Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Фотосинтез: фізіолого-біохімічні та екологічні аспекти
Фотосинтетичні пігменти

Пігментами називають сполуки, які вибірково поглинають світло у видимій (400-700 нм) частині спектра. Непоглинені ділянки сонячного спектру відбиваються, що і зумовлює забарвлення пігмента. Як відомо, зелений пігмент хлорофіл поглинає червоні і сині промені, тоді як зелені, в основному відбиваються. Пігменти пластид належать до трьох класів: хлорофіли, каротиноїди та фікобіліни. Найважливішу роль в процесі фотосинтезу відіграють зелені пігменти — хлорофіли. В даний час відомо близько десяти хлорофілів, які відрізняються хімічним складом, забарвленням, поширенням серед живих організмів (табл. 4). Основними пігментами, без яких фотосинтез не відбувається, є хлорофіл «а» для зелених рослин та бактеріохлорофіл для фо- тотрофних бактерій.

Таблиця 4. Розповсюдження основних фотосинтетичних пігментів у рослинному царстві

Знаки до таблиці

а) «+» і «—» означають наявність і відсутність пігменту відповідно.

б) таксономічна належність синьо-зелених водоростей досі обговорюється: одні вчені відносять їх до бактерій, як прокаріоти, і тому називають їх ціанобактеріями, інші дослідники залишають їх у числі водоростей на тій підставі, що фотосинтез у них більш схожий на рослинний, ніж бактеріальний (ці організми виділяють кисень і мають дві фотосистеми). Вони не мають хлоропластів, бо належать до прокаріот

Хлорофіли — це складні ефіри дикарбонової кислоти хлорофіліну, в якої одна карбоксильна група етирифікована залишком метилового спирту, а друга — залишком спирту фітолу:

Методом хроматографічного аналізу хлорофіли було розділено на хлорофіл а — C₅₅H₇₂O₅N₄Mg та хлорофіл b C₅₅H₇₀O₆N₄Mg.

Основу молекули становить порфіринове ядро, що складається з чотирьох пірольних кілець,

атоми азоту яких сполучені в центрі з магнієм. По периферії пірольні кільця зв’язані між собою метиновими містками (≡С— Н— ). Крім того, є додаткове п’яте циклопентанове кільце, яке містить кетогрупу (≡С— О— ).

Гідрофільні властивості хлорофілу пов’язані з його азотовмісним порфіриновим ядром — «головкою» молекули. Довгий вуглецевий ланцюг («хвіст» фітолу), який приєднується до порфіринової частини молекули, надає хлорофілу гідрофобних властивостей. Здатність фітолу розчинятись в жирах має важливе значення для збереження структури хлоропластів. Саме завдяки наявності залишку фітолу хлорофіли добре розчинні в спирті, бензині, ацетоні та нерозчинні в воді. Протилежні властивості цих частин молекули відіграють важливу роль при локалізації хлорофілу в ламелах хлоропласта між білками та ліпідами. Структурна формула хлорофілів представлена на рис. 38.

Рис 38. Структурна формула хлорофілів

Хлорофіл а наявний в хлоропластах або в аналогічних структурах в усіх фотосинтезуючих організмах, за винятком бактерій, які містять бактеріохлорофіл а.

Всі вищі рослини та зелені водорості містять також хлорофіл b. Різниця між ними полягає в тому, що у хлорофілу b біля третього атома вуглецю другого пірольного кільця замість метильної групи (-СН₃), яка характерна для хлорофілу а, приєднана альдегідна (-СОН) група. Ці два хлорофіли відрізняються також за забарвленням: хлорофіл а — має синьо-зелений відтінок, тоді як хлорофіл b — жовто-зелений. Вміст хлорофілу а в листку приблизно втричі більше по відношенню до хлорофілу b.

Хлорофіл електрично нейтральний, бо подвійний позитивний заряд магнію компенсується двома надлишковими електронами, які розподілені між чотирма атомами азоту пірольних кілець.Якщо в молекулі хлорофілу видалити фітол, одержимо хлорофілід.

При заміщенні атома Мд²⁺ воднем утворюється феофітин.

