Пигменты фотосинтеза

Фоторецепторная система фотосинтеза строится на основе двух важнейших типов химических соединений: 1) тетрапирролов, образующих циклическую структуру хлорофиллов (магнийпорфиринов), а также открытую структуру пиг­ментов фикобилинов (присутствуют у водорослей); 2) полиизопреноидов, образующих большой и разно­образный класс пигментов каротиноидов.

В каждой из этих групп пигментов путем модификации основной структуры образуется несколько химически различных структур, имеющих максимумы поглощения в разных частях видимой области электромагнитного спектра. Из­вестно 10 различных структурных форм хлорофиллов (хлорофиллы a, b, c, d, e, бактериохлорофиллы a, b, c, d и протохлорофилл), несколько форм фикобили­нов, более 100 различных модификаций каротиноидов. Кроме того, одна и та же химическая структура в живом листе в комплексе с белками и липидами образует целую серию так называемых «нативных» форм. В итоге формируется мощная фоторецепторная система с боль­шим набором различных спектральных форм. Это определяет поглощение боль­шей части видимой области спектра (от 400 до 800 нм) - так называемую фотосинтетически активную радиацию (ФАР) с энергией квантов от 1 до 3 эВ, и высокую эффективность миграции энергии в пигмент-белковых комплексах хлоропластов.

Хлорофилл - сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта (СН₃ОН), а другая - остатком одноатомного непредельного спирта фитола (С₂₀Н₃₉ОН). Из большого числа разнообразных пигментов только две структуры - хло­рофилл а и бактериохлорофилл а - способны осуществлять преобразование энергии, все остальные пигменты участвуют в процессах поглощения и мигра­ции энергии. Анализ химического строения молекулы хлорофилла а показывает, что данная структура прекрасно приспособлена для выполнения трех основных функций в фотосинтезе - поглощения, запасания и преобразования энергии.

В молекуле хлорофилла четыре пиррольных кольца (I-IV) соединены между собой метиновыми мостиками (α, β, γ, δ), образуя порфириновое ядро (рисунок). 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. Структура хлорофилла, лишенная фитола, называется хлорофиллидом. При замещении атома магния двумя атомами водоро­да образуется феофитин.

 

Пиррольное кольцо, состоя­щее из 4 атомов углерода и атома азота, является хромофором, способным поглощать энергию инфракрасной области спектра. Замыкание пиррольных колец в тетрапиррольную структуру порфина, химически более устойчивую, имело решающее значение в эволюции хлорофиллов как первичных фоторе­цепторов. Благодаря формированию циклической системы и эффекту сопря­жения появляются интенсивные полосы поглощения в видимой области спек­тра с более высокой энергией квантов. Образующиеся в процессе эволюции порфирины представляют собой сложную систему с общим π-электронным облаком, объединяющим 4 пиррольных кольца в единый цикл.

Порфириновый макроцикл обладает всеми свойствами, необходимыми для выполнения важнейших функций в фотосинтезе:

· имеет определенный спектр поглощения в зеленой области (порфирины красного цвета);

· проявляет активную красную флуоресценцию, что свидетельствует о фотохимической активности порфиринов;

· является хелатообразователем, способным включать Мg, что позволяет осуществлять реакции, идущие с запасанием энергии;

· обладает способностью к обратимым окислительно-восстановительным превращениям - фотовосстановлению (может служить акцептором электро­на, т.е. осуществлять фотоокисление органических веществ в отсутствие О₂) и фотоокислению (электрон-донорная функция при включении Мg).

В процессе эволюции пигментов изменялись свойства их полярности. Фор­мируются порфирины, различающиеся по числу СООН-групп, появляется также гидрофобный радикал фитол. Возникновение менее поляр­ных, более гидрофобных порфиринов обеспечило возможность включения их в мембранные структуры и образования пигмент-белковых комплексов с более длинноволновыми максимумами поглощения, а также определенную ориен­тацию пигментов, что необходимо для активных процессов поглощения и миграции энергии. Дальнейшая эволюция пигментов шла по пути все большего усложнения их структуры.

