Хлорофилл. Пигменты фотосинтезирующих систем Хлорофилл является важным пигментом обусловливающим

Хлорофилл А против В

Растения и водоросли - это живые организмы, которые могут создавать свою собственную пищу, а животные получают свою пищу от этих растений. Этот процесс создания пищи называется фотосинтезом и использует хлорофилл. Хлорофилл является зеленым пигментом в растениях и водорослях, который по существу используется при фотосинтезе. Он поглощает свет и энергию от синей и красной частей электромагнитного спектра, но не поглощает лунку зеленой порции, которая придает растениям хлорофилл в растениях свой зеленый цвет Затем свет и энергия переносятся в реакционные центры двух фотосистем, Photosystem I и Photosystem II. Эти фотосистемы имеют реакционные центры, P680 и P700, которые поглощают и используют энергию, которую они получают от других пигментов хлорофилла. Фотосинтез использует два типа хлорофилла, хлорофилла а и б, для получения энергии. Хлорофилл А Хлорофилл а поглощает энергию от длин волн сине-фиолетового и оранжево-красного света при 675 нм. Он отражает зеленый свет, который придает хлорофиллу свой зеленый вид. Это очень важно в энергетической фазе фотосинтеза, потому что молекулы хлорофилла a необходимы до того, как фотосинтез может продолжаться. Это первичный фотосинтетический пигмент. Это реакционный центр антенной решетки, который состоит из основных белков, которые связывают хлорофилл а с каротиноидами. Организмы, в частности кислородные фотосинтезирующие, используют хлорофилл а и используют различные ферменты для биосинтеза. Хлорофилл B Хлорофилл б поглощает энергию от длин волн зеленого света при 640 нм. Это вспомогательный пигмент, который собирает энергию и передает его на хлорофилл а. Он также регулирует размер антенны и более абсорбируется, чем хлорофилл a. Хлорофилл b дополняет хлорофилл a. Его добавление к хлорофиллу а увеличивает спектр поглощения за счет увеличения диапазона длин волн и расширения спектра поглощаемого света. Когда имеется мало света, растения производят больше хлорофилла b, чем хлорофилл a, чтобы увеличить его способность к фотосинтезу. Это необходимо, потому что молекулы хлорофилла a захватывают ограниченную длину волны, поэтому вспомогательные пигменты, такие как хлорофилл b, необходимы для захвата более широкого диапазона света. Затем он передает захваченный свет от одного пигмента к другому, пока не достигнет хлорофилла а в реакционном центре. Хлорофилл а не может эффективно функционировать без помощи хлорофилла b, а хлорофилл b не может эффективно производить достаточно энергии самостоятельно. Эти два типа хлорофиллов поэтому очень важны в процессе фотосинтеза. Они работают лучше всего вместе. Резюме 1. Хлорофилл а является основным фотосинтетическим пигментом, а хлорофилл б является вспомогательным пигментом, который накапливает энергию и передает его хлорофиллу а. 2. Хлорофилл а поглощает энергию от длин волн сине-фиолетового и оранжево-красного света, а хлорофилл б поглощает энергию от длин волн зеленого света. 3. Хлорофилл а поглощает энергию при 675 нм, тогда как хлорофилл б поглощает энергию при 640 нм. 4. Хлорофилл b является более абсорбирующим, а хлорофилл a - нет. 5. Хлорофилл а является реакционным центром антенной решетки основных белков, а хлорофилл б регулирует размер антенны.

Почему трава, а также листья на деревьях и кустах зеленые? Виной всему хлорофилл. Можно взять прочную веревку знаний и завязать с ним крепкое знакомство.

История

Проведем небольшой экскурс в сравнительно недалекое прошлое. Жозеф Бьенеме Каванту и Пьер Жозеф Пеллетье - вот кому нужно пожать руку. Мужи науки постарались отделить зеленый пигмент из листьев разных растений. Старания увенчались успехом в 1817 году.

Пигмент наименовали хлорофилл. От греческого chloros - зеленый, и phyllon - лист. Независимо от вышесказанного, в начале 20 века Михаил Цвет и Рихард Вильштеттер пришли к выводу: оказывается, в хлорофилл входит несколько компонентов.

Засучив рукава, Вильштеттер принялся за работу. Очистка и кристаллизация выявили два компонента. Назвали их просто, альфа и бета (а и b). За труды в поле исследования данного вещества в 1915 году ему торжественно вручили премию Нобеля.

В 1940 Ханс Фишер предложил всему миру окончательную структуру хлорофилла «а». Король синтеза Роберт Бернс Вудворд и несколько ученых из Америки получили в 1960 году ненатуральный хлорофилл. Так и приоткрылась завеса тайны - появление хлорофилла.

Химические свойства

Формула хлорофилла, определенная из опытных показателей, выглядит так: C 55 H 72 O 5 N 4 Mg. В конструкцию входит органическая (хлорофиллин), а также спирты метиловый и фитол. Хлорофиллин - это металлорганическое соединение, имеющее прямое отношение к магнийпорфиринам и содержащее азот.

MgN 4 OH 30 C 32

Хлорофилл значится сложным эфиром из-за того, что оставшиеся части метилового спирта CH 3 OH и фитола C 20 H 39 OH заместили водород карбоксильных группировок.

Выше размещена структурная формула хлорофилла альфа. Разглядев ее внимательно, можно увидеть, что у бета-хлорофилла на один атом кислорода больше, но на два атома водорода меньше (группа CHO вместо CH 3). Отсюда молекулярная масса альфа-хлорофилла ниже, чем у бета.

В середине частицы интересующего нас вещества обосновался магний. Он соединяется с 4 атомами азота пиррольных формирований. Систему элементарных и сменяющихся двойных связей можно наблюдать в пиррольных связках.

Хромофорное формирование, удачно вписываемое в состав хлорофилла - это и есть N. Оно делает возможным впитывание отдельных лучей солнечного спектра и его цвет, независимо от того, что горит, как пламя, а вечером похоже на тлеющие угли.

Перейдем к размерам. Порфириновое ядро в диаметре 10 нм, фитольный фрагмент оказался длинной в 2 нм. В ядре хлорофилл составляет 0,25 нм, меж микрочастицами пиррольных группок азота.

Хотелось бы отметить, что атом магния, который входит в состав хлорофилла, в диаметре всего 0,24 нм и практически полностью заполняет свободное место между атомами пиррольных группировок азота, что помогает ядру молекулы быть более крепким.

Можно прийти к выводу: из двух составляющих под нехитрым названием альфа и бета и состоит хлорофилл (a и b).

Хлорофилл a

Относительная - 893,52. Создают в отделенном пребывании микрокристаллы черного цвета с голубым отливом. При температуре 117-120 градусов Цельсия они расплавляются и перевоплощаются в жидкость.

В этаноле такие же хлороформы, в ацетоне, а еще бензолах растворяются охотно. Результаты принимают сине-зеленую окраску и имеют отличительную особенность - насыщенная красная флуоресценция. Плохо растворяются в петролейном эфире. В воде не распускаются вовсе.

Формула хлорофилла альфа: C 55 H 72 O 5 N 4 Mg. Вещество по своей химической конструкции относят к хлоринам. В кольце к пропионовой кислоте, а именно к ее остатку, прикреплен фитол.

Кое-какие растительные организмы, вместо хлорофилла a, образуют его аналог. Здесь этильную группу (-CH 2 -CH 3) во II пиррольном кольце сменила винильная (-CH=CH 2). Такая молекула заключает в себе первую винильную группу в кольце один, вторую в кольце два.

Хлорофилл b

Формула хлорофилла-бета имеет следующий вид: C 55 H 70 O 6 N 4 Mg. Молекулярный вес вещества составляет 903. У атома углерода C 3 в пиррольном кольце два, обнаруживается немного спирта, лишенного водорода -H-C=O, который обладает желтым цветом. Это и есть отличие от хлорофилла a.

