лежит в основе их свойства — избирательного по­глощения света. Резко выраженные максимумы поглощения хлорофиллов находятся в сине-фиолетовой и красной частях спект­ра (рис. 9). Максимумы поглощения раствора хлорофилла а в этиловом спирте — 428—430 и 660—663 нм соответственно, хло­рофилла b — 452—455 и 642—644 нм. Хлорофиллы очень слабо поглощают оранжевые и желтые лучи и совсем не поглощают зеленые и инфракрасные. Поэтому раствор хлорофилла а имеет сине-зеленый цвет, хлорофилла b — желто-зеленый.

Поглощение в сине-фиолетовой части спектра обусловлено системой конъюгированных 9 пар одинарных и двойных связей порфиринового ядра молекулы хлорофилла с 18 делокализованными π-электронами, которые возбуждаются квантами с энергией 4,5 ^.10^-19 Дж, соответствующей этим лучам. Поглощение в крас­ной области спектра (энергия кванта 3 ^.10^-19 Дж) связано с гидри­рованием двойной связи у C₇—C₈ в IV пиррольном кольце (при восстановлении протохлорофиллида до хлорофиллида), присутст­вием магния в порфириновом ядре и наличием циклопентанового кольца (V). Эти же особенности структуры способствуют сниже­нию поглощения в желтой и зеленой частях спектра.

 

 

Рис. 8. Структурная формула хлорофилла

Рис. 9. Спектры поглощения пигментов хлоропластов

Даже небольшое изменение в строении молекул приводит к значительным различиям в по­ложении максимумов поглощения. Так, у хлорофилла b, отли­чающегося от хлорофилла а заменой метильной группы на альдегидную, максимумы поглощения света оказываются более сближенными за счет смещения сине-фиолетового в длинно­волновую, а красного — в коротковолновую области. Кроме того, хлорофилл b более полно использует сине-фиолетовый свет, чем хлорофилл а; в красных лучах преимущества имеет хлорофилл а. Замещение магния протонами при обработке хло­рофилла кислотой приводит к образованию феофитина, имею­щего ослабленный красный максимум поглощения света и буро-зеленый цвет. Удаление остатков фитола и метилового спирта путем щелочного гидролиза слабо сказывается на оп­тических свойствах хлорофилла.

Существенное влияние на положение максимумов спектра поглощения оказывают природа растворителя и взаимодействие молекул хлорофилла друг с другом, а также с другими пигмента­ми, белками и липидами в составе хлоропластов. У агрегирован­ных молекул хлорофилла, взаимодействующих с белками, крас­ный максимум поглощения сдвинут в более длинноволновую часть спектра. Степень связывания определяет точный максимум поглощения света.

Раствор хлорофилла обладает яркой вишнево-красной флуоре­сценцией — излучением поглощенных квантов света. В соответст­вии с правилом Стокса флуоресценция сдвинута в более длинно­волновую часть по сравнению с поглощением света, максимум флуоресценции 650—668 нм. Хлорофилл в живом листе флуорес­цирует слабо. Это связано с тем, что энергия поглощенных квантов в основном преобразуется в химическую, причем по степени флуоресценции листа можно судить об эффективности фотосинтеза. Чем интенсивнее флуоресценция, тем ниже КПД использования поглощенной энергии.

Механизмы избирательного поглощения света и флуоресцен­ции изучены достаточно хорошо. Поглощение кванта света со­провождается переходом в более богатое энергией короткоживущее возбужденное состояние, связанное с переходом электрона на более удаленную от ядра орбиталь. Электронные орбитали атомов характеризуются определенными энергетическими уровнями, возрастающими по мере удаления от ядра. Те кванты света, энергия которых соответству­ет разности энергий между двумя орбиталями, поглощаются с переходом электрона на более дальнюю орбиталь. Поэтому могут поглощаться только кванты света с совершенно определенной длиной волны. В отличие от атома возможные энергетические состояния молекул нельзя описать точно фиксированными энер­гетическими уровнями, они характеризуются широкими полоса­ми в спектрах поглощения (рис. 10).

 

Рис. 10. Энергетические состояния молекулы хлорофилла и различные пути ис­пользования энергии электронного возбуждения. (Цифры указывают время жизни каждого из состояний молекулы.)

В органических молекулах почти все электроны спарены, т. е. находятся в одном и том же энергетическом состоянии, обладая противоположными спинами (основное синглетное энергетичес­кое состояние — S₀). Поглощение молекулой хлорофилла кванта красного света с энергией 170 кДж/моль квантов приводит к пер­вому синглетному электронно-возбужденному состоянию — S₁  время существования которого примерно 10^-9 с. Возбужденная молекула хлорофилла переходит в стабильное состояние путем возвращения электрона на исходную орбиталь. Поглощенная энергия при этом может расходоваться различными способами: рассеиванием теплоты; потерей в виде излучения; возбуждением соседних молекул пигментов (перенос энергии к фотохимическим центрам); совершением фотохимической работы. Возможны также потеря части энергии в виде теплоты и переход молекулы из синглетного в метастабильное триплетное возбужденное состоя­ние (с обращением спина электрона). Триплетное состояние длится гораздо дольше (> 10^-4 с). Из триплетного состояния мо­лекула может вернуться в основное за счет более длительного, чем флуоресценция, слабого длинноволнового свечения — фосфоре­сценции или направив энергию на фотохимические реакции.

