Пигментные системы фотосинтезирующих организмов

В зависимости от содержания кислорода в молекуле каротиноида различают каротины (например, β-каротин), не содержащие кислорода, и ксантофиллы — содержащие кислород в форме гидрокси-группы —ОН или эпокси-группы

У высших растений главными представителями ксантофиллов являются лютеин, виолаксантин, зеаксантин и неоксантин (рис. 3.17).

Рис, 3.17. Структурные формулы основных каротиноидов высших растений

 

Большое разнообразие пигментов  в группе каротиноидов в значительной мере связано с наличием разных изомерных  форм. Цис- и транс-изомеры с неодинаковым расположением заместителей относительно двойной связи (рис. 3.18) различаются по спектральным и химическим свойствам и имеют разную конфигурацию молекулы: транс-изомеры — линейную, цис-изомеры (9, 11, 13, 15-цис) — изогнутую. Большая часть каротиноидов ССК представлена транс-конфигурацией.

Каротиноиды присутствуют в мембранах у всех фотосинтезирующих  организмов, где они выполняют ряд важнейших функций в процессе фотосинтеза — антенную (дополнительные пигменты в процессе поглощения солнечной энергии), защитную (тушители триплетного хлорофилла и синглетного кислорода) и фотопротекторную (предохраняют реакционный центр от мощных потоков энергии при высоких интенсивностях света и стабилизируют липидную фазу тилакоидных мембран, защищая ее от переокисления).

Рис. 3.18. Конфигурация цис- и транс-изомерных форм каротиноидов

 

 

3.3.4.2. Антенная функция каротиноидов

Антенная функция предполагает энергетическое взаимодействие каротиноидов и хлорофиллов. Антенная функция имеет место в ССК и обусловлена синглетно-возбужденным состоянием каротиноидов, которые находятся в форме «все-транс». Возможность миграции энергии в пигмент-белковом комплексе от возбужденных каротиноидов к хлорофиллу доказана экспериментально работами Л.Дюйзенса в опытах с сенсибилизированной флуоресценцией в системе β-каротин → бактериохлорофилл и опытами Дж. Гудхира со спектром действия, в которых установлен перенос энергии между каротиноидами и хлорофиллами в фотосистемах I и II. Таким образом, главная функция каротиноидов в ССК — поглощение энергии и перенос ее на хлорофилл. Для этой цели в эволюции были отобраны «все-транс» каротиноиды.

 

Рис. 3.19. Спектры поглощения каротиноидов в органических растворителях:

А — β-каротин (1 — свободный; 2 — связанный с белком); В — лютеин; В — виолаксантин

 

Каротиноиды характеризуются  определенным спектром поглощения в  сине-зеленой области (400 — 550 нм) (рис. 3.19). Хромофорная группа различных  каротиноидов может включать от 9 до 13 двойных связей, что определяет положение максимумов, энергию возбуждения и общий вид спектра поглощения. У большинства каротиноидов спектр поглощения имеет главный максимум и два более или менее выраженных «плеча», что отражает три колебательных подуровня одного электронного перехода на второй возбужденный уровень (S₀→S₂). Переход электрона в первое синглетное возбужденное состояние (S₀ →  S₁) оптически запрещен. Однако фотофизические исследования возбужденных состояний каротиноидов, проведенные в последние годы, показали, что β-каротин (Кр) и другие каротиноиды (Кар) обладают лежащим ниже возбужденным синглетным уровнем S₁, на который возможен переход электрона из состояния , S₂ путем реакции внутренней конверсии (J. Koyama, 1991). На рис. 3.20 представлена диаграмма энергетических уровней β-каротина и бактериохлорофилла а, где на оси ординат отложены значения волнового числа (v), характеризующие энергию уровней. Можно видеть хорошее соответствие положения энергетических уровней β -каротина и бактериохлорофилла, что свидетельствует о возможностях миграции энергии электронного возбуждения от р-каротина к молекуле хлорофилла.

