Фотосинтез

 

Молекула хлорофилла полярна, ее порфириновое ядро обладает гидрофильными  свойствами, а фитольный конец  — гидрофобными. Это свойство молекулы хлорофилла обусловливает определенное расположение ее в мембранах хлоропластов. Порфириновая часть молекулы связана  с белком, а фитольная цепь погружена  в липидный слой. Извлеченный из листа хлорофилл легко реагирует  как с кислотами, так и со щелочами. При взаимодействии со щелочью происходит омыление хлорофилла, в результате чего образуются два спирта и щелочная соль кислоты хлорофиллина. В интактном  живом листе от хлорофилла может  отщепляться фитол под воздействием фермента хлорофиллазы. При взаимодействии со слабой кислотой извлеченный хлорофилл  теряет зеленый цвет, образуется соединение феофитин, у которого атом магния в  центре молекулы замещен на два атома  водорода.

 

Хлорофилл в живой интактной  клетке обладает способностью к обратимому фотоокислению и фотовосстановлению. Способность к окислительно-восстановительным  реакциям связана с наличием в  молекуле хлорофилла сопряженных двойных  связей с подвижными π-электронами  и атомов азота с неподеленными  электронами. Азот пиррольных ядер может  окисляться (отдавать электрон) или  восстанавливаться (присоединять электрон).

 

Исследования показали, что  свойства хлорофилла, находящегося в  листе и извлеченного из листа, различны, так как в листе он находится  в комплексном соединении с белком. Это доказывается следующими данными:

 

1.Спектр поглощения хлорофилла, находящегося в листе, иной  по сравнению с извлеченным  хлорофиллом.

 

2.  Хлорофилл невозможно  извлечь абсолютным спиртом из  сухих листьев. Экстракция протекает  успешно, только если листья  увлажнить или к спирту добавить  воды, которая разрушает связь  между хлорофиллом и белком.

 

3.  Выделенный из листа  хлорофилл легко подвергается  разрушению под влиянием самых  разнообразных воздействий  (повышенная  кислотность, кислород и даже  свет).

 

Между тем в листе хлорофилл  достаточно устойчив ко всем перечисленным  факторам. Следует отметить, что  хотя крупный русский ученый В. Н. Любименко и предлагал этот комплекс назвать хлороглобином, по аналогии с гемоглобином, связь между хлорофиллом  и белком иного характера, чем  между гемином и белком. Для  гемоглобина характерно постоянное соотношение — на 1 молекулу белка  приходится 4 молекулы гемина. Между  тем соотношение между хлорофиллом  и белком различно и претерпевает изменения в зависимости от типа растений, фазы их развития, условий  среды (от 3 до 10 молекул хлорофилла на 1 молекулу белка). Связь между  молекулами белка и хлорофиллом  осуществляется путем нестойких  комплексов, образующихся при взаимодействии кислотных групп белковых молекул  и азота пиррольных колец. Чем  выше содержание дикарбоновых аминокислот  в белке, тем лучше идет их комплектование с хлорофиллом (Т. Н. Годнее). Белки, связанные  с хлорофиллом, характеризуются  низкой изоэлектрической точкой (3,7—4,9). Молекулярная масса этих белков порядка 68 тыс. Вместе с тем хлорофилл  может взаимодействовать и с  липидами мембран.

 

Важным свойством молекул  хлорофилла является их способность  к взаимодействию друг с другом. Переход из мономерной в агрегированную форму возник в результате взаимодействия двух- и более молекул при их близком расположении друг к другу. В процессе образования хлорофилла его состояние в живой клетке закономерно меняется. При этом и  происходит его агрегация (А. А. Красновский). В настоящее время показано, что  хлорофилл в мембранах пластид  находится в виде пигмент-липопротеидных комплексов с различной степенью агрегации.

 

5.6. Физические свойства  хлорофилла

 

Как уже отмечалось, хлорофилл  способен к избирательному поглощению света. Спектр поглощения данного соединения определяется его способностью поглощать  свет определенной длины волны (определенного  цвета). Для того чтобы получить спектр поглощения, К. А, Тимирязев пропускал  луч света через раствор хлорофилла. Часть лучей поглощалась хлорофиллом, и при последующем пропускании  через призму в спектре обнаруживались черные полосы. Было показано, что хлорофилл  в той же концентрации, как в  листе, имеет две основные линии  поглощения в красных и сине-фиолетовых лучах (рис. 6). При этом хлорофилл  а в растворе имеет максимум поглощения 429 и 660 нм, тогда как хлорофилл b — 453 и 642 нм. Однако необходимо учитывать, что в листе спектры поглощения хлорофилла меняются в зависимости  от его состояния, степени агрегации, адсорбции на определенных белках. В настоящее время показано, что есть формы хлорофилла, поглощающие свет с длиной волны 700, 710 и даже 720 нм. Эти формы хлорофилла, поглощающие свет с большой длиной волны, имеют особенно важное значение в процессе фотосинтеза.

