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

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. Строение молекулы его было установлено во втором десятилетии прошлого века, а четверть века спустя синтезирована молекула хлорофилла, кот ничем не отличалась от природной.

Однако, хлорофилл – это только один из компонентов фотосинтезирующей системы. Поэтому пока все еще не удается осуществить процесс фотосинтеза в пробирке.

Хлорофилл явл сложным орг. в-вом. Одной из главных трудностей для выявления точного хим состава хлорофилла явл его полная нерастворимость в воде и легкая изменчивость под воздействием солей, кислот и щелочей. Суммарный хим 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 хим природе хлорофилл представляет собой сложный эфир дикарбонатовой кислоты хлорофиллина, в одном карбоксиле кот водород замещен остатком метанола, а в другом – фитола.

В основе молекулы лежит порфирин, кот состоит из четырех пирольных колец сое-ных метиновыми мостиками (–СН=). В центре порфиринового ядра нах атом Mg, связанный с N. Таким образом, хлорофилл относится к Mg-порфиринам. Порфирины входят также в состав гема крови и явл важным компонентом систем, принимающих участие в дыхании; в этом случае вместо магния они содержат железо.

Кроме пирольных в состав молекулы хлорофилла входит циклопентановое кольцо, кот 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 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, а это значит гидрофобная часть молекулы хлорофилла. Поэтому порфириновое ядро размещается в гидрофильной части мембраны тилакоида, а фитольный хвост в гидрофобной. Имея разные св-ва, две части молекулы хлорофилла выполняют разную ф-цию: порфириновое ядро содержащее коньюгированные связи, поглощает свет, а фитольный хвост играет роль якоря, кот удерживает молекулу хлорофилла в определенной части мембраны тилакоида.

Таким образом, мы видим, что подобно тому, как отдельные органы многоклеточного организма или органеллы в клетке имеют определенное строение и выполняют в связи с этим особую ф-цию, так и особые части молекулы хлорофилла владеют специальными св-вами, а соответственно и ф-ми.

Щелочь отсекает от молекулы хлорофилла фитольный хвост, в результате образованная соль теряет способность растворяться в бензине, но сохраняет зеленый цвет хлорофилла. Следовательно, растворимость пигмента в бензине, его гидрофобность обусловлена остатком фитола, 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 в-во – феофитин принимает красно-бурый цвет вместо зеленого.

В природных условиях образование феофитина происходит осенью, при старении листьев, под воздействием неблагоприятных факторов. В результате листья желтеют. При влиянии различных факторов происходит увеличение проницаемости мембран, и кислый вакуолярный сок, проникая в хлоропласты, преобразует хлорофилл в феофитин. Поскольку избирательная проницаемость мембран нарушается под воздействием разных факторов, то листья желтеют под воздействием низких и высоких температур, дефиците воды и ее избытке и т. д.

В настоящее время считают, что роль Mg в поглощении света связана с тем, что он, во-первых, изменяет симметрию молекулы хлорофилла таким образом, что все сопряженные связи и сама молекула находятся в одной плоскости. Когда молекула по каким-либо причинам принимает другую форму, то взаимодействие π -электроновых облаков нарушается, цепь сопряжения разъединяется, цвет пигментов изменяется или пропадает. Во-вторых, магний придает молекуле хлорофилла способность соединяться с другими молекулами этого пигмента. И, в-третьих, магний необходим для сохранения возбужденного состояния молекулой хлорофилла. Так, тетрапиролы, содержащие вместо магния железо, быстро рассеивают свет.

