ФОТОСИНТЕЗ

Фотосинтетические пигменты

Жизнь на Земле возможна благодаря световой (главным образом, солнечной) энергии, которая преобразуется в энергию химических связей органических веществ, образующихся в процессе фотосинтеза. Фотосинтезом обладают все растения и некоторые прокариоты (фотосинтезирующие бактерии и сине-зеленые водоросли - цианобактерии). Организмы, способные к фотосинтезу, называются фототрофами.

У высших растений побег развился как орган воздушного питания. Поэтому, наряду с размножением, его основной функцией является обеспечение всего растительного организма органическими веществами, образованными в процессе фотосинтеза (греч. phos, photos - свет, synthesis - соединение, сочетание, составление). Этот процесс представляет собой сложную цепь реакций, в результате которых из углерода и водорода, полученных из неорганических источников, образуются органические соединения. Для нормального течения этих реакций необходима энергия. Растения получают ее от падающего света, что и дало название всему процессу. Свет улавливается особыми молекулами, которые получили название фотосинтетических пигментов (лат. pigmentum - краска). О них следует рассказать подробнее.

Фотосинтетические пигменты

Они представлены молекулами, способными поглощать кванты (нем. Quantum - количество, лат. quantum - сколько) света. Поскольку при этом поглощается свет лишь определенной длины волны, часть световых волн не поглощается, а отражается. В зависимости от спектрального состава отраженного света пигменты приобретают окраску - зеленую, желтую, красную и др. В настоящее время различают три класса фотосинтетических пигментов - хлорофиллы1, каротиноидыь и фикобилины1.

Самым распространенным и наиболее важным фотосинтетическим пигментом является хлорофилл (греч. chloros - зеленоватый, phyllon - лист), который имеется практически у всех фототрофов. Основой является плоское порфириновое ядро, образованное СН2 четырьмя пиррольными кольцами, соединенными меж- НС-СН3 ду собой метиновыми мостиками, с атомом магния в СН2 центре ( 43).

В порфириновом ядре, кроме собственно пиррола, содержатся также его изомер - пир- роленин и продукт неполного восстановления пирро- I 2 ла - пирролин. Поскольку в этих циклических соеди- НС-СН3 нениях, помимо атомов углерода, присутствует гете- СН2 роатом (греч. heteros - другой) - азот, они называются СН2 гетероциклическими. Наличие двойных связей позволя- СН ет отнести их к ненасыщенным гетероциклам. Атомы СН^СН3 углерода, расположенные в гетероцикле рядом с гетеро- атомом - азотом, обозначаются как а-атомы, а удаленные от него - Д-атомы. Поскольку все связи а-углеродных атомов в молекуле хлорофилла заняты в формировании порфиринового кольца, они не определяют специфику различных видов хлорофилла, эту функцию выполняют Д-углеродные атомы. Сами атомы азота взаимодействуют с расположенным в центре ядра атомом металла - магнием (отметим, что у близкого по строению гема, входящего в состав гемоглобина, миоглобина или цитохрома, в центре ядра находится атом железа). Так как в порфириновом ядре имеются многочисленные двойные связи, там присутствуют делокализованные (более подвижные) ж-электроны, которых в ядре насчитывается 18. Позднее мы расскажем о значении таких электронов для фотосинтеза.

Фитол относится к дитерпенам, основу которых составляют остатки изопрена.

Такая структура молекулы определяет свойства хлорофилла - гидрофобный фитольный «хвост» надежно удерживает молекулу в гидрофобной части мембраны тилакоида хлоропласта, а гидрофильное порфириновое ядро обращено к строме хлоропласта. При этом само ядро ориентировано параллельно мембране, в которой находится хлорофилл.

Синтез хлорофилла довольно сложен и включает в себя 15 реакций, которые можно разделить на три этапа. Исходными веществами для синтеза хлорофилла являются глицин и ацетат. На первом этапе образуется 5-аминолевулиновая кислота. На втором этапе происходит синтез одной молекулы протопорфирина из четырех пир- рольных колец.

Третий этап представляет собой образование и превращение магнийпорфиринов.

Все низшие и высшие растения, а также цианобактерии содержат различные хлорофиллы1 типа а. У высших растений, зеленых и эвгленовых водорослей имеется хлорофилл b (он образуется из хлорофилла а), который отличается от хлорофилла а присутствием формильной группы -СНО, вместо метильной (-СН3) у третьего атома углерода. Бурые и диатомовые водоросли вместо хлорофилла b содержат хлорофилл с, не имеющий остатка фитола, а красные водоросли - хлорофилл d, который отличается от хлорофилла а тем, что при углеродном атоме 2 порфиринового кольца вместо винильной группы имеется формильный радикал. Хлорофиллы бактерий имеют некоторые специфические особенности и называются бактериохлорофиллами.

Молекулы хлорофиллов способны, взаимодействуя друг с другом и молекулами белков, создавать агрегированные формы, различающиеся по длине волн поглощенного света.

Хлорофилл а имеет два четко выраженных максимума поглощения - 660 - 663 нм и 428 - 430 нм. Хлорофилл b поглощает более короткие волны в красной части спектра и более длинные в синей. Его максимумы поглощения будут 642 - 644 нм и 452 - 455 нм соответственно. Все хлорофиллы слабо поглощают желтый и оранжевый свет, а зеленый они отражают, что и определяет зеленую окраску этого класса пигментов ( 44).