Главная > Разное > Фотобиология
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Глава XI. ФОТОБИОСИНТЕТИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

К фотобиосинтетическим реакциям обычно относятся такие реакции синтеза биологических соединений, которые включают в себя не только ферментативные, но и ключевую световую стадию. В цепи последовательных биосинтетических реакций, приводящих к образованию в клетке некоторых пигментов и витаминов, именно фотохимические стадии делают невозможным синтез этих веществ в темноте. Как правило, эти реакции экзергонические, и энергия квантов света в основном используется для преодоления энергетического барьера реакции. Запасание энергии света в продуктах реакции или не происходит, или не играет какой-либо самостоятельной биологической роли. Фотохимическая стадия обычно локализуется либо в середине, либо в конце сложной биосинтетической цепи.

Наконец, возможна и такая ситуация, когда фотохимическая реакция необходима для индукции синтеза ферментов, катализирующих определенные стадии биосинтеза веществ.

1. ХЛОРОФИЛЛ

Для фотосинтезирующих организмов характерно постоянное обновление хлорофилла, включающее в себя как разрушение, так и синтез новых молекул пигмента (А. А. Шлык). Исходные продукты для синтеза хлорофилла — аминокислота глицин и янтарная кислота, при взаимодействии которых образуется -амино-р-кето-адипиновая кислота. Важнейшими этапами биосинтеза хлорофилла являются образование монопиррольных соединений, синтез лейкоформы тетрапирролов, не имеющих сопряженной системы двойных связей и лишенных вследствие этого характерной зеленой окраски, синтез сопряженного форбинного кольца с включением магния и присоединением фитола. Общая цепь химических превращений при биосинтезе может быть представлена в виде следующей схемы: глицин сукцинил -амино-р-кетоадипиновая кислота порфобилиноген - уропорфириноген - уропорфирин III - эпротопорфирин IX - протохлоро-филлид-нкхлорофиллид->-хлорофилл.

В отсутствие света цепь биосинтеза хлорофилла прерывается на стадии протохлорофиллида, который накапливается в растении в относительно небольших количествах. Именно поэтому растения, выращенные в темноте (этиолированные проростки), лишены обычной зеленой окраски.

На протяжении многих лет считалось, что свет необходим для фотохимического превращения протохлорофилла в хлорофилл. Однако в последнее время твердо установлено, что непосредственным предшественником хлорофилла как у этиолированных, так и у зеленых листьев является не протохлорофилл, а его бесфитольная форма — протохлорофиллид. Свет же необходим для превращения протохлорофиллида в хлорофиллид. Так, в опытах Виргина кратковременное освещение этиолированных листьев пшеницы приводило к исчезновению протохлорофиллида с параллельным накоплением хлорофиллида, в то время как количество протохлорофилла не изменялось. А. А. Шлык с используя метод меченых атомов, установил, что удельная радиоактивность протохлорофиллида при освещении зеленых

листьев уменьшается, а удельная радиоактивность хлорофилла а соответственно возрастает. Более того, зеленые листья практически не содержат протохлорофилла: максимально возможное его количество, по крайней мере, на три-четыре порядка ниже, чем протохлорофиллида. Заключительные стадии сложной цепи биосинтеза хлорофилла можно представить следующей реакцией: протохлорофиллид - хлорофиллид - хлорофилл.

Эта схема справедлива как для зеленеющих этиолированных проростков, так и для «взрослых» зеленых растений, в которых интенсивно протекают процессы обновления (сбалансированного биосинтеза и разрушения) хлорофилла, оптимизирующие уровень активности фотосинтетического аппарата.

В растениях хлорофилл и его предшественники находятся в нековалентном комплексе с белковым носителем, получившим названия протохлорофиллид-, хлорофиллид- и хлорофилл-голохромов. Эти комплексы выделены и частично изучены. По данным разных авторов, молекулярная масса белкового носителя, имеющего субъединичное строение, колеблется от до причем в состав комплекса входит одна-две молекулы пигмента. Для эффективного протекания фотохимической реакции протохлорофиллид - хлорофиллид необходим нативный белковый носитель; различные воздействия, денатурирующие белок, резко уменьшают скорость фотоконверсии. Свободный пигмент без носителя (в растворе) претерпевает фотохимические превращения со значительно меньшей эффективностью. При этом образуется преимущественно цuc-форма, не свойственная растениям Гуринович).

