Хлорофиллы, химическая структура, химические и физические (спектральные) свойства, биосинтез хлорофилла, функциональное и экологическое значение спектрально-различных форм.

Пигменты – это вещества, избирательно поглощающие свет в видимой части спектра. В 1818 году французы Ж. Пелтье и Ж. Ковенту выделяли из листа зеленое вещество и назвали его хлорофиллом (от греч. хлорос – зеленый, филон –лист).

В 1860 г. француз Э. Фреми разделил зеленый экстракт, полученный из листа, на две части: голубовато-зеленую и желтую. Первую он считал хлорофиллом, вторую ксантофиллом. В 1882 г. И. П. Бородин (Россия) получил хлорофилл в чистом кристаллическом виде, а М. С. Цвет (Россия) в 1901 г. предложил хромотографический метод исследования пигментов.

Сейчас известно, что высшие растения содержат две формы зеленых пигментов: хлорофиллы а и b и две формы желтых пигментов (каротиноиды): каротины и ксантофиллы. Главную роль в фотосинтезе играет хлорофилл а. Хлорофилл является сложным органическим веществом. Одной из главных трудностей для выявления точного химического состава хлорофилла является его полная нерастворимость в воде и легкая изменчивость под воздействием солей, кислот и щелочей. Суммарный химический состав молекулы хлорофилла можно выразить следующей формулой:

хлорофилл а С₅₅Н₇₂О₅N₄Mg

хлорофилл b С₅₅Н₇₀О₆ N₄Mg

Указанные хлорофиллы отличаются одним атомом кислорода и двумя водорода, а по цвету хлорофилл а – сине-зеленый; b – желто-зеленый.

По химической природе хлорофилл представляет собой сложный эфир дикарбонатовой кислоты хлорофиллина, в одном карбоксиле которой водород замещен остатком метанола, а в другом – фитола:

C₃₂H₃₀ON₄Mg(ост хлорофиллина)

\(COOCH₃)(ост метанола)

\(COOC₂₀H₃₉)(ост фитола)

В основе молекулы лежит порфирин, который состоит из четырех пирольных колец (пронумерованы римскими цифрами), соединенных метиновыми мостиками (–СН=). В центре порфиринового ядра находится атом Mg, связанный с N. Таким образом, хлорофилл относится к Mg-порфиринам. Кроме пирольных в состав молекулы хлорофилла входит циклопентановое кольцо (V), которое содержит высокоактивную кетогруппу и участвует в окислении воды. Хлорофилл b отличается от хлорофилла а тем, что по второму пирольному кольцу присоединена не метильная, а альдегидная группа. Четыре пирольных кольца и метиновые мостики образуют двойные связи. Между двумя атомами, связанными двойными атомами, находится 4 электрона. Когда система состоит из двойных связей, то половина этих π -электронов, как отмечалось, может свободно перемещаться вдоль системы.

Молекулу хлорофилла делят на две части: порфириновое ядро и фитольный хвост. Фитольный хвост в два раза длиннее ядра. Порфириновое ядро благодаря наличию атомов кислорода и азота гидрофильно. Фитольный хвост – это углеводородная (гидрофобная) часть молекулы хлорофилла. Поэтому порфириновое ядро размещается в гидрофильной части мембраны тилакоида, а фитольный хвост в гидрофобной. Две части молекулы хлорофилла выполняют разную функцию: порфириновое ядро - поглощает свет, а фитольный хвост - удерживает молекулу хлорофилла в определенной части мембраны тилакоида. Т.о. особые части молекулы хлорофилла владеют специальными свойствами, а соответственно и функциями.

Растворимость пигмента в бензине, его гидрофобность обусловлена остатком фитола (щелочь отсекает от молекулы хлорофилла фитольный хвост), а поглощение света связано с порфириновым ядром. Атом магния также влияет на поглощение света молекулой хлорофилла. Если с помощью кислоты заместить магний на водород, то образовавшееся вещество – феофитин принимает красно-бурый цвет вместо зеленого. В природных условиях образование феофитина происходит осенью, при старении листьев, под воздействием неблагоприятных факторов.

Роль Mg в поглощении света: 1) он изменяет симметрию молекулы хлорофилла так, что все сопряженные связи и сама молекула находятся в одной плоскости. Когда молекула принимает другую форму, то взаимодействие π -электроновых облаков нарушается, цепь сопряжения разъединяется, цвет пигментов изменяется или пропадает; 2) магний придает молекуле хлорофилла способность соединяться с другими молекулами этого пигмента; 3) магний необходим для сохранения возбужденного состояния молекулой хлорофилла (тетрапиролы, содержащие вместо магния железо, быстро рассеивают свет).