Смеем заметить, что в специальных постоянных частях клетки, жизненно важных для ее дальнейшего существования пластидах-хлоропластах, пребывают несколько типов хлорофиллов.

Хлорофиллы c и d

У криптомонад, динофлагеллятов, а также у бациллариофициевых и бурых водорослей найден хлорофилл с. Классический порфирин - вот чем отличается этот пигмент.

У водорослей красной окраски хлорофилл d. Некоторые сомневаются в его существовании. Полагается, что он является только продуктом вырождения хлорофилла a. На данный момент можно уверенно сказать, что хлорофилл с литерой d - это основной краситель кое-каких фотосинтезирующих прокариотов.

Свойства хлорофилла

После продолжительных исследований возникло доказательство, что в особенностях хлорофилла, пребывающего в растении и добытого из него, замечена несхожесть. Хлорофилл в растениях соединен с белком. Об этом свидетельствуют следующие наблюдения:

1. Спектр впитывания хлорофилла в листе другой, если сравнить его с извлеченным.
2. Чистым спиртом из высохших растений предмет описания достать нереально. Протекает экстракция благополучно при хорошо увлажненных листьях, либо следует долить в спирт воду. Именно она разбивает связанный с хлорофиллом белок.
3. Материал, вытянутый из листьев растений, быстро разрушается под влиянием кислорода, концентрированной кислоты, световых лучей.

Зато хлорофилл в растениях устойчив ко всему вышеперечисленному.

Хлоропласты

В растениях хлорофилла содержится 1% от сухого вещества. Найти можно в особых органеллах клетки - пластидах, что показывает неравномерное распределение его в растении. Пластиды клеток, окрашенные в зеленый цвет и имеющие в себе хлорофилл, имеют название хлоропласты.

Количество H 2 O в хлоропластах колеблется от 58 до 75%, содержимое сухого вещества состоит из белков, липидов, хлорофилла и каротиноидов.

Функции хлорофилла

Удивительное сходство обнаружили ученые в устройстве молекул хлорофилла и гемоглобина - главного дыхательного компонента человеческой крови. Отличие состоит в том, что в клешневидном соединении посередине в пигменте растительного происхождения размещен магний, а в гемоглобине - железо.

В ходе фотосинтеза растительность планеты поглощает углекислый газ, выделяет кислород. Вот еще одна замечательная функция хлорофилла. По деятельности его можно сравнить с гемоглобином, но объем воздействия на человеческий организм несколько больше.

Хлорофилл - это растительный пигмент, чувствительный к свету и покрытый зеленым цветом. Далее идет фотосинтез, при котором его микрочастицы преобразовывают энергию солнца, поглощаемую клетками растений, в химическую энергию.

Можно прийти к следующим умозаключениям, что фотосинтез - это процесс преобразования энергии солнца. Если доверять современным сведениям, замечено, что протекание синтеза органических веществ из газа углекислого и воды с использованием световой энергии разложено на три этапа.

Этап №1

Данная фаза вершится в процессе фотохимического распада воды, при содействии хлорофилла. Отмечается выделение молекулярного кислорода.

Этап №2

Здесь наблюдается несколько окислительно-восстановительных реакций. В них берут активное содействие цитохромы и иные переносчики электронов. Реакция происходит за счет световой энергии, переносимой электронами от воды на NADPH и образующей ATP. Тут запасается световая энергия.

Этап №3

Уже образовавшиеся NADPH и ATP пускаются в ход для преобразования углекислого газа в углевод. Поглощенная энергия света участвует в реакциях 1 и 2 этапов. Реакции последнего, третьего, происходят без участия света и называются темновыми.

Фотосинтез - это единственный биологический процесс, проходящий с возрастанием свободной энергии. Прямо или косвенно обеспечивает доступной химической предприимчивостью обитающих на земле двуногих, крылатых, бескрылых, четвероногих и прочие организмы.

Гемоглобин и хлорофилл

Молекулы гемоглобина и хлорофилла имеют сложную, но в то же время схожую атомарную структуру. Общим в их строении является профин - кольцо из маленьких колечек. Различие замечено в отросточках, присоединённых к профину, и в атомах, расположенных внутри: атом железа (Fe) у гемоглобина, у хлорофилла магний (Mg).

Хлорофилл и гемоглобин по строению похожи, но формируют разные белковые структуры. Вокруг атома магния сформирован хлорофилл, вокруг железа - гемоглобин. Если взять молекулу жидкого хлорофилла и отсоединить фитольный хвост (20 углеродную цепь), поменять атом магния на железо, то зеленый цвет пигмента станет красным. В итоге - готовая молекула гемоглобина.

Усваивается хлорофилл легко и быстро, благодаря именно такому сходству. Хорошо поддерживает организм при кислородном голодании. Насыщает кровь нужными микроэлементами, отсюда она лучше транспортирует важнейшие для жизни вещества к клеткам. Происходит своевременный выброс отработанных материалов, токсинов, отходов, возникающих в результате естественного обмена веществ. Имеет воздействие на спящие лейкоциты, пробуждая их.

Описываемый герой без страха и упрека защищает, укрепляет мембраны клетки, помогает восстановиться соединительной ткани. К заслугам хлорофилла можно отнести быстрое заживление язв, разных ран и эрозий. Улучшает иммунную работу, выделена способность купировать патологические нарушения молекул ДНК.

Положительная тенденция при лечении инфекционных и простудных заболеваний. Это не весь список добрых дел рассмотренного вещества.

План лекции:

4. Биосинтез хлорофилла

6. Каротиноиды

7. Фикобилины

1. Пигменты фотосинтеза. Хлорофиллы

Для того чтобы свет мог оказывать влияние на растительный организм и, в част­ности, быть использованным в процессе фотосинтеза, необходимо его погло­щение фоторецепторами-пигментами. Пигменты - это окрашенные вещества. Пигменты поглощают свет определенной длины волны. Непоглощенные участки солнечного спектра отражаются, что и обусловливает окраску пигментов. Так, зеленый пигмент хлорофилл поглощает красные и синие лучи, тогда как зеле­ные лучи в основном отражаются. Видимая часть солнечного спектра включает длины волн от 400 до 700 нм. Вещества, поглощающие весь видимый участок спектра, кажутся черными.

Состав пигментов зависит от систематического положения группы организ­мов. У фотосинтезирующих бактерий и водорослей пигментный состав очень разнообразен (хлорофиллы, бактериохлорофиллы, бактериородопсин, каротиноиды, фикобилины). Их набор и соотношение специфичны для различных групп и во многом зависят от среды обитания организмов. Пигменты фотосин­теза у высших растений значительно менее разнообразны. Пигменты, сконцен­трированные в пластидах, можно разделить на три группы: хлорофиллы, каротиноиды, фикобилины.

Важнейшую роль в процессе фотосинтеза играют зеленые пигменты -хлорофил­лы. Французские ученые П.Ж. Пелетье и Ж. Кавенту (1818) выделили из листьев зеленое вещество и назвали eгo хлорофиллом (от греч. «хлорос» - зеленый и «филлон» - лист). В настоящее время известно около десяти хлорофиллов. Они отличаются по химическому строению, окраске, распространению среди живых организмов. У всех высших растений содержатся хлорофиллы а и b. Хлоро­филл с обнаружен в диатомовых водорослях, хлорофилл d - в красных водорослях. Кроме того, известны четыре бактериохлорофилла (a, b, с и d), содержащиеся в клетках фотосинтезирующих бактерий. В клетках зеленых бактерий имеются бактериохлорофиллы с и d, в клетках пурпурных бактерий - бактериохлоро­филлы а и b . Основными пигментами, без которых фотосинтез не идет, являют­ся хлорофиллы для зёленых растений и бактериохлорофиллы для бактерий.

