Пигментные системы фотосинтезирующих организмов

Центральный атом магния определяет уникальные функции молекулы хлорофилла в фотосинтезе, связанные с поглощением, запасанием и преобразованием энергии. Д.Мозеролл (1974) считает, что использование магния первичными фототрофными организмами для построения фоторецепторных систем обусловлено определенными физико-химическими свойствами этого элемента. Магний отличается наиболее низкой величиной электроотрицательности (по Л.Полингу, Mg = 1,3; Zn = 1,6; Си = 1,9), а магнийхелат порфирина имеет наиболее низкое значение редокс-потенциала, т. е. отличается наименьшей способностью удерживать электроны. При включении магния в тетрапиррольную структуру снижается также величина потенциала ионизации. Поэтому магнийпроизводные порфирина являются сильными восстанавливающими агентами и в возбужденном состоянии способны восстанавливать соединения с высоким восстановительным потенциалом (-0,9 В).

Магний определяет ряд химических свойств хлорофилла. Обладая координационным числом б, магний способен образовать дополнительно две координационные связи с атомами кислорода и азота. Благодаря этому магний участвует в образовании ассоциатов молекулы хлорофилла с другими молекулами пигментов (при образовании димеров в реакционных центрах), с белками, липидами, фосфолипидами и другими компонентами хлоропласта. Образование ассоциатов обусловливает сильное смещение абсорбционного максимума в длинноволновую область. В результате этого (по данным К. Френча, 1972 и Ф.Ф. Литвина, 1973) образуется серия так называемых «нативных» спектральных форм хлорофилла, выполняющих различные функции. Более коротковолновые формы (661, 670, 678 нм) участвуют главным образом в процессах поглощения энергии, более длинноволновые формы (683 нм) — в процессах ее миграции, а пигменты реакционных центров (П₆₈₀, П₇₀₀) — в процессах преобразования энергии.

Дополнительное  циклопентанное кольцо. Значение V кольца хлорофилла определяется наличием в нем двух полярных групп — кетогруппы С₉=О при 9-м атоме углерода и кетоэфирной группы при С₁₀. Кетогруппа при С₉ участвует в образовании водородной связи хлорофилла и молекулы воды. Через атом кислорода вода может образовать координационную связь с магнием одной молекулы хлорофилла и одновременно водородную связь с группой С=О другой молекулы. В результате образуются структуры Mg∙∙∙O(H)—Н∙∙∙О=С. В данном случае воде принадлежит очень важная роль в образовании высокоорганизованных структур антенных комплексов. Неподеденные электроны

атома кислорода С₉=О группы V кольца могут участвовать в поглощении световой энергии и возбуждаться с переходом на π-орбиту, обусловливая так называемые n→π*-переходы.

Большое значение в образовании  светпоглощающих структур хлоропластов принадлежит кетоэфирной группе V кольца. В отличие от группы С₉=О, которая образует дополнительное сопряжение с π-электронной системой макроцикла, кетоэфирная группа при С₁₀ не конъюгирует с циклической π-электронной системой, вследствие чего образует более прочную связь с молекулой воды. Кроме того, кетоэфирная группа находится в транс-положении по отношению к плоскости порфинного кольца. Это позволило предположить участие кетоэфирной группы в образовании димеров П₇₀₀ и П₆₈₀ в реакционных центрах фотосистем. Согласно модели Ф.Фонга (1974), образование симметричного димера в реакционном центре ФС1 осуществляется при участии центральных атомов магния, кетоэфирных групп двух молекул хлорофилла а и двух молекул Н₂О с образованием структур типа (хл. а — Н₂О)₂ (рис. 3.11). Результаты работ японских ученых показали, что П₇оо представляет собой димер хлорофилла а и хлорофилла а', у которого кетоэфирная группа находится в цис-положении относительно плоскости молекулы (Т. Watanabe et al., 1985). Таким образом, магний и кетоэфирная группа в молекуле хлорофилла являются главными компонентами для формирования димерных структур пигментов реакционного центра.

Фитол представляет собой полиизопреноидную цепь, состоящую из 20 углеродных атомов (спирт фитол — С₂₀Н₃₉ОН), и является гидрофобным радикалом молекулы хлорофилла. Фитольная цепь не находится в электронном сопряжении с макроциклом и поэтому практически не влияет на электронную структуру хлорофилла в возбужденных состояниях S₁ и S₂. В нативной системе взаимодействие фитола с гидрофобными белками позволяет регулировать положение макроцикла по отношению к свету и, таким образом, изменять активность светопоглощения молекулой хлорофилла.