У різних представників рослинного світу зустрічаються й інші види хлорофілів та інших пігментів (дивись табл. 4). Різні види хлорофілів розпізнають за допомогою їхніх спектральних характеристик (рис. 39). Так, бактеріохлорофіл а має спектр поглинання з максимумами 400, 600 та 700 нм. Спектри поглинання у різних груп хлорофілів залежать від характеру заміщуючої групи біля пірольних кілець та типу органічного розчинника. Завжди відрізняються чітко два

Рис. 39. Спектральна характеристика пігментів

максимуми поглинання: в області коротких хвиль та відповідно в довгохвильовій. Наприклад, хлорофіл а — 420 та 662 нм, а хлорофіл b — 455 та 644 нм. В листку спектри поглинання хлорофілу змінюються в залежності від його стану, ступеню агрегації, адсорбції на певних білках. Виявлено форми хлорофілів, які поглинають світло з довжиною хвилі 700, 710 і навіть, 720 нм. Хлорофіл володіє здатністю до флуоресценції, яка викликається опроміненням його і триває короткий період часу (10 ^-8—10^-9 с).

Хлорофіл в живій інтактній клітині володіє здатністю до фотоокислення і фотовідновлення. Здатність до окислювально-відновних реакцій пояснюється наявністю в молекулі хлорофілу подвійних зв’язків з рухливими π-електронами та атомів азоту з неподіленими електронами. Азот пірольних кілець може окислюватися (віддавати електрони) або відновлюватись (приймати електрони). Важливою властивістю хлорофілів є їх здатність до взаємодії один з одним, тому в хлоропластах можуть зустрічатися хлорофіли як в мономерній, так і в агрегованій формі. Перехід із мономерної форми в агреговану виник в результаті взаємодії двох і більше молекул при їх близькому розташуванні. Встановлено, що хлорофіл в мембранах пластид перебуває у вигляді пігмент-ліпопротеїдних комплексів з різним ступенем агрегації. Особливості спектра дії фотосинтезу свідчать про те, що в процесах поглинання світла беруть участь і додаткові пігменти.

Каротиноїди. Поряд із зеленими пігментами в хлоропластах знаходяться і пігменти, що відносяться до групи каротиноїдів. Вперше ці жовті пігменти в 1837 р. виділив Й.Я. Берцеліус з осінніх листків, а пізніше він виявив їх і в зеленому листку. Каротиноїди — це найпоширеніші в рослинному світі жовті, оранжеві та червоні пігменти аліфатичної будови. Вони — обов’язковий компонент фотосинтетичного апарата.

За хімічною природою всі вони є полімерами вуглеводню ізопрену:

і складають ланцюг із 40 вуглецевих атомів (рис. 40).

Рис. 40. Структурні формули каротиноїдів

Довжина ланцюгів досягає 3 нм і часто закінчується шестичленними циклами. Каротиноїди можуть бути ациклічними, моноциклічними або біциклічними. Окислені форми каротиноїдів називають ксантофілами. Ксантофіли складають близько 50% всіх каротиноїдів листка.

В хлоропластах вищих рослин поряд з хлорофілами найчастіше зустрічаються β-каротин (С₄₀Н₅₆) і ксантофіли — лютеїн (С₄₀Н₅₆О₂) та віолаксантин (С₄₀Н₅₆О₄). В значних кількостях зустрічається також α-каротин та неоксантин.

Як каротини, так і ксантофіли характеризуються гідрофобними властивостями, тому вони добре розчинні в жирах, що дає їм змогу формувати комплекси в ліпідному прошарку мембрани. Ксантофіли характеризуються більш різноманітною структурою порівняно з каротинами, бо до складу їх можуть входити різноманітні групи, що містять О₂, а саме: гідроксильні, метоксильні, кетогрупи та ін. Між собою ксантофіли відрізняються лише ступенем окисленості. Під впливом світла можливе взаємоперетворення каротиноїдів:

Як допоміжні пігменти фотосинтетичного апарата каротиноїди забезпечують поглинання квантів в синій області спектра (420-490 нм) та деякою мірою в зеленій (490-550 нм). Макси-

муми поглинання залежать від замісників біля вуглецевого скелета, типу розчинника та кількості подвійних зв’язків. В амплітуді від 400 до 550 нм вони, як правило, мають дві-три смуги поглинання.

Отже, каротиноїди розширюють спектр дії фотосинтезу, забезпечуючи поглинання від 10 до 20% енергії сонячних квантів, причому до 50% поглинається в короткохвильовій області — зоні високих енергій. Ці пігменти виконують функцію світлозбирачів, передаючи енергію свого електроннозбудженого стану до хлорофілу а. Зворотний процес передачі неможливий. Слід підкреслити, що каротиноїди, на відміну від хлорофілів, не здатні до флуоресценції.