Впервые точное представление о пигментах зелёного листа высших растений было получено благодаря работам крупнейшего русского ботаника М.С. Цвета (1872-1919). Он разработал хроматографический метод разделения веществ и выделил пигменты листа в чистом виде. Хроматографический метод разделения веществ основан на их различной способности к адсорбции. Метод этот получил широкоё применение. М.С. Цвет пропускал вытяжку из листа через стеклянную трубку заполненную порошком - мелом или сахарозой (хроматографическую колонку). Отдельные компоненты смеси пигментов различались по степени адсорбируемости и передвигались с разной скоростью, в результате чего они концентрировались в разных зонах колонки. Разделяя колонку на отдель­ные части (зоны) и используя соответствующую систему растворителей, можно было выделить каждый пигмент. Оказалось, что листья высших растений содержат хлорофилл а и хлорофилл b, а также каротиноиды (каротин, ксантофилл и др.). Хлорофиллы, так же как и каротиноиды, нерастворимы в воде, но хоро­шо растворимы в органических растворителях. Хлорофиллы а и b различаются по цвету: хлорофилл а имеет сине-зеленый оттенок, а хлорофилл b - желто-зеленый. Содержание хлорофилла а в листе примерно в три раза больше, чем хлорофилла b.

2. Химические свойства хлорофилла

По химическому строению хлорофиллы - сложные эфиры дикарбоновой органической кислоты - хлорофиллина и двух остатков спиртов фитола и метилового. Эмпирическая формула - C 55 H 72 O 5 N 4 Mg. Хлорофиллин представляет собой азотсодержащее металлорганическое соединение, относящееся к магнийпорфиринам.

В хлорофилле водород карбоксильных групп замещен остатками двух спир­тов - метилового СН 3 ОН и фитола С 20 Н 39 ОН поэтому хлорофилл является слож­ным эфиром. На рисунке 1, А дана структурная формула хлорофилла а .

Хлорофилл b отличается тем, что содержит на два атома водорода меньше и на один_ атом кислорода больше (вместо группы СН 3 группа СНО (рис. 1, Б) . В связи с этим молекулярная масса хлорофилла а - 893 и хлорофилла b - 907. В 1960 г. Р.Б. Вудворд осуществил полный синтез хлорофилла.

В центре молекулы хлорофилла расположен атом магния, который соединен с четырьмя атомами азота пиррольных группировок. В пиррольных группировках хлорофилла имеется система чередующихся двойных и простых связей. Это и есть хромофорная группа хлорофилла, обусловливающая поглощение опреде­ленных лучей солнечного спектра и его окраску. Диаметр порфиринового ядра составляет 10 нм, а длина фитольного остатка - 2 нм.

Рисунок 1 – Хлрофиллы а и b

Расстояние между атомами азота пиррольных группировок в ядре хлорофил­ла составляет 0,25 нм. Интересно, что диаметр атома магния равен 0,24нм. Та­ким образом, магний почти полностью заполняет пространство между атомами азота пиррольных группировок. Это придает ядру молекулы хлорофилла дополнительную прочность. Еще К.А. Тимирязев обратил внимание на близость химического строения двух важнейших пигментов: зеленого - хлорофилла листьев и красного - гемина крови. Действительно, если хлорофилл относится к магний порфиринам, то гемин - к железопорфиринам. Сходство это не случайно и служит еще одним доказательством единства всего органического мира.

Одной из специфических черт строения хлорофилла является наличие в его молекуле помимо четырех гетероциклов еще одной циклической группировки из пяти углеродных атомов - циклопентанона. В циклопентановом кольце со­держится кетогруппа, обладающая большой реакционной способностью. Есть данные, что в результате процесса энолизации по месту этой кетогруппы к мо­лекуле хлорофилла присоединяется вода.

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 щелочами 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:

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

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.

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 комплексирование с хлорофиллом (Т.Н.Годнее). Белки, связанные с хлорофиллом, характеризуются низкой изоэлектрической точкой (3,7-4,9). Молекулярная масса этих белков порядка 68 кДа. 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.

3. 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. 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.

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.

4. Биосинтез хлорофилла

Синтез хлорофилла происходит в две фазы: темновую - до протохлорофиллида и световую - образование из протохлорофиллида хлорофиллида (рис. 2). Син­тез начинается с превращения глутаминовой кислоты в δ-аминолевулиновую кислоту. 2 молекулы δ-аминолевулиновой кислоты конденсируются в порфобилиноген. Далее 4 молекулы порфобилиногена превращаются в протопорфирин IX. После этого в кольцо встраивается магний и получается протохлорофиллид. На свету и в присутствии НАДН образуется хлорофиллид: протохлорофиллид + 2Н + + hv →хлорофиллид

Рисунок 2 - Схема биосинтеза хлорофилла

Протоны присоединяются к четвертому пиррольному кольцу в молекуле пиг­мента. На последнем этапе происходит взаимодействие хлорофиллида со спир­том фитолом: 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 δ-аминолевулиновой кислоты (аминолевулинатсинтаза). Важ­но отметить, что активность этого фермента также повышается на свету.

5. Условия образования хлорофилла

Исследования влияния света на накопление хлорофилла в этиолированных про­ростках позволили установить, 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 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 Ю. Сакса (1864) известно, что в некоторых случаях хлоро­филл образуется и в отсутствие света. Способность образовывать хлорофилл в темноте характерна для организмов, стоящих на нижней ступени эволюцион­ного процесса. Так, при благоприятных условиях питания некоторые бактерии могут синтезировать в темноте бактериохлорофилл. Цианобактерии 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. 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 - важный катализатор образования хлорофилла. Оно необходимо на этапе синтеза δ-аминолевулиновой кислоты, а также синтеза про-топорфирина. 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.

6. Каротиноиды

Наряду с зелеными пигментами в хлоропластах и хроматофорах содержатся пиг­менты, относящиеся к группе каротиноидов. Каротиноиды - это желтые и оран­жевые пигменты алифатического строения, производные изопрена. Кароти­ноиды содержатся во всех высших растениях и у многих микроорганизмов. Это самые распространенные пигменты с разнообразными функциями. Кароти­ноиды, содержащие кислород, получили название ксантофиллы. Основными представителями каротиноидов у высших растений являются два пигмента -
β-каротин (оранжевый) С 40 Н 56 и ксантофилл (желтый) C 40 H 56 O 2 . Каротин состоит из 8 изопреновых остатков (рис. 3).

Рисунок 3 – Структура β-каротина

При разрыве углеродной цепочки пополам и образовании на конце спиртовой группы каротин превращается в 2 молекулы витамина А. Обращает на себя внимание сходство в структуре фитола - спирта, входящего в состав хлорофилла, и углеродной цепочки, соединяю­щей иононовые кольца каротина. Предполагается, что фитол возникает как про­дукт гидрирования этой части молекулы каротиноидов. Поглощение света каротиноидами, их окраска, а также способность к окислительно-восстановительным реакциям обусловлены наличием конъюгированных двойных связей, β-каротин имеет два максимума поглощения, соответствующие длинам волн 482 и 452 нм. В отличие от хлорофиллов каротиноиды не поглощают красные лучи, а также не обладают способностью к флуоресценции. Подобно хлорофиллу каротиноиды в хлоропластах и хроматофорах находятся в виде нерастворимых в воде комплек­сов с белками.

Уже тот факт, что каротиноиды всегда присутствуют в хлоропластах, позволяет считать, что они принимают участие впроцессе фотосинтеза. Однако не отмечено ни одного случая, когда в отсутст­вие хлорофилла этот процесс осуществляется. В настоящее время установлено, что каротиноиды, поглощая определенные участки солнечного спектра, пере­дают энергию этих лучей на молекулы хлорофилла. Тем самым они способствуют использованию лучей, которые хлорофиллом не поглощаются.