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

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

Предшественником всех хлорофиллов явл δ -аминолевулиновая кислота (δ АЛК). Известны два метаболических пути образования δ АЛК: путь Шемина и путь Биле. Оба пути функционируют в р-иях. В основе пути Шемина у животных, бактерий, эвглен и грибов – конденсация сукцинил-СоА и глицина с образованием α -амино-β -кетоадипиновой кислоты. Глицил – радикал немедленно декарбоксилируется в δ АЛК. Реакцию катализирует АЛК-синтетаза. Активность АЛК-синтетазы обнаружена в хлоропластах. Однако доля δ АЛК, синтезированной из глицина, крайне мала по сравнению со всей δ АЛК, участвующей в синтезе тетрапиррола. Путь Биле катализируют ферменты, часть которых растворены в строме хлоропластов, а другие тесно связаны с мембранами. В 1974 г. Биле и Кастелфранко показали, что глутамат и α -кетоглутарат явл субстратами для синтеза δ АЛК. Путь Биле обнаружен в хлоропластах высших р-ий, водорослях, включая эвглену, фотосинтезирующих и нефотосинтезирующих бактериях.

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

К пигментам, кот участвуют в световой стадии фотосинтеза, относятся и фикобилины. Все фотосинтетические пигменты (хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины) входят в состав пигментных систем в виде хромпротеинов, т.е. пигмент – белковых комплексов. Хлорофиллы и каротиноиды связаны с белками относительно слабо, связь между пигментом и белком нековалентная. Поскольку такие связи легко нарушаются хлорофиллы и каротиноиды можно экстрагировать с помощью органических растворителей таких как ацетон, спирт.

Фикобилины связаны с белком ковалентно, поэтому они нах в виде молекул – фикобелипротеинов. Фикобилипротеины растворимы в воде и легко вымываются из мацерированных тканей водой или разбавленными р-ми солей. Однако, для разрушения молекулы фикобелипротеинов путем расщепления связи между пигментом и белком необходим гидролиз в жестких условиях.

По структуре фикобелины – тоже тетрапироллы, но с открытой цепью, кот имеют систему коньюгированных двойных и одинарных связей. У фикобилинов четыре остатка пиррола вытянуты в открытую цепь таким образом, что замкнутого порфиринового кольца в них не образуется. В своем составе они не содержат 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).

Фикоэритрин и фикоцианин состоят из двух разных белковых субъединиц: α (молекулярная масса ~ 19 000) и β (~ 21 000). 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 кол-во молекул фикобилина – от одной до четырех. Как правило, фикобилины, связанные с одной субъединицей, относятся к одному типу (т.е. к фикоэритробилинам или фикоцианобилинам); в результате получаются красные или синие субъединицы. В некоторых случаях субъединица несет на себе два типа фикобилинов, но тогда один из типов явл преобладающим. In vivo белковая субъединица встречается в виде агрегатов (α, β)_n, где n равно 3 или 6, что соответствует молекулярным массам около 134 или 268 кД.

К фикобилинам относятся также аллофикацианин. Он назван так потому, что его сначала принимали за одну из форм фикоцианина. Аллофикацианин присутствует в небольших кол-вах в водорослях семейств красных и сине-зеленых. В отличие от других фикобилипротеинов его молекула состоит только из одного типа белковых субъединиц (молекулярная масса ~ 15 кД), при этом каждая субъединица несет одну молекулу аллофикацианина. In vivo она объединяется в агрегаты с молекулярной массой ~ 10 кД, состоящих из шести субъединиц.

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

Каротиноиды и фикобилины, как и хлорофиллы наз вспомогательными или сопутствующими пигментами. Это определяется их ф-ми.

Механизм сопряжения электронного транспорта с формированием трансмембранного градиента электрохимического потенциала. Структурно-функциональная организация и механизм работы АТФ-синтазного комплекса.

Механизм сопряжения электронного транспорта с формированием трансмембранного градиента электрохимического потенциала. Структурно-функциональная организация и механизм работы АТФ-синтазного комплекса.

Синтез АТФ. Энергия, выделяемая при движении электронов от Р₆₈₀ (Е = –0, 8) до Р₇₀₀ (Е = +0, 4 В), используется для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата (фотофосфорилирование).