Все известные хлорофиллы отличаются друг от друга составом боковых группы, цент­ральная часть молекулы остается неизменной. К числу основных элементов структуры относятся: 1) циклическая 18-членная система сопряженных связей, 2) центральный атом магния, 3) циклопентанное кольцо, 4) фитол. Исследования последних лет позволяют раскрыть функциональное значение отдельных элементов структуры.

Конъюгированная система сопряженных связей у всех хлорофиллов представ­ляет собой основную хромофорную группу, ответственную за избирательное поглощение световой энергии. Циклическая система сопряженных двойных связей, образующая делокализованную π-орбиту, имеет ряд дополнительных сопряжений: винильную группу в I кольце, полуизолированную связь во II кольце, С=О группу в V кольце. В результате возникает сложноразветвленная конъюгированная си­стема, которая обеспечивает высокую погло­щающую способность Мg-порфиринов. Спектры поглощения магнийпорфиринов имеют два хорошо выраженных максимума поглощения в сине-фиолетовой (полоса Соре) и красной областях спектра (рисунок). У хлорофилла b оба максимума расположе­ны между максимумами поглощения хло­рофилла а, что увеличивает области погло­щаемой энергии хлоропластами высших растений.

Центральный атом магния определяет важнейшие физические и химические свойства молекулы магнийпорфирина. Включение магния в тетрапиррольную структуру значительно изменяет спектральные свойства хлорофилла. Влияние магния осуществляется через атомы азота пиррольных колец - двух третичных (-N=) и двух иминных (=NH). В щелочной среде два протона от иминных атомов азота замещаются на магний, образующий с двумя атомами иминного азота электровалентные связи. Два третичных атома азота стабилизируют это соединение за счет неподеленных пар электронов посредством координа­ционной связи. При образовании комплексного соединения порфиринов с металлом электронная плотность по всем пиррольным кольцам выравнивает­ся и они становятся эквивалентными. В результате этого изменяется симмет­рия молекулы, что сопровождается изменением ее спектральных характери­стик.

Центральный атом магния определяет уникальные функции молекулы хло­рофилла в фотосинтезе, связанные с поглощением, запасанием и преобразо­ванием энергии. Д. Мозеролл (1974) считает, что использование магния пер­вичными фототрофными организмами для построения фоторецепторных си­стем обусловлено определенными физико-химическими свойствами этого эле­мента. Магний отличается наиболее низкой величиной электроотрицательно­сти (по Л. Полингу, Мg = 1,3; Zn = 1,6; Cu = 1,9), а магнийхелат порфирина имеет наиболее низкое значение редокс-потенциала, т е. отличается наимень­шей способностью удерживать электроны. При включении магния в тетрапир­рольную структуру снижается также величина потенциала ионизации. Поэтому магнийпроизводные порфирина являются сильными восстанавливающими аген­тами и в возбужденном состоянии способны восстанавливать соединения с высоким восстановительным потенциалом (-0,9 В).

Магний определяет ряд химических свойств хлорофилла. Обладая коорди­национным числом 6, магний способен образовать дополнительно две коор­динационные связи с атомами кислорода и азота. Благодаря этому магний уча­ствует в образовании ассоциатов молекулы хлорофилла с другими молекулами пигментов (при образовании димеров в реакционных центрах), с белками, липидами, фосфолипидами и другими компонентами хлоропласта. Образова­ние ассоциатов обусловливает сильное смещение абсорбционного максимума в длинноволновую область. В результате этого (по данным К. Френча, 1972 и Ф.Ф. Литвина, 1973) образуется серия так называемых «нативных» спектраль­ных форм хлорофилла, выполняющих различные функции. Более коротковол­новые формы (661, 670, 678 нм) участвуют главным образом в процессах по­глощения энергии, более длинноволновые формы (683 нм) - в процессах ее миграции, а пигменты реакционных центров (П₆₈₀, П₇₀₀) - в процессах пре­образования энергии.