Физиологическая роль каротиноидов не ограничивается их участием в пе­редаче энергии на молекулы хлорофилла. По данным русского исследователя
Д.И. Сапожникова, на свету происходит взаимопревращение ксантофиллов (виолаксантин превращается в зеаксантин), что сопровождается выделением кислорода. Спектр действия этой реакции совпадает со спектром поглощения хлорофилла, что позволило высказать предположение об ее участии в процессе разложения воды и выделения кислорода при фотосинтезе.

Имеются данные, что каротиноиды выполняют защитную функцию, предо­храняя различные органические вещества, в первую очередь молекулы хлорофил­ла, от разрушения на свету в процессе фотоокисления. Опыты, проведенные на мутантах кукурузы и подсолнечника, показали, что они содержат протохлорофиллид (темновой предшественник хлорофилла), который на свету переходит в хлорофилл а, но разрушается. Последнее связано с отсутствием способности исследованных мутантов к образованию каротиноидов.

Ряд исследователей указывают, что каротиноиды играют определенную роль в половом процессе у растений. Известно, что в период цветения высших рас­тений содержание каротиноидов в листьях уменьшается. Одновременно оно заметно растет в пыльниках, а также в лепестках цветков. По мнению П. М. Жуков­ского, микроспорогенез тесно связан с метаболизмом каротиноидов. Незрелые пыльцевые зерна имеют белую окраску, а созревшая пыльца - желто-оранжевую. В половых клетках водорослей наблюдается дифференцированное распределение пигментов. Мужские гаметы имеют желтую окраску и содержат каротиноиды. Женские гаметы содержат хлорофилл. Высказывается мнение, что именно каро­тин обусловливает подвижность сперматозоидов. По данным В. Мевиуса, мате­ринские клетки водоросли хламидомонады образуют половые клетки (гаметы) первоначально без жгутиков, в этот период они еще не могут передвигаться в воде. Жгутики образуются только после освещения гамет длинноволновыми лучами, которые улавливаются особым каротиноидом - кроцетином.

Образование каротиноидов. Синтез каротиноидов не требует света. При фор­мировании листьев каротиноиды образуются и накапливаются в пластидах еще в тот период, когда зачаток листа защищен в почке от действия света. В начале освещения образование хлорофилла в этиолированных проростках сопровож­дается временным падением содержания каротиноидов. Однако затем содер­жание каротиноидов восстанавливается и даже повышается с увеличением интенсивности освещения. Установлено, что между содержанием белка и каро­тиноидов имеется прямая коррелятивная связь. Потеря белка и каротиноидов в срезанных листьях идет параллельно. Образование каротиноидов зависит от источника азотного питания. Более благоприятные результаты по накоплению каротиноидов получены при выращивании растений на нитратном фоне по срав­нению с аммиачным. Недостаток серы резко уменьшает содержание кароти­ноидов. Большое значение имеет соотношение - Ca/Mg в питательной среде. Относительное увеличение содержания кальция приводит к усиленному накоп­лению каротиноидов по сравнению с хлорофиллом. Противоположное влияние оказывает увеличение содержания магния.

7. Фикобилины

Фикобилины- красные и синие пигменты, содержащиеся у цианобактерий и некоторых водорослей. Исследования показали, что красные водоросли и циа­нобактерий наряду с хлорофиллом а содержат фикобилины. В основе химическо­го строения фикобилинов лежат четыре пиррольные группировки. В отличие от хлорофилла у фикобилинов пиррольные группы расположены в виде открытой цепочки (рис. 4) . Фикобилины представлены пигментами: фикоцианином, фикоэритрином и аллофикоцианином. Фикоэритрин - это окисленный фикоцианин. Красные водоросли в основном содержат фикоэритрин, а цианобактерий - фикоцианин. Фикобилины образуют прочные соединения с белками (фикобилин-протеиды). Связь между фикобилинами и белками разрушается только кислотой. Предполагается, что карбоксильные группы пигмента связываются с аминогруппами белка. Необходимо отметить, что в отличие от хлорофиллов и каротиноидов, расположенных в мембранах, фикобилины концентрируются в особых гранулах (фикобилисомах), тесно связанных с мембранами тилакоидов.

Рисунок 4 – Хромофорная группа фикоэритринов

Фикобилины поглощают лучи в зеленой и желтой частях солнечного спек­тра. Это та часть спектра, которая находится между двумя основными линиями поглощения хлорофилла. Фикоэритрин поглощает лучи с длиной волны 495- 565 нм, а фикоцианин - 550- 615 нм. Сравнение спектров поглощения фи-кобилинов со спектральным составом света, в котором проходит фотосинтез у цианобактерий и красных водорослей, показывает, что они очень близки. Это позволяет считать, что фикобилины поглощают энергию света и, подобно каротиноидам, передают ее на молекулу хлорофилла, после чего она используется процессе фотосинтеза.

Наличие фикобилинов у водорослей является примером приспособления ор­ганизмов в процессе эволюции к использованию участков солнечного спектра, которые проникают сквозь толщу морской воды (хроматическая адаптация). Как известно, красные лучи, соответствующие основной линии поглощения хлоро­филла, поглощаются, проходя через толщу воды. Наиболее глубоко проникают зеленые лучи, которые поглощаются не хлорофиллом, а фикобилинами.

ФОТОСИНТЕЗ (12 часов)

Уже давно было подмечено, что лишенные окраски клетки и органы растения (например, корни) не способны фотосинтезировать. Особенно наглядны в этом отношении альбиносы (от лат. альбус - белый) - неокрашенные проростки, развивающиеся иногда у высших растений даже при хорошем освещении. Отсутствие окраски вызывается у таких растений какими-то внутренними факторами, препятствующими образованию особых красящих веществ - пигментов (от лат. пигментум - краска) при самых благоприятных для этого внешних условиях. При полном альбинизме, который довольно часто можно наблюдать у кукурузы, проростки не способны осуществлять фотосинтез и поэтому погибают от истощения вскоре после появления двух или трех листочков. Частичный альбинизм обычно встречается при пестролистности, когда белыми и не способными к фотосинтезу оказываются отдельные участки листа. Пестролистные формы отличаются своеобразной красотой и в связи с этим широко используются как декоративные растения.

Явление альбинизма у растений свидетельствует об огромной роли пигментов для фотосинтетической деятельности. Установлено, что процесс фотосинтеза связан прежде всего с поглощением света пигментами пластид. Энергия солнечной радиации сможет превратиться в химическую энергию образующихся при этом органических веществ только в том случае, если она сначала будет поглощена пигментами фотосинтезирующих систем и в первую очередь зеленым пигментом - хлорофиллом.

Пигменты фотосинтезирующих систем можно разделить на три основные группы: хлорофиллы, каротиноиды и фикобилипротеиды. Пигментный состав различных фотосинтезирующих систем неодинаков и зависит от принадлежности растения к той или иной систематической группе.

Важнейшие представители пигментов фотосинтезирующих систем у различных групп растений

Пигменты	Серобактерии		Водоросли					Высшие растения
	пурпурные	зеленые	сине-зеленые	красные	диатомовые	бурые	зеленые
Хлорофиллы
хлорофилл a	-	-	+	+	+	+	+	+
хлорофилл b	-	-	-	-	-	-	+	+
хлорофилл c	-	-	-	-	+	+	-	-
хлорофилл d	-	-	-	+	-	-	-	-
бактериохлорофилл	+	-	-	-	-	-	-	-
бактериовиридин	-	+	-	-	-	-	-	-
Фикобилипротеиды
фикоэритрин	-	-	+	+	-	-	-	-
фикоциан	-		+	+	-	-	-	-
Каротиноиды
β-каротин	-	-	+	+	+	+	+	+
лютеин				+	-	-	+	+
виолаксантии	-	-			-	+	+	+
фукоксантин	-	-	-	?	+	+	-	-

Условные обозначения:

+ наличие пигмента; - отсутствие; ? - очень малое количество; пустые клетки - не было исследований.