 

3.3.2.2. Метаболизм магнийпорфиринов

Современные представления о путях биосинтеза зеленых пигментов основаны на работах

Д. Шемина с использованием меченых атомов углерода ¹⁴С и азота ¹⁵N, на опытах С. Граника с мутантами хлореллы, многолетних работах Т. Н.Годнева с сотр., А. А. Шлыка и др. Ключевым соединением в биосинтезе порфиринов является 8-аминолевулиновая кислота (АЛК). У растений биосинтез АЛК идет через 5-углеродные соединения — глутаминовую или α-кетоглутаровую кислоту (С₅-путь). Начальные реакции биосинтеза АЛК в растениях представляют АТФ- и НАДФН-зависимые процессы. Согласно современным представлениям, превращение глутамата в 5-АЛК по С₅-пути включает участие трех ферментов:

Последующие реакции  превращения АЛК в циклический  пиррол и тетрапиррольные структуры  идут согласно классической схеме (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Основные стадии биосинтеза протопорфирина IX:

5АЛК — 5-аминолевулиновая кислота;  Ас — остаток уксусной кислоты  (—СН₂СООН); Рг — остаток пропионовой кислоты (—СН₂СН₂СООН)

 

В реакции конденсации двух молекул  АЛК, катализируемой АЛК-дегидратазой, образуется первичный монопиррол — порфобилиноген, который затем при участии ряда ферментов через серию тетрапиррольных соединений с различным числом групп СООН последовательно превращается в уропорфириноген III (8 СООН), копропорфириноген (4 СООН) и, наконец, в протопорфирин IX (2 СООН), который служит ключевым интермедиатом в биосинтезе Fe- и Mg-порфиринов. Включение железа в протопорфирин IX при участии фермента феррохелатазы приводит к образованию железопорфирина. Магниевая ветвь биосинтеза пигментов начинается включением магния в протопорфирин IX (рис. 3.13). Эта реакция требует присутствия АТФ и Mg ⁺. Образовавшийся Mg-протопорфирин IX этерифицируется метиловым спиртом с образованием

Mg-протопорфиринмонометилового эфира.

Рис. 3.13. Схема заключительных этапов биосинтеза хлорофилла

 

На заключительных этапах биосинтеза хлорофилла происходят следующие реакции: 1) окисление пропионовой кислоты  в положении 6 с образованием кетогруппы: —СН₂—СН₂—СООСН₃ →

—СО—СН₂—СООСН₃; 2) замыкание V кольца и образование Mg-дивинилфеопорфирина а₅ (дивинилпротохлорофиллида); 3) восстановление винильной группы (—СН=СН₂) в положении С₄ до этильной (—СН₂—СН₃) при участии восстановленных пиридиннуклеотидов и образование магнийвинилфеопорфирина а₅ (моновинилпротохлорофиллида). В результате этих преобразований возникает молекула протохлорофиллида, непосредственного предшественника хлорофилла а в биосинтетической цепи.

На свету в процессе зеленения  этиолированных растений превращение  протохлорофиллида а в хлорофиллид а включает реакцию фотохимического восстановления полуизолированной двойной связи 7=8 в IV пиррольном кольце макроцикла. В листьях этиолированных растений протохлорофиллид накапливается в виде трех основных форм с максимумами поглощения 628, 638 и 648 (650) нм. Фотоактивными являются только две более длинноволновые формы, образующие прочные комплексы с белком. В 1974 г. В. Гриффите изолировал из этиопластов фермент, который катализирует восстановление протохлорофиллида в хлорофиллид. Фермент получил название НАДФН-протохлорофиллидоксидоредуктаза (ПОР). Фермент связан с проламелярным телом этиопласта, где он образует фотохимически активный комплекс с донором водорода НАДФН и протохлорофиллидом (650 нм). При освещении этого фотоактивного тройного комплекса атомы водорода от НАДФН переносятся к протохлорофиллиду с образованием хлорофиллида а, что сопровождается изменением спектра поглощения. Дальнейшее превращение хлорофиллида в хлорофилл связано с его этерификацией фитолом путем присоединения к макроциклу геранилгеранилпирофосфата — полиизопреноидной структуры (С₂₀) с четырьмя двойными связями. При гидрировании трех из них образуется фитольная структура — гидрофобный радикал молекулы хлорофилла.

Механизмы регуляции биосинтеза тетрапирролов включают сложную систему регуляторных механизмов, обеспечивающих строгую координацию всех реакций биосинтетического пути. В нормальных условиях порфирины в клетке не накапливаются. Скорость синтеза порфиринов хорошо скоординирована со скоростью их последующих превращений. При нарушении какого-либо промежуточного звена накопление порфиринов идет лишь до определенного уровня, находящегося под контролем регуляторных механизмов. Биологическое значение действия регуляторных механизмов состоит в том, что ими предотвращается накопление свободных порфиринов, обладающих высокой фотосенсибилизирующей активностью, а также бесцельная трата исходных продуктов и энергии в тех случаях, когда образующиеся порфирины не могут быть использованы для биосинтеза конечных продуктов — хлорофиллов или гемопротеидов.

Система регуляторных механизмов включает метаболитный контроль — уровень содержания в клетке необходимых субстратов (АЛК), кофакторов (АТФ, НАДФН) и ферментов

(АЛК-синтетаза), генетический контроль — осуществляет образование всех ферментных белков биосинтетической цепи, фитохромный контроль — фоторегуляция экспрессии генов, контроль синтеза хлоропластных полипептидов, кодируемых ядерным и пластидным геномами. За счет взаимодействия названных контролирующих механизмов координируются все звенья сложной системы процессов биосинтеза порфиринов в клетке.

