ФР №2
.docxФизико-химические свойства фотосинтетических пигментов. Биосинтез хлорофиллов и каротиноидов
Хлорофиллы. Этапы биосинтеза хлорофиллов
Хлорофилл — сложное органическое вещество. Одной из главных труд-ностей для выявления точного химического состава хлорофилла является его полная нерастворимость в воде и легкая изменчивость под воздействием со-лей, кислот и щелочей. Суммарный химический состав молекулы хлорофил-ла можно выразить следующей формулой:
хлорофилл a - C66H72О5N4Mg, хлорофилл b - С66Н70О6N4Mg.
Указанные хлорофиллы отличаются одним атомом кислорода и двумя водорода, по цвету хлорофилл а — сине-зеленый; b — желто-зеленый.
По химической природе хлорофилл а представляет собой сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, в одном карбоксиле которой водород замещен остатком метанола, а в другом — фитола.
Хлорофилл а — самый важный из фотосинтетических пигментов, он присутствует во всех фотосинтезирующих растениях. Существуют и другие формы хлорофиллов (b, с1, с2 и d), их называют вспомогательными.
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 ча-сти мембраны тилакоида, а фитольный хвост в гидрофобной. Имея разные свойства, две части молекулы хлорофилла выполняют различную функцию: порфириновое ядро, содержащее конъюгированные связи, поглощает свет, а фитольный хвост играет роль якоря, который удерживает молекулу хлоро-филла в определенной части мембраны тилакоида.
Синтез хлорофилла
Это многоступенчатый процесс, который делят на две фазы: темновую и световую. В темноте происходит синтез протохлорофиллида, который отли-чается от хлорофилла отсутствием остатка фитола и двух атомов водорода. Затем на свету протохлорофиллид присоединяет 2 атома водорода к 7-му и 8-му углеродным атомам и образует хлорофиллид. К последнему присоединя-ется фитол, и он превращается в хлорофилл (фермент хлорофиллаза); эта ре-акция тоже идет в темноте.
Биосинтез хлорофилла, все ферменты которого локализованы в хлоро-пластах, подразделяется на следующие этапы:
δ-Аминолевулиновая кислота (δ-АЛК) — порфобилиноген — уропорфи-риноген I и копропорфиноген Ш — протопорфиноген IX — протопорфирин IX - Mg-протопорфирин IX — метиловый эфир Mg-протопорфирина IX -протохлорофиллид — протохлорофиллид голохром — хлорофиллида голо-хром — хлорофиллид а — хлорофилл.
Каротиноиды
Каротиноиды — жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого и красного цветов. Они входят в состав хлоропластов и хромопластов незеле-ных частей растений (цветов, плодов, корнеплодов). В зеленых листьях их окраска маскируется хлорофиллом.
Каротиноиды являются тетратерпеноидами (8 остатков изопрена) и со-держат 40 атомов углерода. Они представляют собой цепи, которые имеют, как и хлорофилл, двойные сопряженные связи. На одном или двух концах цепи находятся иононовые кольца.
Каротиноиды делят на две группы: каротины и ксантофиллы. Каротины, например α-каротин (С40Н6б), представляют собой чистые углеводороды (тет-ратерпены).
Ксантофиллы же — лютеин С40Н66О2 и виолаксантин С40Н6бО4 — окис-ленные соединения. Каротины имеют оранжевую или красную окраску, а ксантофиллы — желтую.
Молекулы каротиноидов имеют длину около 3 нм; те, которые прини-мают участие в фотосинтезе, обычно имеют 9 или более двойных связей.
Синтез каротиноидов начинается с ацетил-СоА через мевалоновую кислоту, геранилгеранилпирофосфат до ликопина. Ликопин (С40Н56) является предшественником всех других каротиноидов. Синтез идет в темноте, но ускоряется при действии света. Ликопин имеет ациклическую структуру (от-сутствие кольца с двух концов молекулы) и характерен для плодов томата. Циклизация в концах (одного или двух) молекулы ликопина приводит к об-разованию разных колец (β- и ε-иононовых). Так, образование двух β-иононовых колец (по обоим концам молекулы) приводит к образованию β-каротина. Вообще, последовательность превращения каротиноидов следую-щая:
β -каротин (два β -иононовых кольца) — α-каротин (одно β -, другое ε -иононовое) — лютеин (ε -иононовые кольца и ОН-группа в кольце при С3);
β -каротин — зеаксантин (два кольца β -иононовые и группа ОН в коль-цах) —виолаксантин (два β -иононовых кольца, кроме ОН-групп, появляются эпоксигруппы в каждом кольце).