Дополнительное циклопентанное кольцо. Значение V кольца хлорофилла опре­деляется наличием в нем двух полярных групп - кетогруппы С₉=O при 9-м атоме углерода и кетоэфирной группы при С₁₀. Кетогруппа при С₉ участвует в образовании водородной связи хлорофилла и молекулы воды. Через атом кислорода вода может образовать координационную связь с магнием одной молекулы хлорофилла и одновременно водородную связь с группой С = О дру­гой молекулы. В результате образуются структуры Mg^…O(Н)—Н^…O=С. В дан­ном случае воде принадлежит очень важная роль в образовании высокоорга­низованных структур антенных комплексов. Неподеленные электроны атома кислорода C₉=O группы V кольца мо­гут участвовать в поглощении световой энер­гии и возбуждаться с переходом на π-орбиту, обусловливая так называемые n→π*- переходы.

Большое значение в образовании светпоглощающих структур хлоропластов принадле­жит кетоэфирной группе V кольца. В отличие от группы С₉=О, которая образует допол­нительное сопряжение с π-электронной си­стемой макроцикла, кетоэфирная группа при С₁₀ не конъюгирует с циклической π-элект-ронной системой, вследствие чего образует более прочную связь с молекулой воды. Кроме того, кетоэфирная группа находится в транс- положении по отно­шению к плоскости порфинного кольца. Это позволило предположить участие кетоэфирной группы в образовании димеров П₇₀₀ и П₆₈₀ в реакционных цент­рах фотосистем.

Фитол представляет собой полиизопреноидную цепь, состоящую из 20 уг­леродных атомов (спирт фитол – С₂₀Н₃₉ОН), и является гидрофобным ради­калом молекулы хлорофилла. Фитольная цепь не находится в электронном со­пряжении с макроциклом и поэтому практически не влияет на электронную структуру хлорофилла в возбужденных состояниях S₁ и S₂. В нативной системе взаимодействие фитола с гидрофобными белками позволяет регулировать по­ложение макроцикла по отношению к свету и, таким образом, изменять ак­тивность светопоглощения молекулой хлорофилла.

Оптические свойства. Резко выраженные максимумы поглощения хлорофиллов находятся в сине-фиолетовой и красной частях спект­ра. 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.

Необходимо отметить, что 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.

Раствор хлорофилла обладает яркой вишнево-красной флуоре­сценцией - излучением поглощенных квантов света. 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.

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.

По химической природе каротиноиды представляют собой полиизопреноидную цепь, состоящую из 40 атомов углерода, которая у большинства кароти­ноидов замыкается по концам в два иононовых кольца. Центральная часть мо­лекулы, состоящая из 18 атомов углерода, представляет собой систему сопря­женных связей, образуя основную хромофорную группу молекулы пигмента. В зависимости от содержания кислорода в молекуле каротиноида различают каротины (например, β-каротин), не содержащие кислорода, и ксантофиллы- содержащие кислород в форме гидроксигруппы или эпокси-группы. У высших растений главными представителями ксантофиллов являются лютеин, виолаксантин, зеаксантин и неоксантин.

Каротиноиды присутствуют в мембранах у всех фотосинтезирующих организ­мов, где они выполняют ряд важнейших функций в процессе фотосинтеза - антенную (дополнительные пигменты в процессе поглощения солнечной энер­гии), защитную (тушители триплетного хлорофилла и синглетного кислорода) и фотопротекторную (предохраняют реакционный центр от мощных потоков энергии при высоких интенсивностях света и стабилизируют липидную фазу тилакоидных мембран, защищая ее от переокисления).

Антенная функция предполагает энергетическое взаимодействие каротиноидов и хлорофиллов. Антенная функция имеет место в ССК и обусловлена синглетно-возбужденным состоянием каротиноидов. Таким образом, главная функция каротино­идов в ССК - поглощение энергии и перенос ее на хлорофилл. Для этой цели в эволюции были отобраны «все-транс» каротиноиды. Каротиноиды характеризуются определенным спектром поглощения в сине-зеленой области (400-550 нм). Хромофорная группа различных ка­ротиноидов может включать от 9 до 13 двойных связей, что определяет поло­жение максимумов, энергию возбуждения и общий вид спектра поглощения. У большинства каротиноидов спектр поглощения имеет главный максимум и два более или менее выраженных «плеча».