При возбуждении молекулы β -каротина переход на возбужденный уровень S₂ (S₀-^S₂) оптически разрешен, и этот переход определяет характер спектра поглощения в коротковолновой части видимой области спектра (~500 нм). Время жизни этого возбужденного состояния очень мало

Рис. 3.20. Диаграмма  уровней энергии

β-каротина и бактериохлорофилла а

(по Коуаmа, 1991, с изменениями)

(200 фс), обнаружена флуоресценция при 570 нм с очень низким квантовым выходом 6 • 10^-5.

Переход S₀→S₁ оптически запрещен, поэтому соответствующие ему полосы поглощения не обнаружены. Предполагают, что имеет место внутренняя конверсия энергии S₂→S₁ со временем 200 фс. Положение возбужденного уровня S₁ определено методом интерполяции по скорости релаксации S₂→S₁ в опытах с серией каротиноидов с различным числом двойных связей в конъюгированной цепи.

Проведенные исследования позволяют предполагать, что положение  возбужденного уровня S₁ для β-каротина близко 17 000 см ^-1 (~600 нм). Квантовый выход флуоресценции от S₁ к S₂ с максимумом около 840 нм очень мал (2 ∙ 10 ^-5), в несколько раз меньше, чем для S₂. Время жизни молекулы β -каротина в возбужденном состоянии S₁ около 10 пс. Большее время жизни и лучшее совпадение энергетических уровней β -каротина и бактериохлорофилла позволяет считать состояние S₁ более удобным для переноса энергии возбуждения на хлорофилл (см. рис. 3.20).

Механизм миграции энергии в ССК от каротиноидов к хлорофиллам изучен недостаточно. Экспериментально доказано, что имеет место очень эффективный перенос энергии от каротина (Кр) к хлорофиллу (Хл). Поскольку переход S₀→S₂ разрешен, в данном случае возможен дипольный механизм Фёрстера. При очень коротком времени жизни S₂ (200 фс) необходим теснейший контакт молекул β-каротина и хлорофилла. Время жизни S₁ значительно больше

(10 пс) и лучше совпадение  энергетических уровней, что более  удобно для переноса энергии.  Однако переход S₀→S₁ для β-каротина оптически запрещен, и дипольный механизм миграции энергии невозможен. В данном случае предполагается обменно-резонансный механизм Теренина— Декстера.

Таким образом, перенос  энергии может идти двумя путями:

1) S₂(Kp) → S₂ (Хл) и

2) S₂(Кр) → S₁(Кр) → S₁(Хл).

 

Этим можно объяснить тот факт, что в процессе эволюции для антенной функции были отобраны каротиноиды в форме «все-транс»; они обеспечивают работу двух каналов переноса энергии на хлорофилл (цис-формы каротиноидов флуоресцируют только в состоянии S₂).

 

 

3.3.4.3. Защитная функция каротиноидов

Каротиноиды в антенном комплексе и реакционном центре выполняют уникальную «защитную» функцию, которая осуществляется с участием Т₁-состояний и связана с тушением возбужденных триплетных состояний хлорофилла и синглетного кислорода ( О₂). Механизм фотоповреждения фотосинтетического аппарата в случае оксигенного фотосинтеза обусловлен фотодеструктивным действием активных форм кислорода, главным образом синглетного кислорода О₂, образующегося при взаимодействии основной формы кислорода в атмосфере ³О₂ с триплетно-возбужденным пигментом-сенсибилизатором (хлорофилл, бактериохлорофилл и др.) (рис. 3.21).

Рис. 3.21. Механизм защитного  действия каротиноидов:

S — пигмент-сенсибилизатор (¹S и ³S — соответственно синглетное и триплетное состояния); R∙ — радикальные соединения. Объяснение в тексте

Образующийся синглетный кислород является сильным окислителем  и вызывает фотоокисление окружающих структур. Особенно активно эти процессы протекают в реакционных центрах, где образование триплетного хлорофилла (³Хл) происходит в результате возможного возврата богатого энергией электрона от первичного акцептора к пигментам реакционного центра П₆₈₀ или П₇₀₀. Каротиноиды, содержащие 9 и более двойных связей, могут эффективно тушить триплетное состояние хлорофилла и образовавшийся синглетный кислород. Механизм защитного действия

β-каротина в реакционном  центре включает перенос энергии от ³Хл или ¹О₂ к β-каротину и диссипацию энергии образующегося триплетного каротина через процесс нерадиационной релаксации в тепло с переходом β-каротина в состояние S_o. Каротиноиды способны также путем переноса электрона модифицировать структуру радикальных соединений и тушить свободные радикалы, возникающие при освещении.