Для обозначения различных форм хлорофилла используются буквы латинского алфавита: а, b , с, d .

Из таблицы видно, что среди различных форм хлорофилла наибольшее распространение имеет хлорофилл a - обязательный компонент пластид всех фотосинтезирующих растений. Хлорофилл a отсутствует у пурпурных и зеленых серобактерий, для которых характерна наиболее примитивная форма синтеза органических веществ, так называемый бактериальный фотосинтез или фоторедукция. Эти бактерии восстанавливают CO 2 в анаэробных условиях до уровня органических веществ за счет энергии солнечного света с использованием сероводорода или некоторых других неорганических веществ, при этом не происходит выделения молекулярного кислорода. Вместо хлорофилла a пурпурные серобактерии содержат бактериохлорофилл, а зеленые серобактерии - бактериовиридин.

Строение пигментов

Изучение химических свойств хлорофилла a позволило расшифровать его структуру. Правильность предложенной структурной формулы подтверждена полным синтезом хлорофилла, осуществленным в 1960 г. почти одновременно в лабораториях М. Штрелля и Р. Вудварда. Основу молекулы хлорофилла составляют четыре пиррольных кольца (I, II, III и IV). Пиррол представляет собой пятичленное циклическое соединение. Остатки пиррольных колец, соединяясь между собой, образуют ядро молекулы хлорофилла, в центре которого помещается атом магния. Он соединяется с азотом пиррольных колец, причем два атома азота соединяются с магнием своими основными валентностями, а два других - дополнительными валентностями. Зеленый цвет хлорофилла как раз и определяется наличием металла в его молекуле. В этом легко убедиться, стоит только осторожно подействовать на спиртовую вытяжку хлорофилла кислотой. Магний замещается двумя атомами водорода из кислоты и получается бурый продукт - феофитин. Восстановить зеленый цвет вытяжки можно путем добавления какой-либо соли магния или другого двухвалентного металла.

Одной из специфических черт хлорофиллов является наличие в их молекуле добавочного кольца из пяти углеродных атомов (V). Кислотная, или карбоксильная, группа (-СООН) этого кольца соединена эфирной связью с метиловым спиртом (СН 3 ОН). Вторая карбоксильная группа, находящаяся около четвертого пиррольного кольца, соединена эфирной связью с другим спиртом - фитолом (С 20 Н 39 ОН).

Таким образом, по своей химической природе хлорофилл (см. его структурную формулу на обложке книги) - сложный эфир двухосновной кислоты хлорофиллина, в одном карбоксиле которой водород замещен остатком метилового спирта (-СН 3), а в другом - остатком фитола (-С 20 Н 39).

Интересно отметить, что наличие остатка фитола обусловливает липофильность молекулы хлорофилла, проявляющуюся в его растворимости в жировых растворителях. Кроме того, остаток фитола играет существенную роль в образовании комплексов хлорофилла с липоидами. Выделенный в чистом виде фитол напоминает бесцветную воскообразную массу.

По своей химической природе хлорофилл весьма близок к некоторым важным дыхательным ферментам, а также к красящему веществу крови - гему гемоглобина. Общность химической природы двух основных пигментов живых организмов, а именно хлорофилла растений и гемоглобина животных, заключается в том, что у гема также имеется ядро, состоящее из четырех соединенных друг с другом пиррольных колец, в центре которого находится атом металла, только у хлорофилла - это магний, а у гема - железо. Исследования С. Граника, Т. Н. Годнева и других ученых показали, что биосинтез хлорофилла и гема осуществляется на начальных этапах аналогичным путем из одних и тех же веществ. Эти факты сходства в строении в способе образования хлорофилла и гема гемоглобина еще раз указывают на родство происхождения столь отдаленных организмов, как растения и животные.

Помимо хлорофилла a, обладающего сине-зеленой окраской, в хлоропластах зеленых водорослей и высших растений обнаружена еще другая форма желто-зеленого цвета - хлорофилл b. В отличие от хлорофилла a, имеющего эмпирическую формулу C 55 H 72 O 5 N 4 Mg, хлорофилл b содержит лишь на два атома водорода меньше и на один атом кислорода больше. В структурном отношении это незначительное различие сводится к тому, что вместо метильной группы (-СН 3) при втором пиррольном кольце у хлорофилла b имеется альдегидная группа COH. Красные водоросли содержат два зеленых пигмента: хлорофиллы a и d, очень близкие по структуре. Они различаются только тем, что у хлорофилла d при первом пиррольном кольце стоит не винильная группа (-СН = СН 2), а альдегидная. У бурых и диатомовых водорослей вместо хлорофилла b содержится хлорофилл с, который в отличие от других форм лишен остатка фитола.

Пурпурные серобактерии имеют весьма близкий к хлорофиллу a бактериохлорофилл. Небольшое различие состоит в том, что у этого пигмента при первом пиррольном кольце находится вместо винильной ацетильная группа (-СО-СН 3), а также на два атома водорода больше во втором пиррольном кольце. Характерный для зеленых серобактерий бактериовиридин (иногда его называют хлоробиум-хлорофиллом) изучен пока недостаточно полно, состав и строение окончательно еще не установлены. Известно только, что он не дает характерных реакций на присутствие в его молекуле пятого кольца и содержит вместо фитола транс-фарнезол (C 15 H 26 O).

Наряду с хлорофиллами к постоянным компонентам комплекса пигментов фотосинтезирующих систем относятся каротиноиды. Обычно это желтые, оранжевые и светло-красные пигменты, которые хорошо растворяются в жирах и растворителях жиров, но не растворяются в воде. Как правило, их окраска маскируется интенсивным зеленым цветом хлорофиллов. Поэтому в природе только осенью, когда преимущественно происходит разрушение зеленых пигментов, листья желтеют и каротиноиды становятся доступными для непосредственного наблюдения.

К основным каротиноидам пластид относятся каротины, представляющие собой ненасыщенные углеводороды (эмпирическая формула C 40 H 56), и их кислородсодержащие производные - ксантофиллы.

Молекулы большинства каротиноидов имеют вид длинной углеродной цепи, которая часто заканчивается на одном или на обоих концах кольцом ионона. Атомы углерода соединяются друг с другом в длинную цепь посредством чередующихся одинарных и двойных связей. Такие связи называются конъюгированными, их наличие в молекуле обусловливает характерную окраску каротиноидов.

Пластиды высших растений и большинства водорослей содержат до восьми и больше различных каротиноидов. Кратко остановимся на характеристике некоторых из них.

Типичными, широко распространенными каротиноидами высших растений являются β-каротин, лютеин и виолаксантин. β-каротин - это желто-оранжевый пигмент. Название его происходит от латинского слова карота - морковь, в корнях которой отлагается значительное количество его в виде желто-оранжевых кристаллов. К β-каротину близок по составу и структуре лютеин. Это желтый пигмент из группы ксантофиллов, представляющий собой двухатомный спирт с эмпирической формулой С 40 Н 56 О 2 , причем обе спиртовые группы (-ОН) находятся в кольцах ионона. Другим близким к лютеину пигментом из группы ксантофиллов является виолаксантин с эмпирической формулой С 40 Н 56 О 4 . Он имеет в своем составе на два атома кислорода больше, чем лютеин. Установлено, что эти два атома кислорода входят в состав иононовых колец в виде добавочных эпокси-группировок (> O), отличающихся большой лабильностью и реакционной способностью.