Каротиноиды в антенном комплексе и реакционном центре выполняют уникальную «защитную» функцию, которая осуществляется с участием Т₁-со­стояний и связана с тушением возбужденных триплетных состояний хлоро­филла и синглетного кислорода (¹О₂). Механизм фотоповреждения фотосинте­тического аппарата в случае оксигенного фотосинтеза обусловлен фотоде­структивным действием активных форм кислорода, главным образом синглет­ного кислорода ¹О₂, образующегося при взаимодействии основной формы кислорода в атмосфере ³О₂ с триплетно-возбужденным пигментом-сенсиби­лизатором (хлорофилл, бактериохлорофилл и др.).

Образующийся синглетный кислород является сильным окислителем и вызывает фотоокисление окружающих структур. Особенно активно эти про­цессы протекают в реакционных центрах, где образование триплетного хлоро­филла (³Xл) происходит в результате возможного возврата богатого энергией электрона от первичного акцептора к пигментам реакционного центра П₆₈₀ или П₇₀₀. Каротиноиды, содержащие 9 и более двойных связей, могут эффек­тивно тушить триплетное состояние хлорофилла и образовавшийся синглет­ный кислород. Механизм защитного действия β-каротина в реакционном цент­ре включает перенос энергии от ³Xл или ¹О₂ к β-каротину и диссипацию энер­гии образующегося триплетного каротина через процесс нерадиационной ре­лаксации в тепло с переходом β-каротина в состояние S₀. Каротиноиды спо­собны также путем переноса электрона модифицировать структуру радикаль­ных соединений и тушить свободные радикалы, возникающие при освещении.

Фотопротекторная функция каротиноидов состоит в защите фотосинтетического аппарата от излишка энергии возбуждения при высокой интенсивно­сти света. Эта функция связана с каротиноидами, образующими так называе­мый «ксантофилловый цикл».

У высших растений и зеленых водорослей ксантофилловый цикл включает энзиматическое превращение виолаксантина в зеаксантин через интермедиат антераксантин. Процесс катализируется ферментом деэпоксидазой, требует участия аскорбата и кислой среды (оптимум действия фермента при рН 5,0). Такие условия рН создаются в люмене при освещении хлоропластов. В темноте протекает обратная реакция превращения зеаксантина в виолаксантин, которая катализируется эпоксидазой. Реакция эпоксидации осуществля­ется на внешней стороне мембраны при участии НАДФН и требует присут­ствия кислорода. Один из атомов молекулы кислорода включается в зеаксан­тин, другой атом в присутствии НАДФН образует Н₂О. Повторная реакция со второй молекулой O₂ приводит к образованию виолаксантина. Главная функ­ция в защите фотосинтетического аппарата от повреждений высокой интен­сивностью света принадлежит зеаксантину.

В последние годы установлено, что каротиноиды хлоропластов могут вы­полнять важную структурную роль. При действии света высокой интенсивно­сти ксантофиллы распределяются между ССК и липидной фазой мембран. Мо­лекула зеаксантина ориентируется в липидном слое перпендикулярно к поверх­ности мембраны. Присутствие двух полярных гидроксильных групп на кольцах молекулы позволяет зеаксантину закрепляться на обеих сторонах мембраны, соединяя два липидных слоя. Благодаря этому при взаимодействии зеаксанти­на с липидами снижается свойство высокой текучести, характерное для тила-коидных мембран, и увеличивается вязкость мембран, что уменьшает их чув­ствительность к переокислению активными формами кислорода. Повышение вязкости мембраны и уменьшение ее проницаемости по отношению к мо­лекулярному кислороду при участии ксантофиллов и некоторых терпеноидов (α-токоферол) стабилизирует и защищает липидную фазу тилакоидных мемб­ран от фотодеструкции.

Структурные изменения молекул хлорофилла в процессе эволюции и, прежде всего, включение гидрофобных радикалов и обусловленное этим изменение свойств полярности обеспечило возможность включения пиг­ментов в мембранные белки хлоропластов с образованием разного типа пиг­мент-белковых комплексов. Механизм образования пигмент-белковых комплексов включает электро­статическое взаимодействие аминокислотных групп белка с С=O-группой мо­лекулы хлорофилла, координационные взаимодействия с центральным ато­мом магния и гидрофобные взаимодействия с фитолом. В результате в тилакоидных мембранах хлоропластов формируются пигмент-белковые комплексы, включающие фоторецепторные системы, что имеет решающее значение для осуществления основных (перечисленных ниже) функций пигментов в фото­синтезе.