 

3.3.4.4. Фотопротекторная функция каротиноидов

Фотопротекторная функция  каротиноидов состоит в защите фотосинтетического аппарата от излишка энергии возбуждения при высокой интенсивности света. Эта функция связана с каротиноидами, образующими так называемый «ксантофилловый цикл».

У высших растений и зеленых  водорослей ксантофилловый цикл включает энзиматическое превращение виолаксантина в зеаксантин через интермедиат антераксантин (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Виолаксантиновый цикл. Объяснение в тексте

 

Процесс катализируется ферментом деэпоксидазой, требует участия аскорбата и кислой среды (оптимум действия фермента при рН 5,0). Такие условия рН создаются в люмене при освещении хлоропластов. В темноте протекает обратная реакция превращения зеаксантина в виолаксан-тин, которая катализируется эпоксидазой. Реакция эпоксидации осуществляется на внешней стороне мембраны при участии НАДФН и требует присутствия кислорода. Один из атомов молекулы кислорода включается в зеаксантин, другой атом в присутствии НАДФН образует Н₂О. Повторная реакция со второй молекулой О₂ приводит к образованию виолаксантина. Главная функция в защите фотосинтетического аппарата от повреждений высокой интенсивностью света принадлежит зеаксантину.

Известно несколько  возможных путей протекторного  действия зеаксантина. Один из них —  синглет — синглетный перенос  энергии от возбужденного хлорофилла (S₁) к молекуле зеаксантина (Дж. Франк и др., 1994, 2000). Увеличение числа двойных сопряженных связей при образовании зеаксантина (11 двойных связей) из виолаксантина (9 двойных связей) приводит к изменению уровней энергии первых синглетных возбужденных состояний пигментов: у

виолаксантина — 15 200 см ^-1 (энергия выражена в волновых числах), у зеаксантина — 14 200 см ^-1 и у хлорофилла — 14 700 см ^-1, (рис. 3.23).

Рис. 3.23. Энергия S₁-состояний (см ^-1) виолаксантина, хлорофилла а и зеаксантина высших растений (по Frank et al., 1996):

1 — разрешенные абсорбционные переходы; 2 — внутренняя конверсия энергии. Q_y — переход

S_o-> S₁

 

 Тот факт, что энергия S₁-состояний виолаксантина лежит выше энергии хлорофилла а, в то время как энергия зеаксантина лежит ниже энергии S₁-состояния хлорофилла а, позволяет предположить прямое энергетическое взаимодействие виолаксантина и зеаксантина с хлорофиллом, в результате чего ксантофилловый цикл высших растений и водорослей может играть важную роль в регуляции распределения энергии между виолаксантином, зеаксантином и хлорофиллом а. Ксан-тофилловый цикл может быть активным регулятором светового потока в пигмент-белковых комплексах. При низком освещении каротиноиды действуют преимущественно как светособирающие пигменты, перенося энергию к хлорофиллу. При высокой интенсивности света происходит деэпоксидация виолаксантина и система переносит энергию от S₁-состояния хлорофилла к зеаксантину с более низко лежащим уровнем S₁. Таким образом, образование зеаксантина снижает избыточное поглощение световой энергии антенным хлорофиллом и защищает систему от фотоингибирования.