 

 

 

Рис.6. Спектры поглощения хлорофиллов a и b

 

 

 

Хлорофилл обладает способностью к флуоресценции. Флуоресценция, представляет собой свечение тел, возбуждаемое освещением и продолжающееся очень короткий промежуток времени (10-8—10 -9 с). Свет, испускаемый  при флюоресценции, имеет всегда большую длину волны по сравнению  с поглощенным. Это связано с  тем, что часть поглощенной энергии  выделяется в виде тепла, хлорофилл  обладает красной флуоресценцией.

 

Биосинтез хлорофилла

 

Синтез хлорофилла происходит в две фазы: темновую — до протохлорофиллида  и световую — образование из протохлорофиллида  хлорофиллида (рис. 7). Исходным веществом  для образования протохлорофиллида  служит образующаяся из аминокислоты гликокол

 

 

 

 

 

 

 

Рис.7. Схема биосинтеза хлорофилла. hν – кванты света

 

 

 

и сукцинил-КоА аминолевулиновая кислота

 

                                                             NH2

 

                                                           │

 

                                                      {CН2 - C – СН2- СН2- СООН}

 

                                                              ││

 

                                                               O

 

Существует предположение, что в хлоропластах высших растений аминолевулиновая кислота образуется иным путем — из глутамата.

 

Для превращения протохлорофиллида  в хлорофиллид необходимо его  связывание с белком голохромом и  присоединение двух атомов водорода. Белок-голохром обеспечивает определенное пространственное расположение протохлорофиллида. Предполагается также, что он является донором «Н». Именно последняя реакция  для большинства растений протекает  с использованием энергии

 

света (фотовосстановление):

 

            свет

протохлорофиллид + 2Н + +→  хлорофиллид

 

Водороды присоединяются к четвертому пиррольному кольцу в молекуле пигмента. Необходимый  для этой реакции свет поглощается  комплексом протохлорофиллид-голохром. На последнем этапе к хлорофиллиду присоединяется спирт фитол:

 

хлорофиллид + фитол  →  хлорофилл

 

Поскольку синтез хлорофилла — процесс многоэтапный, в нем  участвуют различные ферменты, составляющие, по-видимому, полиферментный комплекс. Интересно заметить, что образование  многих из этих белков-ферментов ускоряется на свету. Свет косвенно ускоряет образование  предшественников хлорофилла. Одним  из наиболее важных ферментов является фермент, катализирующий синтез аминолевулиновой кислоты (АЛК-синтетаза). Важно отметить, что активность этого фермента также  повышается на свету.

 

 Содержание хлорофилла  в листе колеблется незначительно.  Это связано с тем, что идет  непрерывный процесс разрушения  старых молекул и образование  новых молекул хлорофилла. Причем  эти два процесса уравновешивают  друг друга. При этом предполагается, что вновь образовавшиеся молекулы  хлорофилла не смешиваются со  старыми и имеют несколько  иные свойства.

 

Условия образования хлорофилла

 

Исследования влияния  света на накопление хлорофилла в  этиолированных проростках показали, что первым в процессе зеленения  появляется хлорофилл а. Спектрографический анализ показывает, что процесс образования  хлорофилла идет очень быстро.

Так, уже через 1 мин после  начала освещения выделенный из этиолированных проростков пигмент имеет спектр поглощения, совпадающий со спектром поглощения хлорофилла а. По мнению А. А. Шлыка, хлорофилл b образуется из хлорофилла а.

 

При исследовании влияния  качества света на образование хлорофилла в большинстве случаев проявилась положительная роль красного света. Большое значение имеет интенсивность  освещения. Существование нижнего  предела освещенности для образования  хлорофилла было показано в опытах В. Н. Любименко для проростков ячменя и овса. Оказалось, что освещение  электрической лампой мощностью 10 Вт на расстоянии 400 см было пределом, ниже которого образование хлорофилла прекращалось. Существует и верхний предел освещенности, выше которого образование хлорофилла тормозится.