К группе ксантофиллов относится также и фукоксантин (от лат. фукус - род бурых водорослей и от греч. ксантос - желтый), встречающийся у бурых и диатомовых водорослей. Он имеет оранжево-бурый цвет, близок по своим свойствам к лютеину и виолаксантину, однако состав и структура его окончательно еще не выяснены, поэтому в эмпирической формуле (С 40 Н 54-60 О 6) указывается возможное количество атомов водорода.

Набор каротиноидов в хроматофорах фоторедукторов (пурпурные и зеленые серобактерии) существенно отличается от такового в хлоропластах фотосинтетиков. Для фоторедукторов характерно отсутствие пигментов из группы ксантофиллов, содержащих эпокси-группировки. Основным каротиноидом зеленых серобактерий оказался желтый пигмент, γ-каротин, у которого имеется только одно иононовое кольцо. Что касается пурпурных серобактерий, то у них широко распространены ликопин и другие близкие к нему каротиноиды ациклического типа, не имеющие в своем составе ни одного иононового кольца.

Помимо хлорофиллов и каротиноидов, красные и сине-зеленые водоросли содержат еще дополнительные пигменты, хорошо растворимые в воде, так называемые фикобилипротеиды, к которым относятся фикоэритрины (красного цвета) и фикоцианы (сине-фиолетового цвета). Само название указывает на то, что в химическом отношении эти пигменты представляют собой сложные белки - протеиды. Небелковыми компонентами у них служат обусловливающие окраску фикобилины, которые связываются с белками в сложные комплексы. Связь небелковой группы с белком настолько прочна, что отделить фикобилины от белка можно лишь путем кипячения с сильными кислотами.

Небелковым компонентом у фикоэритринов является мезобилиэритрин, а у фикопианов - мезобиливиолин, структура которых представлена на рисунке. Как видно, фикобилины имеют в своем составе четыре пиррольных кольца, соединенных друг с другом в виде развернутой цепи, однако в деталях структура их окончательно еще не установлена. Важно подчеркнуть, что фикобилины весьма близки по своей химической природе к желчным пигментам животных.

Теперь кратко остановимся на вопросе о количественном содержании основных представителей различных групп пигментов и о их соотношении. Общее количество хлорофилла невелико и составляет в среднем около 1 % от сухого вещества листа, но оно может сильно варьировать, изменяясь у водорослей от 0,6 до 1,5%, а у высших наземных растений от 0,7 до 1,3%. Даже в пределах одного и того же растения разные листья часто значительно отличаются по содержанию зеленых пигментов, Хрофилла а всегда больше, на три его молекулы обычно приходится одна молекула хлорофилла b. Однако у теневых листьев и теневыносливых растений хлорофилла b больше, чем у светолюбивых. Так, у многих зеленых водорослей, произрастающих в условиях сильного затенения, среднее отношение хлорофилла a к хлорофиллу b снижается до 1,4. Вместе с тем их соотношение у исключительно светолюбивых растений в среднем доходит до 5,5.

В нормально развитых листьях каротиноидов гораздо меньше, чем. зеленых пигментов, примерно в 3-5 раз, а иногда даже еще меньше. Отношение же ксантофиллов к каротину может изменяться в зависимости от вида растений и условий их произрастания в очень широких пределах, от 1,8 до 15, но в среднем оно таково, что на 2-3 молекулы ксантофиллов приходится одна молекула каротина.

По данным В. Н. Люб именно, отношение фикоэритрина к хлорофиллу колеблется у разных видов красных водорослей от 0,06 до 0,66. Содержание фикоэритрина возрастает с увеличением глубины обитания этих водорослей. В среднем на одну квантосому приходится 230 молекул хлорофилла и 48 молекул каротиноидов.

Оптические свойства и состояние пигментов

Глубоко понять механизм процесса фотосинтеза возможно лишь на основе современных представлений о физических свойствах пигментов и их состоянии в живой клетке. Основная функция пигментов фотосинтезирующих систем заключается в поглощении света. Отсюда понятно то исключительно важное значение, какое имеет познание оптических свойств различных пигментов и в первую очередь их спектров поглощения.

Поглощение световой энергии пигментами осуществляется не сплошным, а избирательным образом и зависит от структуры молекулы данного пигмента. Явление это может наблюдаться как в видимой части солнечного спектра, так и в невидимых участках (инфракрасном и ультрафиолетовом), однако особый интерес представляют спектры поглощения пигментов только в интервале фотосинтетически активной радиации (380-720 ∙ 10 -9 м).

Хлорофиллы a, b, с, d, а также бактериовиридин имеют два основных максимума поглощения в красной и сине-фиолетовой частях спектра с незначительными различиями в их положении. Как видно на рисунке, у хлорофилла b максимум поглощения в красной части спектра несколько смещен в сторону коротковолновых лучей, а в сине-фиолетовой части, наоборот, в сторону длинноволновых лучей по сравнению с положением аналогичных максимумов у хлорофилла а.

Спектры поглощения растворов зеленых пигментов показывают, что сине-фиолетовые и красные лучи поглощаются интенсивно, тогда как зеленые и желтые - очень слабо, поэтому последние хорошо проходят через эти пигменты, обусловливая их цвет. Поскольку желтые лучи маскируются зелеными, окраска хлорофилла получается зеленая. Однако тот же самый раствор хлорофилла, имеющий в проходящих лучах зеленую окраску, в отраженном свете воспринимается как вишнево-красный благодаря явлению флуоресценции.

Флуоресценция (от англ. флуэреснт - свечение) представляет собой кратковременное свечение, прекращающееся практически одновременно с прекращением освещения данного вещества. Способность к такого рода свечению является очень важным оптическим свойством зеленых пигментов, указывающим на их значительную фотохимическую активность. Это свойство гораздо лучше обнаруживается не на живых листьях, а на растворах зеленых пигментов, потому что свечение хлорофилла, находящегося в клетках листа, примерно в 10 раз слабее, чем в растворе. Красное свечение хлорофилла легко наблюдать, если рассмотреть его вытяжку (например, спиртовую) со стороны падающего света, а за пробиркой с вытяжкой поместить черный фон, поглощающий все проходящие через нее лучи. При этом естественно возникает вопрос: почему окраска вытяжки хлорофилла в отраженном свете не такая, как в проходящем? Постараемся кратко объяснить это.

Свет поглощается дискретно, т. е. порциями в виде квантов, или фотонов. Энергию кванта (Е) можно выразить, как E = h ∙ v, где h - постоянная Планка, v - частота колебаний света, обратно пропорциональная длине волны. В основном, устойчивом состоянии молекулы хлорофилла каждый электрон находится на определенном энергетическом уровне и обладает соответствующим запасом энергии. Поглощение кванта света приводит к переходу электрона на более высокий энергетический уровень, при этом молекула становится возбужденной с избыточным количеством энергии. Однако время, в течение которого молекула существует в возбужденном состоянии, чрезвычайно мало, примерно 10 -9 сек, а следовательно, возбужденное состояние неустойчиво и вскоре происходит возвращение молекулы к более устойчивому состоянию с меньшим запасом энергии, или к исходному. Возбужденная молекула может терять энергию несколькими путями, наиболее важным из которых является путь превращения этой энергии в химическую энергию. Кроме того, энергия возбужденной молекулы может либо рассеиваться в виде тепловой энергии как внутримолекулярным, так и межмолекулярным путем, либо испускаться в виде кванта света. При флуоресценции возбужденные молекулы испускают кванты света, обладающие меньшей энергией, а значит, большей длиной волны по сравнению с теми квантами, которые вызывают это свечение. Каждое вещество испускает лучи определенной длины волны, т. е. имеет свой специфический спектр флуоресценции. По таким спектрам можно довольно легко отличить одно флуоресцирующее вещество от другого.