Фотопротекторная роль каротиноидов, т. е. защита хлорофилла от фото-окисления объясняется их способностью взаимодействовать с возбужденны-ми молекулами кислорода и хлорофилла. В этом случае энергия возбуждения триплетного хлорофилла и синглетного кислорода резонансным путем пере-дается на каротиноиды, а затем рассеивается в виде тепла.
Таким образом, активный ацетил, образующийся из пировиноградной кислоты, служит исходным веществом для биосинтеза в растениях сложных соединений, к каким относятся и каротиноиды.
3.Фикобилины
К пигментам, которые участвуют в световой стадии фотосинтеза, отно-сятся и фикобилины. Все фотосинтетические пигменты (хлорофиллы, каро-тиноиды и фикобилины) входят в состав пигментных систем в виде хромпро-теинов, т. е. пигмент-белковых комплексов. Хлорофиллы и каротиноиды свя-заны с белками относительно слабо, связь между пигментом и белком неко-валентная. Поскольку такие связи легко нарушаются, хлорофиллы и кароти-ноиды можно экстрагировать с помощью органических растворителей (аце-тон, спирт).
Фикобилины связаны с белком ковалентно, поэтому они находятся в ви-де молекул — фикобилипротеинов. Фикобилипротеины растворимы в воде и легко вымываются из мацерированных тканей водой или разбавленными растворами солей. Однако для разрушения молекулы фикобилипротеинов путем расщепления связи между пигментом и белком необходим гидролиз в жест-ких условиях.
По структуре фикобилины — тоже тетрапирроллы, но с открытой це-пью, которые имеют систему конъюгированных двойных и одинарных свя-зей. У фикобилинов четыре остатка пиррола вытянуты в открытую цепь та-ким образом, что замкнутого порфиринового кольца в них не образуется. В своем составе они не содержат атомов Mg или других металлов, а также фи-тола. Эти пигменты делят на две основные группы в соответствии с их цве-том — красные (фикоэритрины) и синие (фикоцианины).
Название «фикобилины» предложил Лемберг (20-е гг. XX в.) из-за их подобия с желтыми пигментами.
Фикоэритрин и фикоцианин состоят из двух разных белковых субъеди-ниц: α (молекулярная масса около 19 кД) и β (около 21 кД). Стехиометрич-ные отношения α- и β-субъединиц составляют 1:1. Каждая из белковых субъ-единиц несет ковалентно связанный с ней фикобилин, при этом субъедини-цы, выделенные из разных организмов, могут нести разное количество моле-кул фикобилина — от одной до четырех. Как правило, фикобилины, связан-ные 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 них является преобладающим. In vivo белко-вая 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 относится и аллофикоцианин. Он назван так потому, что его сначала принимали за одну из форм фикоцианина. Аллофикоцианин при-сутствует в небольших количествах в водорослях семейств красных и сине-зеленых. В отличие от других фикобилипротеинов его молекула состоит только из одного типа белковых субъединиц (молекулярная масса около 15 кД), при этом каждая субъединица несет одну молекулу аллофикоцианина. In vivo она объединяется в агрегаты с молекулярной массой около 10 кД, состо-ящие из шести субъединиц.
В клетках водорослей фикобилипротеины агрегируются один с другим, образуя гранулы, которые называются фикобилисомами. Фикобилисомы об-разуют упорядоченные ансамбли на поверхности тилакоидных мембран.
Каротиноиды и фикобилины, как и хлорофиллы b, c1 с2 и d, называют вспомогательными или сопутствующими пигментами. Это определяется их функциями.
Если хлорофилл а встречается in vivo во всех видах растений, то b — у высших растений и двух семейств водорослей (зеленые и эвгленовые), а фикобилины только в водорослях трех семейств: красных, сине-зеленых и криптофитовых.