Такі каротиноїди, як віолаксантин, зеаксантин та інші, поглинаючи світло в короткохвильовій високоенергетичній частині спектра, виконують захисну функцію, виступаючи в ролі хімічних буферів в реакціях фотосинтезу. Можливий механізм захисту полягає в тому, що каротиноїди здатні реагувати із збудженою молекулою хлорофілу, забираючи від неї енергію, чим попереджають її фотоокислення. Енергія фотозбудженої молекули хлорофілу переходить до каротиноїду, хлорофіл набуває нормального енергетичного стану, а енергія виділяється у вигляді тепла. Цим самим вони оберігають хлорофіл та інші біологічно активні сполуки від фотоокислення. Слід згадати, що їм належить ще одна специфічна функція в регулюванні фотосинтетичного апарата рослинного організму. Справа в тому, що хлоропласти переміщуються в клітині під впливом синіх променів, які знову ж таки поглинаються каротиноїдами.

Фізіологічна роль каротиноїдів не обмежується їх участю в передачі енергії на молекули хлорофілів. Каротиноїди - переносники активного кисню, вони беруть участь в окислювально- відновних реакціях завдяки наявності значної кількості подвійних зв’язків. Вони відіграють певну роль у статевому процесі рослин, забезпечують забарвлення пелюсток квітів, плодів, коренеплодів. Залишається мало з’ясованою роль їх в кисневому обміні, участь у формуванні фотоперіодичної реакції, в ростових процесах, зокрема, під час проростання насіння, в проявах фототаксису та фототропізму.

Фікобіліни. Такі фотосинтезуючі організми, як синьозелені водорості, червоні та деякі інші представники водоростей окрім хлорофілів та каротиноїдів мають ще одну групу допоміжних пігментів — фікобіліни. Цю назву вони одержали завдяки тому, що вони подібні до тваринних пігментів — білірубінів. Білінами називають широко поширені в природі тетрапіроли з відкритим ланцюгом, без металу, які в тваринному царстві часто зустрічаються як нефункціональні ката- боліти гема. Рослинні біліни (фікобіліни), навпаки, відіграють важливу роль як сенсибілізатори і фоторецептори, що забезпечується їх ковалентним зв'язком з апобілками. Отже, подібно до хлорофілів, фікобіліни — тетрапіроли, але чотири залишки піролу в них створюють незамкнутий витягнутий або згорнутий ланцюг. Піроли з’єднуються за участю метиленових та метинових містків, тоді як хромофорні групи, як правило, ковалентно зв’язані білком. Хромофорною групою фікоціанінів виступає фікоціанобілін, фікоеритринів — фікоеритробілін (рис. 41).

Рис. 41. Хромофорні групи фікоціанінів та фікоеритринів

Вони відрізняються між собою лише взаєморозміщенням пірольних та піроленінових кілець. В фікобіліпротеїнах одна молекула білка може зв’язувати кілька хромофорних груп.

Фікоеритробілін в сполученні з білком називають фікоеритрином. Він добре розчинний у воді, поглинає кванти зеленої частини спектра Фікоеритробіліни (С₃₄Н₄₇N₄О₈) зустрічаються переважно у червоних водоростей. Вони і визначають забарвлення їх, адже фікоеритрини — білки червоного кольору, які мають максимуми поглинання 500 568 нм.

Фікоціанобіліни (С₃₄Н₄₂N₄О₉) характерні для синьозелених, причому фікоціаніни мають максимуми поглинання дещо зсунуті в більш довгохвильову область від 585 до 630 нм

Фікоеритрин і фікоціанін складаються із двох різних білкових субодиниць, які позначають відповідно а (мол. маса 19000) і р (мол. маса 21000) у співвідношенні 1:1. Кожна з білкових субодиниць несе ковалентно зв’язаний з нею фікобілін. Як правило, фікобіліни, зв’язані з однією субодиницею, належать до одного типу, тобто до фікоеритробілінів або до фікоціано- білінів; в результаті бувають або червоні, або сині субодиниці.

Третьою групою фікобілінів є аллофікоціаніни — пігменти з максимумами поглинання від 585 до 650 нм, хромофорну групу їх поки що не визначено. Цю свою назву вони одержали завдяки тому, що спочатку їх приймали за одну з форм фікоціаніну. На відміну від інших фікобіліпротеїнів їхня молекула складається лише з одного типу білкових одиниць (мол. маса 15 000), причому кожна субодиниця несе одну молекулу аллофікоціаніну. Аллофікоціанін характерний для синьозелених, хоча зустрічається також у червоних та криптомонадових водоростей. В цілому ж поширення окремих типів пігментів фікобілінів серед синьозелених, червоних та бурих водоростей досить специфічне.

