Пигментные системы фотосинтезирующих организмов

 

3.3. ПИГМЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИХ

ОРГАНИЗМОВ

 

3.3.1. ПИГМЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ КАК ПЕРВИЧНЫЕ ФОТОРЕЦЕПТОРЫ

Фоторецепторная система  фотосинтеза строится на основе двух важнейших типов химических соединений: 1) тетрапирролов, образующих циклическую структуру хлорофиллов (магнийпорфиринов), а также открытую структуру пигментов фикобилинов; 2) полиизопреноидов, образующих большой и разнообразный класс пигментов каротиноидов.

В каждой из этих групп  пигментов путем модификации  основной структуры образуется несколько химически различных структур, имеющих максимумы поглощения в разных частях видимой области электромагнитного спектра. Известно 10 различных структурных форм хлорофиллов (хлорофиллы а, b, с, d, e, бактериохлорофиллы а, b, с, d и протохлорофилл), несколько форм фикобилинов, более 100 различных модификаций каротиноидов. Кроме того, одна и та же химическая структура в живом листе в комплексе с белками и липидами образует целую серию так называемых «нативных» форм. Так, для хлорофилла а известно около 10 таких спектрально различных форм, из них 4 формы с максимумами поглощения в красной части спектра считаются универсальными — 661, 670, 678, 683 нм. Для каротиноидов известно несколько различных состояний одной и той же структуры: например, максимум поглощения β-каротина мономерного — 450 нм, в комплексе с белком — 455 — 460 нм, кристаллического — 540 нм. В итоге формируется мощная фоторецепторная система с большим набором различных спектральных форм. Это определяет поглощение большей части видимой области спектра (от 400 до 800 нм) — так называемую фотосинтетически активную радиацию (ФАР) с энергией квантов от 1 до 3 эВ, и высокую эффективность миграции энергии в пигмент-белковых комплексах хлоропластов.

Физические  механизмы процессов поглощения, запасания и миграции энергии молекулами хлорофилла достаточно хорошо изучены.

Поглощение  фотона (hv) обусловлено переходом системы в различные энергетические состояния. В молекуле в отличие от атома возможны электронные,  колебательные и вращательные движения, и общая энергия молекулы равна сумме этих видов энергий. Основной показатель энергии поглощающей системы — уровень ее электронной энергии, определяется энергией внешних электронов на орбите. Согласно принципу Паули, на внешней орбите находятся два электрона с противоположно направленными спинами, в результате чего образуется устойчивая система спаренных электронов. Поглощение энергии света сопровождается переходом одного из электронов на более высокую орбиту с запасанием поглощенной энергии в виде энергии электронного возбуждения; Важнейшая характеристика поглощающих систем — избирательность поглощения, определяемая электронной конфигурацией молекулы. В сложной органической молекуле есть определенный набор свободных орбит, на которые возможен переход электрона при поглощении квантов света. Согласно «правилу частот» Бора, частота поглощаемого или испускаемого излучения v должна строго соответствовать разности энергий между уровнями:

ν = (Е₂ – E₁)/h,

где h — постоянная Планка, равная 6,626 • 10^-34 Дж/с.

Каждый электронный переход соответствует определенной полосе поглощения. Таким образом, электронная структура молекулы определяет характер электронно-колебательных спектров.

Запасание поглощенной энергии связано с возникновением электронно-возбужденных состояний пигментов. Физические закономерности возбужденных состояний Mg-порфиринов могут быть рассмотрены на основе анализа схемы электронных переходов этих пигментов (рис. 3.7). Известно два основных типа возбужденных состояний — синглетные и триплетные. Они отличаются по энергии и состоянию спина электрона. В синглетном возбужденном состоянии спины электронов на основном и возбужденном уровнях остаются антипараллельными, при переходе в триплетное состояние происходит поворот спина возбужденного электрона с образованием бирадикальной системы. При поглощении фотона молекула хлорофилла переходит из основного (S_o) в одно из возбужденных синглетных состояний — S₁ или S₂, что сопровождается переходом электрона на возбужденный уровень с более высокой энергией. Возбужденное состояние S₂ очень нестабильно. Электрон быстро (в течение 10^-12 с) теряет часть энергии в виде тепла и опускается на нижний колебательный уровень S₁, где может находиться в течение 10^-9 с. В состоянии S₁ может произойти обращение спина электрона и переход в триплетное состояние Т₁, энергия которого ниже S_1.

Рис. 3.7. Схема электронных переходов  для магнийпорфиринов в полярном

растворителе:

S_o — основное состояние; S_it S₂ — первое и второе синглетные возбужденные состояния; Г], Т₂ — первое и второе триплетные возбужденные состояния

 

Возможно несколько  путей дезактивации возбужденных состояний:

— превращение энергии  возбуждения в тепло (термальная диссипация энергии);

— излучение фотона с  переходом системы в основное состояние (флуоресценция или фосфоресценция);

—  перенос энергии  на другую молекулу;

—  использование энергии  возбуждения в фотохимической реакции.