Поглощение кванта в сине-фиолетовой области спектра (со­держание энергии 300 кДж/моль квантов) приводит к возникно­вению исключительно краткого (< 10^-12 с) второго возбужден­ного синглетного состояния (S₂). За счет выделения части энер­гии в виде теплоты молекула переходит в S₁, и дальнейшие события соответствуют возбуждению красным светом. Поэтому поглощение света в синей и красной областях дает одинаковый спектр флуоресценции (красный), а также равные количества фотохимической работы, несмотря на неодинаковое содержание энергии у поглощенных квантов. Этим объясняется более высо­кая эффективность красных участков солнечного спектра, о ко­торой писал еще К.А. Тимирязев. Он предположил, что хлорофилл способен к окислительно-восстановительному превращению. Впервые реакция фотовосста­новления хлорофилла была осуществлена в 1948 г. А.А. Красновским в модельных опытах. В качестве донора электронов использована аскорбиновая кислота.

Таким образом, молекула хлорофилла благодаря структурным изменениям и физико-химическим особенностям способна вы­полнять три важнейшие функции: избирательно поглощать энер­гию света; трансформировать ее в энергию электронного возбуж­дения (или запасать ее в виде энергии электронного возбужде­ния); фотохимически преобразовать энергию возбужденного состояния в химическую энергию. Для функционирования моле­кулы хлорофилла существенное значение имеет ее пространст­венная организация. Магний-порфириновое кольцо молекулы представляет собой почти плоскую пластинку толщиной 0,42 нм и площадью 1 нм². Это гидрофильная фотоактивная часть моле­кулы хлорофилла. Длинный (2 нм) алифатический остаток фитола, образующий угол с порфириновым кольцом, — ее гидрофоб­ный полюс, необходимый для взаимодействия молекулы хлоро­филла с гидрофобными участками мембранных белков и липидов.

 

Каротиноиды

Каротиноиды — жирорастворимые пигменты желтого, оран­жевого и красного цветов. Они входят в состав хлоропластов и хромопластов незеленых частей растений (цветков, плодов, кор­неплодов). В зеленых листьях их окраска маскируется хлорофил­лом. С его более ранним разрушением осенью или при неблаго­приятных условиях связано пожелтение листьев.

Каротиноиды являются тетратерпеноидами (8 остатков изопрена, С₄₀). Каротиноиды могут быть ацик­лическими (алифатическими), моно- и бициклическими. Циклы на концах молекул каротиноидов — производные ионона. Каро­тины представляют собой углеводороды с формулой С₄₀Н₅₆. В хлоропластах высших растений содержатся α и β-каротины. β-каротин (рис. 11) имеет два β -иононовых кольца (двойная связь между С₅ и С₆). При гидролизе β -каротина по центральной двой­ной связи образуются две молекулы витамина А (ретинола), α -ка­ротин отличается от β -каротина тем, что у него одно кольцо β-иононовое, а второе ε-иононовое (двойная связь между С₄ и С₅).

 Ксантофиллы являются кислородсодержащими производными каротина. Ксантофилл лютеин — производное α-каротина, а зеаксантин — β-каротина. Они имеют по одной гидроксильной группе в каждом иононовом кольце — (С₄₀Н₅₆О₂). Дополнитель­ное включение в молекулу зеаксантина двух атомов кислорода по двойным связям С₅—С₆ (эпоксидные группы) приводит к обра­зованию виолаксантина (С₄₀Н₅₆О₄), при включении эпоксидных групп в лютеин образуется неоксантин. Синтез каротиноидов не требу­ет света. Спектры поглощения каротиноидов характеризуются двумя полосами в фиолетово-синей и синей частях спектра от 400 до 500 нм и определяются системой конъюгированных свя­зей. При увеличении числа таких связей максимумы поглощения смещаются в длинноволновую область спектра. Подобно хлорофиллам, каротиноиды нековалентно связаны с белками и липо­идами мембран и тилакоидов.

Каротиноиды являются обязательными компонентами пигментных систем. Они выпол­няют роль дополнительных пигментов, которые передают энер­гию поглощенных квантов хлорофиллу а 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.

 

 

Рис. 11. Структурные формулы каротиноидов и последовательность их превра­щений

 

Имеются доказательства, что каротиноиды выполняют защит­ную функцию, предохраняя хлорофилл от фотоокисления. Еще в 1913 г. Д.И. Ивановский установил, что в пробирках, выстав­ленных на прямой солнечный свет, степень разрушения хлоро­филла зависела от концентрации каротиноидов в растворе.

У дефектных по каротиноидам мутантов кукурузы и подсол­нечника, а также при экспериментально нарушенном образова­нии каротиноидов наблюдается быстрое фотоокисление хлоро­филла.

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

При освещении в зеленых листьях происходит превращение диэпоксидксантофилла виолаксантина в безэпоксидный ксанто­филл зеаксантин. В независимой от света реакции благодаря включению кислорода происходит обратное превращение зеак­сантина в виолаксантин. Возможно, этот цикл служит для удале­ния излишков кислорода, образующихся при фотолизе воды.

В верхушках побегов растений каротиноиды обеспечивают оп­ределение направления света и их ориентацию к световому пото­ку за счет фототропизма.

 

Световая фаза фотосинтеза

Сущность световой фазы фотосинтеза состоит в поглощении лучистой энергии и ее трансформации в ассимиляционную силу (АТФ и НАДФ ^. Н), необходимую для восстановления углерода в темновых реакциях. Сложность процессов преобразования свето­вой энергии в химическую требует их строгой мембранной орга­низации. Световая фаза фотосинтеза происходит в гранах хлоро­пласта.

В состав фотохимически активных мембран хлоропластов вхо­дят пять согласованно функционирующих многокомпонентных белковых комплексов: светособирающий комплекс, фотосистемы I и II, цитохромный комплекс (цитохромы b₆ и f), участвующий в транспорте электронов, и АТФ-азный комплекс, обеспечиваю­щий синтез АТФ.