 

3.3.3. ФИКОБИЛИНЫ

Фикобилины фикоцианин, фикоэритрин и аллофикоцианин входят в состав пигментных систем цианобактерий и красных водорослей, где вместе с хлорофиллом а выполняют функции фоторецепторов в фотосинтезе. Фикобилины представляют группу тетрапиррольных пигментов с открытой цепью (рис. 3.14). Они не содержат металла, отдельные пиррольные кольца соединены метановыми (—СН=) и метиленовыми (—СН₂—) мостиками и включают различные радикалы в форме метальных (—СН₃), винильных (—СН=СН₂), этильных (—СН₂—СН₃) групп, а также два остатка пропионовой кислоты (-СН₂-СН₂-СООН).

Рис. 3.14. Структурные формулы фикобилинов

Основной пигмент этой группы фикоцианин (синего цвета) представляет собой комплекс фикоцианобилина (простетическая группа пигмента) с белком и является, таким образом, фикобилипротеидом с молекулярной массой 273 кДа.

Фикоэритрин (красного цвета) — комплекс фикоэритробилина с белком (молекулярная масса 226 кДа). Аллофикоцианин — синий пигмент с молекулярной массой 134 кДа, состоящий из трех субъединиц.

Простетическая  группа пигментов при участии двух свободных карбоксильных групп образует прочную ковалентную связь с белком, разрываемую только при нагревании с НС1. Пигментные комплексы водорастворимы и могут быть извлечены из клеток водорослей горячей водой.

Хромофорной группой фикобилинов является система сопряженных связей, которая образуется при участии атомов углерода и азота пиррольных колец и —СН-мостиков. Молекула фикоэритробилина содержит 6 двойных связей, у фикоцианобилина их 8. Спектры поглощения фикобилинов имеют, как правило, один главный максимум, расположенный в желто-зеленой области спектра, которая слабо используется хлорофиллами (рис. 3.15). Через толщу воды наиболее глубоко проникают зеленые лучи, активно поглощаемые фикобилинами.

Для фикобилипротеидов  характерна яркая флуоресценция: у фикоэритрина — оранжевая с максимумом около 575 нм, у аллофикоцианина — красная с максимумом 660 нм. При денатурации белка и нарушении связей простетические группы фикобилинов теряют способность флуоресцировать.

В клетках водорослей фикобилины находятся в специальных  гранулах — фикобилисомах, расположенных на поверхности мембран (рис. 3.16). Пигменты в грануле образуют последовательный ряд функционально связанных пигментных комплексов. На поверхности фикобилисомы расположены коротковолновые пигменты (фикоэритрин, 570 нм), ближе к мембране — пигменты с более длинноволновым максимумом (фикоцианин, 630 нм; аллофикоцианин, 650 нм и аллофикоцианин В, 670 нм). Такое расположение пигментов в фико-билисоме позволяет с высокой скоростью и эффективностью осуществлять процессы миграции энергии, поглощаемой фикобилинами, на хлорофилл а, локализованный в мембране.

         Рис. 3.15. Спектры поглощения                                            Рис. 3.16. Организация фикобилисом

                           фикобилинов                                                                         в клетках водорослей

Фикобилины функционируют  как дополнительные пигменты в составе фотосистемы II. По данным ряда авторов (L.Duysens, 1951; K.French, 1952), 90 % энергии, поглощенной фикобилинами, мигрирует на хлорофилл а и используется в фотохимических реакциях. Для понимания физиологической роли данной группы пигментов большое значение имеет явление хроматической адаптации, исследованное в работах Н.М.Гайдукова, А.А.Рихтера, Т.Энгельмана и др. Было установлено, что содержание и состояние пигментов у водорослей зависят от условий освещения, и при изменении спектрального состава света изменяется пигментный состав, увеличивается количество пигментов, поглощающих дополнительный по отношению к падающему свет. Процесс хроматической адаптации позволяет водорослям оптимально использовать световую энергию, проникающую через толщу воды. В процессе эволюции, начиная с эвгленовых водорослей, фикобилины как дополнительные пигменты были заменены на

хлорофилл b, циклическая структура которого более устойчива по сравнению с открытой цепью фикобилинов, и дальнейший путь эволюции фотоавтотрофных организмов происходил на основе двух циклических тетрапирролов — хлорофиллов а и b.

 

3.3.4. КАРОТИНОИДЫ

 

3.3.4.1. Общая характеристика класса каротиноидов

Каротиноиды — большая  и разнообразная группа желтых, оранжевых, красных пигментов, поглощающих коротковолновую часть видимой области спектра (400 — 550 нм) и выполняющих ряд очень важных функции в фотосинтезе.

По химической природе  каротиноиды представляют собой  полиизопреноид-ную цепь, состоящую  из 40 атомов углерода, которая у большинства каротиноидов замыкается по концам в два иононовых кольца. Центральная часть молекулы, состоящая из 18 атомов углерода, представляет собой систему сопряженных связей, образуя основную хромофорную группу молекулы пигмента.