· Организация пигментов фотосинтетического аппарата в виде светособи-рающих (антенных) комплексов, функционально сопряженных с реакцион­ным центром, обеспечивает коллективное и эффективное поглощение энергии фотонов и передачу ее в реакционные центры, где энергия электронного возбуждения используется для фотохимических реакций.

· Связь пигментов с белком определяет межмолекулярное расстояние меж­ду ними (1,15 нм) и взаимную ориентацию молекул пигментов в светособирающих (антенных) комплексах, что необходимо для эффективной миграции энергии в реакционные центры.

· Стабильные условия микроокружения пигментов в белковой глобуле обес­печивают создание устойчивых спектральных форм в ССК, в результате чего формируется широкий, сильно перекрывающийся спектр поглощения, необ­ходимый для эффективного экситонного взаимодействия пигментов и направ­ленной миграции энергии.

· Образование связи пигментов с белками создает возможность участия бел­ков в транспорте электронов в первичных процессах фотосинтеза.

· Образование пигмент-белковых комплексов создает возможность регуля­ции фотопоглощающей активности пигментов путем изменений конформации белков (в зависимости от рН, ионной силы, фосфорилирования белка) и изме­нения ориентации пигментов по отношению к направлению светового луча.

Зависимость образования пигментов от внутреннего состояния растений и внешних условий. Первые признаки зеленения выращенных в темноте этиолированных растений наблюдаются через 2-4 ч после начала осве­щения. Оптимальным для синтеза хлорофилла является освеще­ние 200 Вт/м². При сильном повышении интенсивности света биосинтез хлорофилла начинает замедляться. Поэтому световые листья имеют меньшую концентрацию хлорофилла, чем темновые (эффект Шталя).

В опытах В.Н. Любименко показан нижний предел освещен­ности для образования хлорофилла. У проростков ячменя и овса таким пределом было освещение лампой накаливания мощнос­тью 10 Вт. При исследованиях было выявлено, что образование хлорофилла идет интенсивнее на прерывистом свете.

Образование хлорофилла зависит от температуры. Оптималь­ной температурой для накопления хлорофилла является 20- 25 °С, причем особое значение температура имеет для темновых реакций синтеза предшественников хлорофилла. Поэтому расте­ния ранней весной часто не зеленеют и остаются этиолированными до тех пор, пока температура не превысит 10 °С. На ско­рость образования хлорофилла и особенно его предшественни­ков оказывает влияние оводненность тканей. При недостаточной водообеспеченности биосинтез хлорофилла затормаживается и наблюдается его распад. Пожелтение листьев при сильных засу­хах - обычное внешнее проявление водного дефицита.

Важное значение для образования хлорофилла имеют условия минерального питания. Растениям прежде всего необходимо хо­рошее обеспечение азотом и магнием, которые входят в состав хлорофилла. При недостатке этих элементов наблюдается хло­роз - утрата зеленой окраски листьев. Причиной хлороза может быть и дефицит железа. Железо входит в состав ферментов, катализирующих важнейшие звенья биосинтеза хлорофилла. При недостатке меди хлорофилл легко разрушается, так как на­рушаются комплексы между хлорофиллом и соответствующими белками.

На общий ход биосинтеза хлорофилла влияет возраст листьев и растения в целом. В молодых листьях биосинтез хлорофилла идет в 10-15 раз быстрее, чем в старых. Молекулы хлорофилла не могут служить неограниченно долго. Часть их постепенно разрушается, заменяясь вновь синтезированными. «Молодые» молекулы хлорофилла в химическом отношении тождественны «старым», но имеют иную связь с белками и работают более активно. Таким образом, биосинтез и распад хлорофилла пред­ставляют сложный комплекс биохимических реакций, находя­щихся под контролем как генетических факторов, так и условий произрастания растений.