Увеличение числа двойных  связей от 9 до 11 не только изменяет энергию  возбужденного состояния ксантофиллов, но и влияет также на конформацию  молекулы (кольцо-цепь): от перпендикулярной структуры у виолаксантина до планарной конформации у зеаксантина. Эти конформационные изменения могут контролировать способность каротиноидов образовывать агрегаты. Показано, что молекулы зеаксантина образуют агрегаты легче, чем виолаксантин. Поскольку виолаксантиновый цикл находится в минорных субъединицах ССК ФСII, которые служат каналами для стока энергии от внешнего ССКII к реакционному центру, то высокая концентрация в них зеаксантина и способность его к агрегации могут нарушить макроструктуру пигмент-белковых ССК и блокировать поток энергии электронного возбуждения к реакционному центру ФСII. Отмечено, что с одновременным превращением виолаксантина в зеаксантин заметно увеличивается эмиссия тепла, что, возможно, является результатом изменения конформационного состояния или агрегации хлорофилл-связывающего комплекса и ускорения перехода возбужденного хлорофилла в основное состояние. Это позволяет предполагать, что важнейшей фотопротекторной функцией зеаксантина является увеличение термальной диссипации энергии в условиях светового стресса. Связанный с зеаксантином процесс термальной диссипации энергии является уникальным и очень важным фотопротекторным действием, так как в ССК зеаксантин осуществляет превращение избытка поглощенной энергии в тепло еще до переноса энергии возбуждения в реакционный центр. Это защищает фотохимическую систему хлоропластов от необратимого повреждения, связанного с притоком огромного количества энергии в реакционный центр, которая не может быть использована в фотохимических реакциях.

В последние годы установлено, что каротиноиды хлоропластов могут  выполнять важную структурную роль. При действии света высокой интенсивности ксантофиллы распределяются между ССК и липидной фазой мембран. Молекула зеаксантина ориентируется в липидном слое перпендикулярно к поверхности мембраны. Присутствие двух полярных гидроксильных групп на кольцах молекулы позволяет зеаксантину закрепляться на обеих сторонах мембраны, соединяя два липидных слоя. Благодаря этому при взаимодействии зеаксантина с липидами снижается свойство высокой текучести, характерное для тилакоидных мембран, и увеличивается вязкость мембран, что уменьшает их чувствительность к переокислению активными формами кислорода. Повышение вязкости мембраны и уменьшение ее проницаемости по отношению к молекулярному кислороду при участии ксантофиллов и некоторых терпеноидов (α-токоферол) стабилизирует и защищает липидную фазу тилакоидных мембран от фото деструкции.

Следует отметить еще  одну возможность проявления защитной функции каротиноидов. Дж. Барбер и др. (1993) обнаружили, что в условиях, когда реакции окисления воды блокированы, р-каротин может выступать в роли редокс-активного защитного агента. В реакционном центре ФСП р-каротин может подвергаться светоиндуцированным редокс-реакциям с образованием катион-радикала (Кр⁺) с поглощением при 950 нм. В данном случае р-каротин в реакционном центре ФС2 II действует как альтернативный электронный донор к П₆₈₀:

Кр + П

→ Кр⁺ + П₆₈₀.

Эта функция β-каротина связана с защитой реакционного центра от фотоповреждений, которые могут быть при фотонакоплении П , имеющего высокий окислительный потенциал (выше 1,1 В), в результате чего возможна деградация пигментов и белка D1. В этих условиях β-каротин восстанавливает П и защищает реакционный центр от повреждения. Восстановление Кр⁺ возможно через цитохром b₅₅₉.

 

3.3.4.5. Биосинтез каротиноидов

Биосинтез каротиноидов в хлоропластах связан с общим  путем образования полиизопреноидных соединений (стеролы, боковые цепи пластохинона, убихинона, хлорофилла и др.) (рис. 3.24).

В хлоропластах высших растений обнаружен  особый путь — через 1-дезоксиксилулозо-5-фосфат. Этот биосинтетический путь начинается с взаимодействия глицеральдегид-3-фосфата и пирувата с образованием 1-дезокси-D-ксилулозо-5-фосфата. Затем следует серия реакций, которая завершается образованием изопентенилпирофосфата, главного продукта этого пути:

 

Изопентенилпирофосфат и его изомер диметилаллилпирофосфат представляют собой структурную единицу изопреноидов. Конденсация этих 5-углеродных единиц служит основой для образования соединений с различной длиной цепи: фарнезилпирофосфат (С-15), геранилгеранилпирофосфат (С-20) и др. (рис. 3.24).