Хлорофилл а – самый важный из фотосинтетических пигментов, он присутствует во всех фотосинтезирующих растениях. Существуют и другие формы хлорофиллов (b, с ₁, с ₂ и d), которые называются вспомогательными

Хлорофилл а встречается во всех видах растений, b – у высших растений и двух семейств водорослей (зеленые и эвгленовые), а фикобилины только в водорослях трех семейств: красные, сине-зеленые и криптофитовые.

Предшественником всех хлорофиллов является δ -аминолевулиновая кислота (δ АЛК). Известны два метаболических пути образования δ АЛК: путь Шемина и путь Биле. Оба пути функционируют в растениях. В основе пути Шемина – конденсация сукцинил-СоА и глицина с образованием α -амино-β -кетоадипиновой кислоты. Реакцию катализирует АЛК-синтетаза.(обнаружена в хлоропластах). Путь Биле катализируют ферменты, часть которых растворены в строме хлоропластов, а другие тесно связаны с мембранами.

Биосинтез δ АЛК зависит от т-РНК, который имеет антикодон УУЦ, специфичный к глутамину. Глутамат т-РНК-лигаза, кодируемая ядерным геном, катализирует присоединение т-РНК к первому углероду глутамата (кофакторы - ион магния и АТФ). Глутамил-т-РНК комплекс превращается в глутамат 1-семиальдегид (Г1СА) с участием оксидоредуктазы с кофактором НАДФН. Превращение Г1СА в δ АЛК катализируется вит. В6 и ГСА-аминотрансферазой. Реакции от δ АЛК до протопорфирина являются общими при биосинтезе хлорофилла и гема.

Порфобилиноген (ПБГ) образуется в реакции асимметричной конденсации двух молекул δ АЛК с освобождением двух молекул воды. Фермент АЛК-дегидратаза связан с магнием. Ингибируется кадмием и свинцом. В образовании уропорфириногена III участвуют два фермента: ПБГ-деаминаза и УроIII-синтетаза. Полимеризуются четыре молекулы ПБГ с образованием линейного тетрапиррола (первый фермент); замыкается в кольцо вторым ферментом.

Образование копропорфириногена III катализируется ферментом уродекарбоксилазой. Образование протопорфириногена IX происходит при окислительном декарбоксилировании двух пропионовых остатков в А и В кольцах копрогена-III с участием копрогеноксидазы, и образуется дивинилпротопорфириноген 9 (DV-протоген 9). Возможен также выход моновинилпротопорфирина 9 (MV-протоген 9). Образование протопорфирина IX происходит в результате удаления шести электронов из ППГ-IX. На этапе от протопорфирина к протохлорофиллиду происходит захват иона магния (фермент магний-хелатаза связан с мембраной и требует АТФ). Этерификация магний-протопорфирина-9 в магний – протопорфирин-9 монометиловый эфир, образование изоциклического кольца приводят к образованию протохлорофилла (свойственно хлорофиллам).

Протохлорофилл описывают в двух формах: моновинильной и дивинильной: огурцы и хвойные накапливают дивинил в темноте и на свету; однодольные и бобы содержат моновинильную форму в темноте и дивинильную на свету; виола и гинкго синтезируют дивинильную форму в темноте и моновинильную на свету; яблоня имеет только моновинильную форму. В каждом растении присутствуют обе формы, но в разной пропорции.

На последнем этапе биосинтеза протохлорофиллид превращается в хлорофилл а. Для световой трансформации протохлорофиллида в хлорофиллид с участием НАДФН-зависимой фотооксидоредуктазы достаточно 10-мкросек. вспышки. Кодируется ядерной ДНК. Действительным субстратом является возбужденный протохлорофиллид. Фотоактивный протохлорофиллид: существует в двух промежуточных комплексах (Р638-642 и Р650-657 (преобладает)); имеет одну полосу флюоресценции при 657 нм. Фотонеактивный протохлорофиллид превращается в хлорофиллид медленно.