 

Проростки, выросшие в отсутствие света, называют этиолированными. Такие  проростки, как правило, характеризуются  измененной формой (вытянутые стебли, неразвившиеся листья) и слабой, желтой окраской (хлорофилла в них  нет). Как было сказано выше, образование  хлорофилла на заключительных этапах требует света. Еще со времен Сакса (1864) известно, что в некоторых  случаях хлорофилл образуется и  в отсутствие света. Способность  образовывать хлорофилл в темноте  характерна для растений, стоящих  на нижней ступени эволюционного  процесса. Так, при благоприятных условиях питания некоторые бактерии могут синтезировать в темноте бактериохлорофилл. Сине-зеленые водоросли при достаточном снабжении органическим веществом растут и образуют пигменты в темноте. Способность к образованию хлорофилла в темноте обнаружена и у таких высокоорганизованных водорослей, как харовые. Лиственные и печеночные мхи сохраняют способность образовывать хлорофилл в темноте. Почти у всех видов хвойных при прорастании семян в темноте семядоли зеленеют. Более развита эта способность у теневыносливых пород хвойных деревьев. По мере роста проростков в темноте образовавшийся хлорофилл разрушается, и на 35—40-й день проростки в отсутствие света погибают. Интересно заметить, что проростки хвойных, выращенные из изолированных зародышей в темноте, хлорофилла не образуют. Однако достаточно присутствия небольшого кусочка нераздробленного эндосперма, чтобы проростки начинали зеленеть. Зеленение происходит даже в том случае, если зародыш соприкасается с эндоспермом другого вида хвойных деревьев. При этом наблюдается прямая корреляция между величиной окислительно-восстановительного потенциала эндосперма и способностью проростков зеленеть в темноте.

 

Можно сделать заключение, что в эволюционном плане хлорофилл  первоначально образовался как  побочный продукт темнового обмена. Однако в дальнейшем на свету растения, обладающие хлорофиллом, получили большее  преимущество благодаря возможности  использовать энергию солнечного света, и эта особенность была закреплена естественным отбором.

 

Образование хлорофилла зависит  от температуры. Оптимальная температура  для накопления хлорофилла 26—30°С. Как  и следовало ожидать, от температуры  зависит лишь образование предшественников хлорофилла (темновая фаза). При наличии  уже образовавшихся предшественников хлорофилла процесс зеленения (световая фаза) идет с одинаковой скоростью  независимо от температуры.

 

На скорость образования  хлорофилла оказывает влияние содержание воды. Сильное обезвоживание проростков приводит к полному прекращению  образования хлорофилла. Особенно чувствительно  к обезвоживанию образование  протохлорофиллида.

 

Еще В. И. Палладии обратил  внимание на необходимость углеводов  для протекания процесса зеленения. Именно с этим связано то, что  зеленение этиолированных проростков на свету зависит от их возраста. После 7—9-дневного возраста способность  к образованию хлорофилла у таких  проростков резко падает. При опрыскивании сахарозой проростки снова начинают интенсивно зеленеть.

 

Важнейшее значение для образования  хлорофилла имеют условия минерального питания. Прежде всего, необходимо достаточное  количество железа. При недостатке железа листья даже взрослых растений теряют окраску. Это явление названо  хлорозом.

 

 Железо — необходимый  катализатор образования хлорофилла. Оно необходимо на этапе синтеза  6-аминолевулиновой кислоты из  глицина и сукцинил-КоА, а также  синтеза протопорфирина. Большое  значение для обеспечения синтеза  хлорофилла имеет нормальное  снабжение растений азотом и  магнием, так как оба эти  элемента входят в состав хлорофилла. При недостатке меди хлорофилл  легко разрушается. Это, по-видимому, связано с тем, что медь способствует  образованию устойчивых комплексов  между хлорофиллом и соответствующими  белками.

 

Исследование процесса накопления хлорофилла у растений в течение  вегетационного периода показало, что  максимальное содержание хлорофилла приурочено к началу цветения. Есть даже мнение, что повышение образования хлорофилла может быть использовано как индикатор, указывающий на готовность растений к цветению.

 

Синтез хлорофилла зависит  от деятельности корневой системы.  Так, при прививках содержание хлорофилла в листьях привоя зависит от свойств  корневой системы подвоя. Возможно, что влияние корневой системы  связано с тем, что там образуются гормоны (цитокинины). У двудомных  растений большим содержанием хлорофилла характеризуются листья женских  особей.

 

2. КАРОТИНОИДЫ

 

Наряду с зелеными пигментами в хлоропластах и хррматофорах содержатся пигменты, относящиеся к группе каротиноидов.