Спектр флуоресценции хлорофилла имеет только один основной максимум свечения, приходящийся на более длинноволновую красную область спектра в сравнении с максимумом поглощения в этой же области. Это значит, что при флуоресценции хлорофилл всегда испускает только длинноволновые красные лучи даже в том случае, когда он освещается синими или фиолетовыми лучами. Вот почему вытяжка хлорофилла имеет в отраженном свете темно-красную окраску.

Кроме зеленых пигментов, флуоресцировать способны и фикобилипротеиды, причем фикоциан в растворе обнаруживает красное свечение, фикоэритрин - оранжевое. Каротиноиды же обычно считаются не способными к флуоресценции.

Ученых давно интересовало, в каком состоянии находится хлорофилл в хлоропласте. Особое состояние пигментов в живой клетке убедительно доказывается, в частности, несовпадением их оптических свойств со свойствами растворов тех же самых пигментов, например несовпадением спектров поглощения, а также спектров флуоресценции. Максимумы поглощения хлорофиллов и ряда других пигментов, находящихся в живой клетке, оказываются сильно сдвинутыми в длинноволновую область по сравнению с максимумами поглощения света растворами этих пигментов. Так, раствор бактериохлорофилла имеет в инфракрасной области спектра только один максимум поглощения при 770-780 ∙ 10 -9 м (7700-7800 Å), тогда как этот же пигмент, но находящийся в клетках пурпурных серобактерий, обнаруживает три максимума поглощения, причем все они приходятся на более длинноволновый участок инфракрасных лучей: 800, 850 и 890 ∙ 10 -9 м (8000, 8500 и 8900 Å). Максимум флуоресценции бактериохлорофилла живых клеток также значительно сдвинут в длинноволновую часть и приходится на 900-920 ∙ 10 -9 м вместо 780-790 ∙ 10 -9 м - положения максимума флуоресценции этого пигмента в растворе.

До недавнего времени широкое распространение имело положение, высказанное крупнейшим специалистом в области фотосинтеза В. Н. Любименко, что особое состояние зеленых пигментов в живой клетке обусловливается связью их с белками. Однако сейчас накопилось достаточно экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что специфику оптических свойств хлорофиллов живых клеток недостаточно объяснить только связью их с белками. А. А. Красновский, Т. Н. Годнев и другие установили возможность существования одного и того же пигмента живой клетки в нескольких формах, причем некоторым из них свойственно агрегированное состояние с разным характером упаковки молекул. Оказалось, что положение максимумов поглощения на спектрах хлорофилла а, бактериохлорофилла и бактериовиридина зависит от характера агрегации. В качестве примера, иллюстрирующего влияние агрегации пигмента на его спектры, приведем результаты опытов по изучению бактериохлорофилла, находящегося в живых клетках (пурпурные бактерии) и модельных системах; эти опыты проведены А. А. Красновским с сотрудниками. В некоторых случаях модельными системами служили твердые пленки, которые получались путем выпаривания эфирного раствора бактериохлорофилла в вакууме, т. е. в условиях, заведомо содействующих агрегации молекул пигмента.

Хорошее совпадение спектров поглощения и спектров флуоресценции твердых пленок этого пигмента с соответствующими спектрами пурпурных бактерий указывает на наличие в живых клетках агрегированных форм бактериохлорофилла. В настоящее время считается, что пурпурные бактерии содержат три различно агрегированные формы зеленого пигмента. В соответствии с положением основных максимумов поглощения в инфракрасной части спектра при 800, 850 и 890 ∙ 10 -9 м эти формы бактериохлорофилла принято обозначать как Б800, Б850 и Б890.

Проблема множественности форм хлорофилла приобрела исключительно важное значение после того, как было установлено, что первичный процесс фотосинтеза включает в себя не одну фотохимическую реакцию, а две и что различные формы пигмента могут осуществлять самостоятельно специфические функции.

Спектры всех каротиноидов в видимой области характеризуются двумя или тремя интенсивными полосами поглощения в сине-фиолетовой части. Спектры поглощения фикоэритрина и фикоциана близки между собой, их максимумы приходятся на зеленую и желтую части спектра, располагаясь между двумя основными полосами поглощения зеленых пигментов. Это позволяет считать, что фикобилипротеиды наряду с каротиноидами являются дополнительными пигментами к хлорофиллу.

Адаптация к условиям освещения

Фикоциан и фикоэритрин как дополнительные пигменты играют существенную роль в адаптации (приспособлении) растений к условиям освещения, обеспечивая наилучшее использование солнечной энергии для фотосинтеза.

Адаптацию к качеству и интенсивности света можно наглядно видеть на примере вертикального распределения морских водорослей в зависимости от их окраски: в самых поверхностных слоях воды преобладают зеленые водоросли, в самых глубоких - красные, бурые водоросли занимают промежуточное положение. Такое распределение водорослей вызывается следующими причинами. Спектральный состав и интенсивность солнечного света, проходящего через толщу воды, претерпевают большие изменения. Поглощаясь избирательно, солнечный свет обедняется в первую очередь красными лучами, и на глубине в несколько метров он становится синевато-зеленоватым, практически лишенным красных лучей, которые полностью гасятся на глубине примерно 20 м. В связи с этим появление в процессе эволюции дополнительных к хлорофиллу пигментов, интенсивно поглощающих зеленые и желтые лучи, обеспечило красным и бурым водорослям возможность использования для фотосинтеза тех участков солнечного света, которые достигают больших глубин. Можно сказать, что наличие у бурых и красных водорослей дополнительных пигментов следует рассматривать как специальное приспособление к условиям освещения, и в первую очередь как хроматическую адаптацию к наилучшему использованию лучей преобладающей окраски, проходящих через толщу воды.

Кроме того, при прохождении света через толщу воды резко снижается и его интенсивность. Так, свет, проникающий на 20-метровую глубину, ослаблен по сравнению с освещенностью водной поверхности примерно в 20 раз. Поэтому у глубоководных морских водорослей, помимо хроматической адаптации, хорошо выражено также и приспособление к использованию света очень низкой интенсивности. Глубоководные водоросли с полным основанием могут быть отнесены к типичным «тенелюбивым» растениям с высоким содержанием пигментов, в связи с чем прямой солнечный свет повреждает их.

Что касается наземных растений, то у них первостепенное значение имеет адаптация к интенсивности света, поскольку интенсивность света подвержена колебаниям в большей мере, чем его спектральный состав. Хроматическая адаптация выражена у них слабо и проявляется в изменении соотношений между разными пигментами хлоропластов, главным образом между хлорофиллом a и хлорофиллом b, а также между хлорофиллами и каротиноидами.

Адаптация к интенсивности света у наземных растений проявляется в существовании тенелюбивых и светолюбивых типов. У тенелюбивых растений, произрастающих, например, под пологом леса, хорошо выражена адаптация к условиям слабого освещения. Как известно, затененные листья отличаются гораздо более высоким содержанием зеленых пигментов в целом, что содействует лучшему поглощению света низкой интенсивности. Кроме того, листья теневыносливых растений содержат больше хлорофилла Ь, ив этом как раз нетрудно усмотреть приспособление к несколько измененному спектральному составу света, проникающего под полог леса. В тени под нависающей сверху листвой рассеянный свет относительно обогащен коротковолновыми лучами в области 450-480 ∙ 10 -9 м, которые интенсивно поглощаются хлорофиллом 6, иногда называемым в связи с этим теневым зеленым пигментом.