Существуют несколько теорий, разъясняющих механизм фосфорилирования АДФ, сопряженный с работой электрон-транспортной цепи. Наибольшее признание в настоящее время получила хемиосматическая теория английского биохимика П. Митчелла (1961 г.), которая для объяснения процессов фотосинтетического фосфорилирования впервые была использована А. Ягендорфом (1967 г.).

В соответствии с этой теорией пластохинон, присоединивший два электрона, присоединяет еще 2Н⁺ протона со стороны хлоропласта и переносит их через мембрану во внутритилакоидное пространство. Протоны накапливаются внутри тилакоида и в результате фотоокисления воды.

Благодаря неравномерному распределению протонов по обеим сторонам мембраны создается разность химических потенциалов ионов водорода и возникает электрохимический мембранный потенциал ионов Н⁺ включает две составляющие: концентрационную, возникающую в результате неравномерного размещения ионов Н⁺ по обеим сторонам мембраны, и электрическую (Δ Ψ), которая обусловлена мембранным потенциалом (рис. 2.15).

Энергия Δ рН и Δ Ψ используется для обратного транспорта протонов из внутритилакоидного пространства в строму хлоропласта по особым каналам. С обратным транспортом протонов и связано фосфорилирование АДФ. Реакцию катализирует Н⁺-АТФ-синтетаза, состоящая из двух частей: водорастворимой каталитической части, расположенной в строме хлоропласта, и мембранной части. Последняя представляет собой протонный канал, по которому протоны могут возвращаться в строму хлоропласта. Фермент Н⁺-АТФ-синтетаза может синтезировать АТФ пока двигаются протоны. Протоны двигаются, когда их концентрация во внутритилакоидном пространстве большая. На каждые два электрона, переданных по электрон-транспортной цепи, внутри тилакоида накапливается 4Н⁺. На каждые 3Н⁺, возвращающихся назад в строму хлоропласта, синтезируется 1 молекула АТФ.

Таким образом, конечными продуктами световых реакций фотосинтеза является НАДФН и АТФ. Эти соединения используются затем соответственно как восстановительная сила и как источник для превращения СО₂ в сахар. Этапы, из которых складываются эти превращения, известны под общим названием «темновых реакций» фотосинтеза.

Таким образом, самопроизвольный транспорт электронов по градиенту окислительно-восстановительного потенциала переносчиков сопряжен с векторным переносом протонов из матрикса в межмембранное пространство. В интактных митохондриях только АТФ-синтаза позволяет осуществить обратное движение протонов в матрикс. На этом основано важное в регуляторном отношении сопряжение электронного переноса с образованием АТФ. Возникающая разность потенциалов по обеим сторонам внутренней мембраны митохондрий используется для синтеза АТФ (окислительное фосфорилирование). В результате прохождения двух электронов по цепи образуются три молекулы АТФ. Синтез АТФ сопряжен с обратным потоком протонов (из межмембранного пространства – в матрикс).

27. С₃-путь фотосинтеза, основные этапы, их характеристика, природа первичного акцептора углекислоты, первичные продукты фотосинтеза, их превращения, регенерация акцепторов СО₂, стабильные продукты фотосинтеза, их природа, первичный синтез углеводов.

Связь фотосинтетической ассимиляции СО₂ с фотохимическими реакциями. В результате фотохимических реакций в хлоропластах создается необходимый уровень АТР и NADPH. Эти конечные продукты световой фазы фотосинтеза стоят на входе в темновую фазу, где СО₂ восстанавливается до углевода. Сами по себе АТР и NADPH не в состоянии восстановить СО₂. Темновая фаза фотосинтеза — сложный процесс, включающий большое количество реакций. Существуют различные пути восстановления СО₂: С₃-путь (цикл Кальвина) и С₄-путь фиксации СО₂, фотосинтез по типу толстянковых (САМ-метаболизм) и фотодыхание.