Первым продуктом фоторедукции является хлорофиллид (С676-688) после присоединения двух остатков водорода в 17 и 18 позициях. Далее развиваются два различных спектральных сдвига (шифта). Первый из них (коротковолновый) происходит через несколько секунд с образованием С670-675 (отделение хлорофиллида от фермента) - главный сдвиг в пропластидах. Второй сдвиг в длинноволновую область происходит обычно за 30 сек. Конечный продукт –хлорофиллид в комплексе с НАДФ и ферментом (у этиопластов). После длинноволнового сдвига в поглощении и флюоресценции максимум хлорофиллида претерпевает другой сдвиг в коротковолновую сторону (С672-682) в течение 30 минут (сдвиг Шибата) за счет разделения хлорофиллида и фермента. Во время сдвига хлорофиллид интенсивно этерифицируется геранил-гераноил – пирофосфатом, который через дигидрогеранилгераноил и тетрадигидрогеранилгераноил превращается в фитол (хлорофилл-синтетаза).

Реакция восстановления протохлорофиллида с участием НАДФ не зависит от света. Хлорофилл на свету деградирует и должен постоянно синтезироваться заново. Образование хлорофиллида из протохлорофиллида происходит одинаково в зеленеющих и зеленых листьях. Спектр живого листа зависит от присутствия различных форм хлорофилла и каротиноидов. В полной темноте листья или проростки накапливают небольшие количества протохлорофиллида (все ферменты активны). Длительное пребывание в темноте приводит к постепенному уменьшению содержания протохлорофиллида. Во время зеленения фотоактивный пул прохлофиллида восстанавливался до хлорофиллида. Образование хлорофилла на свету имеет лаг–фазу, за время которой активируется АЛА-синтетаза. В зеленеющих листьях и проростках диурон ингибирует синтез. Абсцизовая кислота подавляет синтез хлорофилла и действует как антагонист цитокинина. Бензиладенин устраняет лаг-фазу образования хлорофилла. В регуляции синтеза хлорофилла принимает участие фитохромная система

Билихромопротеины (фикобиллины), распространение, химическое строение, спектральные свойства, функциональное и экологическое значение спектрально-различных форм пигментов у фотосинтезирующих организмов.

Фикобилины – пигменты, участвующие в световой стадии фотосинтеза. Все фотосинтетические пигменты (хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины) входят в состав пигментных систем в виде хромпротеинов (пигмент – белковые комплексы). Хлорофиллы и каротиноиды связаны с белками нековалентной связью. Такие связи легко нарушаются, хлорофиллы и каротиноиды экстрагируются с помощью орг. растворителей (ацетон, спирт).

Фикобилины связаны с белком ковалентно, находятся в виде молекул – фикобелипротеинов. Фикобилипротеины растворимы в воде и легко вымываются из мацерированных тканей водой или разбавленными растворами солей. Разрушение молекулы фикобелипротеинов - расщепление связи между пигментом и белком путём гидролиза в жестких условиях.

По структуре фикобелины – тетрапироллы с открытой цепью, которые имеют систему коньюгированных двойных и одинарных связей. У фикобилинов четыре остатка пиррола вытянуты в открытую цепь и замкнутого порфиринового кольца в них не образуется. В составе нет атомов Mg, или других металлов, а также фитола. Эти пигменты делят на две основные группы в соответствии с их цветом – красные (фикоэритрины) и синие (фикоцианины).

Название «фикобилины» предложил Лемберг (20-е гг. ХХ века) из-за их подобия с желтыми пигментами.

Фикоэритрин и фикоцианин состоят из двух разных белковых субъединиц: α и β. Стехиометричные отношения α - и β -субъединиц составляют 1: 1. Каждая из белковых субъединиц несет ковалентно связанный с ней фикобилин, при этом субъединицы, выделенные из разных организмов, могут нести разное количество молекул фикобилина (от 1 до 4). Фикобилины, связанные с одной субъединицей, относятся к одному типу, в результате получаются красные или синие субъединицы. В некоторых случаях субъединица несет на себе два типа фикобилинов, но тогда один из типов является преобладающим.

К фикобилинам относятся также аллофикацианин. Он назван так потому, что его сначала принимали за одну из форм фикоцианина. Аллофикацианин присутствует в небольших количествах в водорослях семейств красных и сине-зеленых. Его молекула состоит только из одного типа белковых субъединиц, при этом каждая субъединица несет одну молекулу аллофикацианина. Она объединяется в агрегаты, состоящих из шести субъединиц.

В клетках водорослей фикобилипротеины агрегируются один с другим, образуя гранулы - фикобилисомы. Фикобилисомы образуют упорядоченные ансамбли на поверхности тилакоидных мембран.

Каротиноиды и фикобилины - вспомогательные или сопутствующие пигменты (это определяется их функциями).