Биосинтез пигментов

Исключительно большие успехи достигнуты за последние 20 лет в области изучения биосинтеза пигментов. Особенно глубоко к настоящему времени изучен биосинтез хлорофилла. С помощью меченых атомов, бумажной хроматографии и других современных методов исследования удалось почти полностью расшифровать химизм всех основных этапов формирования молекулы хлорофилла, определить их последовательность, а также выяснить условия, необходимые для протекания тех или иных реакций, и ферментные системы, катализирующие отдельные реакции. Мы не имеем возможности остановиться здесь подробно на всех реакциях биосинтетической цепи хлорофилла, опишем лишь вкратце основные этапы и приведем структурные формулы важнейших промежуточных соединений.

Начальный этап биосинтеза молекулы хлорофилла a включает ряд реакций, в результате которых из несложных органических веществ - аминокислоты гликокола (NH 2 -СН 2 -СООН) и янтарной кислоты (НООС-СН 2 -СН 2 -СООН) - возникает δ-аминолевулиновая кислота, а при конденсации двух молекул этой кислоты образуется порфобилиноген.

Один из следующих важных этапов складывается из реакций, приводящих сначала к синтезу основного структурного ядра хлорофилла путем соединения четырех молекул порфобилиногена, а затем к образованию протохлорофиллида а, имеющего уже в своем составе атом магния. После этого происходит восстановление протохлорофиллида, присоединяющего два атома водорода за счет двойной связи четвертого пиррольного кольца, и превращение его в хлорофиллид а. Для подавляющего большинства видов растений эта реакция является фотохимической и происходит только в присутствии света. Исключение составляют многие водоросли, а также некоторые представители мхов и папоротников, у которых реакция восстановления может осуществляться и в темноте.

Вслед за фотохимическим восстановлением имеет место присоединение к хлорофиллиду а фитола, которое не нуждается в присутствии света, но осуществляется при участии фермента хлорофиллазы. Присоединение фитола - это заключительный этап биосинтетической цепи, на котором хлорофиллид а превращается в хлорофилл а.

Раньше считалось, что к протохлорофиллиду сначала присоединяется не водород, а фитол, а затем уже образующийся при этом протохлорофилл восстанавливается фотохимически до хлорофилла. Получалось, что непосредственным предшественником хлорофилла следовало признать протохлорофилл. Сравнительно недавно было установлено, что хотя образование протохлорофилла в растении таким путем и не исключается, однако последний этап биосинтеза хлорофилла осуществляется главным образом через хлорофиллид, который служит основным предшественником хлорофилла.

С помощью меченых атомов показано, что хлорофилл a является в свою очередь предшественником хлорофилла b. При этом одновременно было доказано, что биосинтез хлорофилла b из хлорофилла а не нуждается в обязательном участии света и может происходить даже в полной темноте.

Хлорофилл с может образовываться в растениях, согласно предположению С. Граника, из протохлорофиллида а, поскольку оба эти соединения имеют невосстановленное четвертое пиррольное кольцо и лишены фитольного остатка.

Биосинтез каротиноидов изучен пока недостаточно полно и не все его звенья установлены окончательно. До сих пор не расшифрован химизм отдельных реакций и не выявлена природа соединений, которые служат непосредственными предшественниками различных каротиноидов. Лучше всего изучены начальные этапы, и можно считать окончательно доказанным, что биосинтез каротиноидов и фитола идет одним и тем же путем по крайней мере до образования мевалоновой кислоты.

Установлено также, что свет стимулирует биосинтез как каротиноидов, так и фитола. Хотя образование этих веществ протекает интенсивнее на свету, свет все-таки не обязателен для их биосинтеза. Дальнейшие этапы перехода от мевалоновой кислоты, имеющей в своем составе шесть углеродных атомов, к фитолу, содержащему двадцать углеродных атомов, и тем более к каротиноидам, содержащим сорок углеродных атомов, окончательно еще не установлены и трактуются по-разному.

В ходе исследования биосинтеза зеленых пигментов возникло представление о возможной связи между образованием и разрушением молекул хлорофилла. В дальнейшем с помощью изотопного метода Ф. В. Турчину, В. М. Кутюрину, А. А. Шлыку и другим удалось обнаружить и изучить процесс обновления хлорофилла. По мнению А. А. Шлыка, полученные экспериментальные данные позволяют говорить пока что о главном способе обновления хлорофилла - через распад молекул, ранее образовавшихся, и полный синтез новых. Скорость обновления может изменяться в зависимости как от вида растения, так и от условий произрастания. По предварительным данным, в течение суток обычно обновляется около 10% общего числа всех имеющихся молекул. Однако в некоторых случаях скорость обновления может быть очень низкой, граничащей с полной приостановкой этого процесса.

С помощью изотопного метода выяснена также особая роль только что синтезированных («молодых») молекул в обмене хлорофилла. Особая роль «молодых» молекул обусловлена тем, что они находятся в более реакционноспособном, более лабильном (подвижном) состоянии, чем «старые» молекулы. Причем повышенной лабильностью обладают «молодые» молекулы хлорофилла a и хлорофилла b. Об этом свидетельствуют различия в свойствах «молодых» и «старых» молекул. Например, «молодые» молекулы хлорофилла a легче экстрагируются органическими растворителями, легче теряют окраску и разрушаются при действии кислот, ультразвука или при отсутствии света, а также легче превращаются в хлорофилл b.

Биосинтез пигментов представляет собой цепь процессов, которые протекают не изолированно и самостоятельно, а находятся во взаимосвязи со всем обменом веществ и жизнедеятельностью растительного организма. Большое влияние на биосинтез пигментов оказывает также действие различных факторов внешней среды, в том числе и действие света, о чем говорилось выше. Так, образование хлорофилла возможно только при наличии кислорода в окружающей среде. Отсутствие кислорода тормозит этот процесс, как и понижение температуры. По данным Т. Н. Годнева и его сотрудников, синтез хлорофилла у некоторых вечнозеленых растений может наблюдаться при температуре не ниже -2°, а каротиноидов - не ниже -5°, в то время как способность осуществлять фотосинтез сохраняется у этих видов растений даже при - Небольшое влияние на образование хлорофилла оказывают условия минерального питания. Широко известно явление хлороза у растений (от греч. хлорос - зеленовато-желтый, бледный), когда листья бедны хлорофиллом и имеют желтоватую окраску. Наиболее часто хлороз вызывается отсутствием или недостатком в питательной среде железа, но эта связь наблюдается не всегда. Хлоротичные растения могут развиваться и при недостатке или отсутствии в окружающей среде магния, меди, серы, калия и некоторых других элементов минерального питания. Недостаток калия вызывает хлороз, так же как и избыточные количества этого элемента при недостаточно хорошем азотном питании. При недостатке азота наблюдается резкое ослабление синтеза хлорофилла. Отсутствие или недостаток магния в почве также неизбежно вызывает хлороз растений, поскольку этот элемент входит в состав молекулы хлорофилла.

Значение хлорофилла и каротина для медицины

Хлорофилл и другие пигменты независимо от их роли и значения для фотосинтеза сами по себе являются ценными органическими веществами. Очень важна близость химического состава каротина и витамина А. Каротин можно рассматривать как провитамин А, поскольку при расщеплении его молекулы пополам с присоединением кислорода образуется две молекулы этого витамина. У животных такое расщепление каротина до витамина А происходит при участии особого фермента - каротиназы, который содержится в их печени.

Все более широкое применение в медицине в последнее время находит и хлорофилл. Ценные терапевтические свойства хлорофилла, вероятно, можно объяснить тем, что по своему строению он весьма близок к красящему веществу гемоглобина крови. Поэтому нет ничего неожиданного в том, что в организме человека и животных хлорофилл содействует усиленному образованию гема гемоглобина крови, а также способствует заживлению ран. Кроме того, оказалось, что свойства хлорофилла и витаминов во многом сходны.