Необхідно відмітити, що на відміну від хлорофілів та каротиноїдів, локалізованих у ламелах, фікобіліни концентруються або в стромі, або формують особливі впорядковані ансамблі на поверхні тилакоїдних мембран — фікобілісоми (рис. 42).

Рис. 42. Модель фікобілісоми: аф — аллофікоціанін

Як правило, в більшості водоростей фікобіліни присутні в значно більшій концентрації порівняно з хлорофілами, тому саме вони і визначають забарвлення їх. Між собою вони також зустрічаються в різних співвідношеннях, причому залежно від умов освітлення формується переважно такий набір пігментів, який найкраще використовує відповідний спектр.

Основна функція пігментів даної групи — виконувати роль світлозбираючої антени та забезпечувати ефективну передачу поглинутої ними енергії сонячного світла до хлорофілів а.

Вони відіграють значну роль в так званому явищі філогенетичної хроматичної адаптації водоростей в їхній вертикальній зональності Як відомо, червоні промені, що відповідають основній лінії поглинання хлорофілу, поглинаються, проходячи товщу води. Вже на глибині 34 м зникають червоні промені, 177 м — жовті, 322 м — зелені, 500 м — сині та фіолетові Відповідно до цього певні екологічні ніші займають спочатку зелені, далі синьозелені і, нарешті, червоні водорості. Наявність фікобілінів дозволяє водоростям в процесі фотосинтезу використовувати ті промені, які до них проникають.

Оптичні властивості фотосинтетичних пігментів. Оптичні властивості пігментів зумовлені спільною для всіх них структурою. Як основні, так і допоміжні пігменти характеризуються чітко вираженим чергуванням подвійних та одинарних зв’язків. Кожному зв’язку відповідають два електрони. При кожному атомі вуглецю знаходиться 8 валентних електронів, які спільні для даного атома С та для сусідніх атомів. Між кожною парою атомів С знаходиться пара електронів, які утворюють σ-зв’язок. Крім того, є пара π-електронів, яка може переміщуватися по всьому вуглецевому ланцюжку (так званий резонанс). Завдяки резонансу молекула хлорофілу набуває додаткової стабільності. Спарені електрони пов’язані з усією системою спряжених подвійних зв’язків, а не з окремими атомами, тому вони легко збуджуються квантами світла. Енергія та-

кого збудження настільки незначна, що вона легко забезпечується променями денного світла (380-720 нм).

Порфірини — найбільш стабільні та інертні органічні речовини. В порфіриновому ядрі хлорофілу система спряжених зв’язків замкнута і л-електрони можуть циркулювати, тобто характеризуються ще більшою свободою переміщення, ніж в каротиноїдах. Крім того, порівняно з каротиноїдами, у хлорофілів є додаткові можливості для поглинання світла. Адже у кожного атома азоту три пари електронів спільні для сусідніх атомів вуглецю (С). Крім того, знаходиться ще одна пара електронів на орбіталі, що направлена до магнію. Це так звані п-електрони, які також здатні поглинати кванти.

Біосинтез пігментів фотосинтетичного апарата рослин. Фотосинтетичні пігменти — досить складні органічні сполуки, тому процес біосинтезу їх включає цілий ряд етапів. Хлорофіли, як і близькі до них за хімічними властивостями цитохроми (Fe-порфирини) характеризуються єдиним процесом синтезу від простих складових до тетрапірольних структур (виразний приклад єдності шляхів метаболізму у тварин і рослин). З іншого боку, шляхом тетрапірольного синтезу утворюються і інші речовини, які використовують світло як сигнал(наприклад, фітохромна система), так що тетрапірольні структури формують майже весь світлозалежний енергетичний та інформаційний апарат рослин. В розвиток уявлень про етапи біосинтезу хлорофілів значний вклад внесли праці Т.М. Годнєва та О.А. Шлика. Доведено, що в мембранах етіопластів та хлоропластів локалізовані специфічні центри біосинтезу пігментів, де і зосереджуються їхні попередники — протохлорофіліди та хлорофіліди. Реакції, що забезпечують синтез протохлорофіліду, відбуваються за відсутності світла, тоді як утворення із протохлорофіліду хло- рофіліду вимагає освітлення.