Миграция  энергии между молекулами пигментов может осуществляться по следующим механизмам. Индуктивно-резонансный механизм (механизм Фёрстера) возможен при условии, когда переход электрона оптически разрешен и обмен энергией осуществляется по экситонному механизму. Понятие «экситон» означает электронно-возбужденное состояние молекулы, где возбужденный электрон остается связанным с молекулой пигмента и разделения зарядов не происходит. Перенос энергии от возбужденной молекулы пигмента к другой молекуле осуществляется путем безызлучательного переноса энергии возбуждения. Электрон в возбужденном состоянии представляет собой осциллирующий диполь. Образующееся при этом переменное электрическое поле может вызвать аналогичные колебания электрона в другой молекуле пигмента при выполнении условий резонанса (равенство энергии между основным и возбужденным уровнями) и условий индукции, определяющих достаточно сильное взаимодействие между молекулами (расстояние не более 10 нм).

Обменно-резонансный  механизм миграции энергии Теренина—Декапера имеет место в том случае, когда переход оптически запрещен и диполь при возбуж- I дении пигмента не образуется. Для его осуществления необходим тесный контакт молекул (около 1 нм) с перекрыванием внешних орбиталей. В этих условиях возможен обмен электронами, находящимися как на синглетных, так и I на триплетных уровнях.

 

3.3.2. ХЛОРОФИЛЛЫ

 

3.3.2.1. Основные элементы структуры

и их значение в поглощении

и преобразовании энергии

Из большого числа  разнообразных пигментов только две структуры — хлорофилл а и бактериохлорофилл а — способны осуществлять преобразование энергии, все остальные пигменты участвуют в процессах поглощения и миграции энергии. Анализ химического строения молекулы хлорофилла а показывает, что данная структура прекрасно приспособлена для выполнения трех основных функций в фотосинтезе — поглощения, запасания и преобразования энергии.

Главные функции хлорофиллов, представляющих собой магнийпорфирины, определены спецификой химического строения молекулы, ее физико-химическими свойствами, природой электронно-колебательных спектров. Функции Mg-порфиринов формировались в процессе эволюции в тесной связи с эволюцией фоторецепторных структур. В основе молекулы Mg-порфирина лежит тетрапиррольная структура порфина, включающая 4 пиррольных кольца, соединенных метановыми мостиками (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Структурная формула порфина  и его производных — дигидропорфина

и тетрагидропорфина

 

 Пиррольное кольцо, состоящее  из 4 атомов углерода и атома  азота, является хромофором, способным  поглощать энергию инфракрасной  области спектра. Замыкание пиррольных  колец в тетрапиррольную структуру  порфина, химически более устойчивую, имело решающее значение в эволюции хлорофиллов как первичных фоторецепторов. Благодаря формированию циклической системы и эффекту сопряжения появляются интенсивные полосы поглощения в видимой области спектра с более высокой энергией квантов. Образующиеся в процессе эволюции порфирины представляют собой сложную систему с общим π-электронным облаком, объединяющим 4 пиррольных кольца в единый цикл.

Порфириновый макроцикл обладает всеми свойствами, необходимыми для выполнения важнейших функций в фотосинтезе:

— имеет определенный спектр поглощения в зеленой области (порфирины  красного цвета);

— проявляет активную красную флуоресценцию, что свидетельствует о фотохимической активности порфиринов;

—  является хелатообразователем, способным включать Mg, что позволяет осуществлять реакции, идущие с запасанием энергии;

—  обладает способностью к обратимым  окислительно-восстановительным превращениям — фотовосстановлению (может служить  акцептором электрона, т. е. осуществлять фотоокисление органических веществ в отсутствие О₂) и фотоокислению (электрон-донорная функция при включении Mg).

В процессе эволюции пигментов  изменяются свойства их полярности. Формируются порфирины, различающиеся по числу СООН-групп — от уропорфирина (8 СООН) и копропорфирина

(4 СООН) до протопорфирина (2 СООН). Появляется также гидрофобный  радикал фитол. Возникновение  менее полярных, более гидрофобных порфиринов обеспечило возможность включения их в мембранные структуры и образования пигмент-белковых комплексов с более длинноволновыми максимумами поглощения, а также определенную ориентацию пигментов, что необходимо для активных процессов поглощения и миграции энергии.