Передбачають, що біосинтез порфіринів (рис. 43) відбувається в три етапи:

1. Синтез З-амінолевулінової кислоти (АЛК) з С₅-дикарбонових (глутамінової, можливо, α-кетоглутарової) кислот;

2. Циклізація двох молекул АЛК з утворенням піролу порфобіліногену;

3. Утворення та циклізація тетрапіролу, формування магнійпротопорфірину, ферментативна етерифікація хлорофіліду фітолом.

У прокаріот і евкаріот АЛК синтезується із різних джерел: прокаріоти використовують для її синтезу гліцин та сукциніл-КоА, при цьому гліцин є, перш за все, джерелом азоту для побудови пірольних кілець. Евкаріоти використовують різноманітні С₅ сполуки, зокрема глутамат, який спочатку фосфорилується, а потім відновлюється.

Синтез АЛК локалізований в хлоропластах, хоч самі ферменти потрібні для цього, синтезуються в цитоплазмі клітини під контролем ядерних генів, а потім транспортуються в хлоропласти. На першому етапі глутамінова кислота через 2-гідрооксиглутарову перетворюється на 4,5-діоксивалеріанову, яка потім амінується за рахунок аланіну чи інших амінокислот. Можливі й інші шляхи синтезу АЛК, які, ймовірно, локалізовані в різних компартментах клітини і порізно- му регулюються. Здебільшого саме синтез АЛК обмежує швидкість біосинтезу хлорофілів, тому регуляція утворення даного проміжного продукту — надзвичайно важливий етап формування фотосинтетичного апарата рослин.

На другому етапі відбувається альдольна конденсація двох молекул АЛК з наступною ізомеризацією спочатку до піролу, а потім до порфобіліногену. На третьому етапі, із чотирьох піролів синтезується уропорфіриноген, який поетапно перетворюється на протопорфірин IX. Отже, на цьому етапі в результаті полімеризації чотирьох молекул порфобіліногену виникає тет- рапірол, а пізніше при замиканні кільця утворюється уропорфіриноген І та II. Перетворення порфобіліногену на уропорфіриноген III каталізується уропорфіриноген-1-синтетазою при наявності іншого білка КоА-синтетази.

Характерно, що в рослинній клітині лінійні тетрапіроли можуть бути хромофорними групами фітохрому, а циклічні можуть використовуватися для біосинтезу порфіринів, цитохромів, каталази чи пероксидази.

Уропорфіриноген III через серію реакцій окислення та декарбоксилування перетворюється на протопорфірин іХ. Завершальні етапи синтезу хлорофілів із протопорфірину IX повністю ще не з’ясовано. Відомо, що першою стадією, ймовірно, є ферментативне введення в молекулу атома магнію, за ним метилування пропіонатного бічного ланцюга, насичення вінільної групи в кільці піролу IV, далі відбувається замикання кільця V з утворенням протохлорофілу.

Нарешті, на останньому етапі формування молекули хлорофілу а відбувається етерифікація фітолом, який синтезується з ацетил-КоА через мевалонову кислоту.

Не зважаючи на багато зусиль різних вчених, нікому до цього часу не вдалося вирішити, здавалося б, просте завдання, яким чином здійснюється біосинтез хлорофілу b . Цей хлорофіл, який завжди є в зелених листках, ймовірно, утворюється з хлорофілу а шляхом заміщення метильної групи СН₃ при кільці II на альдегідну СНО^-. Однак очевидний шлях (через окислення молекули хлорофілу а) не доведений, а ніякого іншого шляху поки що не виявлено.

Доведено, що швидкість синтезу та розпадання молекули хлорофілу приблизно однакова, тому його фонд постійно оновлюється в хлоропласті. Нагадаємо, що в 1960 р. Р. Вудворд та М. Штрель здійснили штучний синтез молекули хлорофілу.

Рис. 43. Основні етапи біосинтезу хлорофілу

Важливе значення для синтезу хлорофілів має мінеральне живлення рослин. Передусім необхідна достатня кількість заліза — каталізатора синтезу хлорофілів. Воно необхідне на етапі синтезу амінолевулінової кислоти та протопорфіринів. Має бути нормальне забезпечення азотом і магнієм, так як обидва ці елементи входять до складу хлорофілу. Також потрібні іони міді, які сприяють утворенню стійких комплексів між хлорофілом та білком.

Біосинтез каротиноїдів розпочинається з ацетил-КоА через мевалонову кислоту, гераніл-геранілпірофосфат до лікопіну, який є попередником всіх інших каротиноїдів:

Синтез їх відбувається в темряві, хоч різко прискорюється при дії світла. Механізм біосинтезу фікобіліпротеїнів майже не вивчено.