Дальнейшая эволюция пигментов шла по пути все большего усложнения их структуры. Изменяется степень восстановленности пигментов. По этому показателю различают три основные пигментные системы: порфин, дигидропорфин (хлорин) и терагидропорфин (бактериохлорин) (см. рис. 3.8). Изменение уровня восстановленности Mg-порфиринов, связанное с гидрированием двух полуизолированных двойных связей в положениях углерода в кольце 3 — 4 и 7 — 8 (3=4 и 7=8), имело большое значение для формирования оптимальной электронной структуры молекулы и сопровождалось изменением спектральных и электрон-донорных свойств. Дополнительное гидрирование порфиринового макроцикла у хлорофилла и бактериохлорофилла привело к уменьшению потенциала ионизации и снижению количества энергии, необходимой для фотоокисления пигментов, что имело решающее значение для процесса преобразования энергии в реакционных центрах.

Усложнение общей структуры  молекулы Mg-порфирина связано с формированием пятого циклопентанного кольца, т. е. с образованием системы «форбина». Структура форбина характерна для всех представителей группы хлорофилла (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Структура хлорофиллов a, b и бактериохлорофилла а: I —IV — нумерация пиррольных колец

 

Известно 10 различных  модификаций хлорофилла и бактериохлорофилла. Рассмотрим важнейшие из них.

Хлорофилл а — универсальный пигмент высших растений и водорослей. У некоторых водорослей (синезеленых, некоторых красных) он представляет единственную форму хлорофилла. Максимум поглощения в органических растворителях в красной области спектра находится при длинах волн 660 — 664 нм.

Хлорофилл b — дополнительный пигмент высших растений и водорослей, впервые появляется у эвгленовых водорослей, заменяя фикобилины. Отличается от хлорофилла а наличием альдегидной группы вместо метильной —СН₃ во II пиррольном кольце. Красный максимум поглощения в ацетоне 645 нм.

Хлорофилл с — дополнительный пигмент бурых и диатомовых водорослей. Он содержит магний, не этерифицирован фитолом, связь 7=8 не гидрирована, остаток пропионовой кислоты при С₇ имеет двойную связь: —СН=СН—СООН.

Хлорофилл d — дополнительный пигмент красных водорослей, отличается от хлорофилла а наличием альдегидной группы при С₂ вместо —СН=СН₂. Красный максимум поглощения в органических растворителях 686 нм.

Бактериохлорофилл а — главный пигмент у фотосинтезирующих бактерий. Красный максимум поглощения — 770 — 780 нм.

Предшественником хлорофиллов является протохлорофилл или его безфитольная форма протохлорофиллид. У протохлорофилла в отличие от хлорофилла а двойная связь 7 = 8 в IV пиррольном кольце не гидрирована, восстановление ее осуществляется фотохимическим путем на заключительных стадиях биосинтеза хлорофилла.

Все рассмотренные модификации  затрагивают лишь боковые группы, центральная часть молекулы остается неизменной. К числу основных элементов структуры относятся: 1) циклическая 18-членная система сопряженных связей, 2) центральный атом магния, 3) циклопентанное кольцо, 4) фитол (у бактериохлорофиллов с и d — фарнезол). Исследования последних лет позволяют раскрыть функциональное значение отдельных элементов структуры.

Конъюгированная система сопряженных связей у всех хлорофиллов представляет собой основную хромофорную группу, ответственную за избирательное поглощение световой энергии. Циклическая система сопряженных двойных связей, образующая делокализованную π-орбиту, имеет ряд дополнительных сопряжений: винильную группу в I кольце, полуизолированную связь во II кольце, С=О группу в V кольце. В результате возникает сложноразветвленная конъюгированная система, которая обеспечивает высокую поглощающую способность

Mg-порфиринов. Спектры поглощения магнийпорфиринов имеют два хорошо выраженных максимума поглощения в сине-фиолетовой (полоса Соре) и красной областях спектра (рис. 3.10). У хлорофилла b оба максимума расположены между максимумами поглощения хлорофилла а, что увеличивает области поглощаемой энергии хлоропластами высших растений.

Центральный атом магния определяет важнейшие физические и химические свойства молекулы магнийпорфирина. Включение магния в тетрапиррольную структуру значительно изменяет спектральные свойства хлорофилла. Влияние магния осуществляется через атомы азота пиррольных колец — двух третичных (—N=) и двух иминных (=NH). В щелочной среде два протона от иминных атомов азота замещаются на магний, образующий с двумя атомами иминного азота электровалентные связи. Два третичных атома азота стабилизируют это соединение за счет неподеленных пар электронов посредством координационной связи. При образовании комплексного соединения порфиринов с металлом электронная плотность по всем пиррольным кольцам выравнивается и они становятся эквивалентными. В результате этого изменяется симметрия молекулы, что сопровождается изменением ее спектральных характеристик.