На тесную зависимость фотолабильности протохло-рофиллида от свойств микроокружения и состояния хлоропласта указывают и данные, полученные Т. Н. Годневым с сотр., согласно которым обезвоженные проростки ячменя более устойчивы к предельно высоким и низким температурам, чем интактные растения. У таких растений протохлорофиллид способен превращаться в хлорофиллид при более низкой температуре. Если у интактных растений фотоконверсия прекращается при нагревании до то у высушенных —

при нагревании до более высоких температур

Спектры действия превращения протохлорофиллида в хлорофиллид как в растении, так и в изолированных протохлорофиллид-голохромах близки к спектрам поглощения протохлорофиллида (красный максимум in vivo около 650, in vitro 639 и синий при 445 нм). Следовательно, основным акцептором фотохимически активного света является сам протохлорофиллид, а свет, поглощенный хлорофиллом и каротиноидами, практически не используется для фотоконверсии. Для изолированного протохлорофиллидголохрома (табл. 10) обнаружен белковый максимум в спектре действия что свидетельствует о протекании миграции энергии между ароматическими остатками белкового носителя и пигментом.

Таблица 10. Характеристики спектров поглощения протохлорофиллида и спектров действия фотоконверсии протохлорофиллид - хлорофиллид

По-видимому, в зеленом растении реальный вклад белкового поглощения в фотоконверсию протохлорофиллида ничтожно мал, если учесть спектральный состав солнечного света и сильный экранирующий эффект пигментов.

В растениях представлены три основные формы протохлорофилловых пигментов, которые обозначаются (индексы указывают на положение

максимума поглощения). Следует отметить, что все три формы одновременно встречаются относительно редко и лишь у некоторых представителей растительного мира. Максимумы спектров флуоресценции форм располагаются соответственно при 655, 640 и 631 нм. Спектральные различия форм обусловлены не различиями в химических свойствах пигментов, а характером микроокружения вокруг них — природой и интенсивностью межмолекулярных взаимодействий.

А. А. Красновский с сотр. считают, что форма 635 принадлежит мономерному, а форма 650 — агрегированному протохлорофиллиду. Действительно, различные воздействия, приводящие к дезагрегации пигментов, вызывают превращение длинноволновой формы в коротковолновую. По данным других авторов, в различные формы протохлорофилловых пигментов могут одновременно входить как протохлорофилл, так и его бесфитольная форма протохлорофиллид. По-видимому, значительную роль играют также взаимодействия типа белок - пигмент и липид - пигмент.

По мере зеленения растений отмечается уменьшение содержания коротковолновой формы и накопление длинноволновой формы которая постепенно становится доминирующей. По данным Сиронваля, форма фотоинертна, а формы превращаются на свету в различные формы хлорофиллида При этом превращается в хлорофиллид с большей скоростью, чем форма Характерно, что свет, поглощенный в растениях с преобладанием судя по спектрам действия, используется для конверсии (Годнев, Раскин, Акулович, Орловская). Это на первый взгляд загадочное явление авторы объясняют тем, что в этих объектах формы сами по себе фотоинертны и превращаются в хлорофиллид через причем убыль сдвигает темновую реакцию вправо. В конечном счете свет с длиной волны 650 им приводит к фотопревращению формы в хлорофиллид. Вслед за образованием небольших количеств хлорофиллида происходит миграция энергии протохлорофиллид хлорофиллид.

Фотохимическая реакция превращения заключается в фотовосстановлении

присоединении двух атомов водорода у седьмого и восьмого атомов углерода в четвертом пиррольном кольце форбина.

Квантовый выход фотоконверсии впервые был измерен Смитом и Френчем в 1958 г. Авторы работали с разбавленными растворами протохлорофиллид-голохрома, выделенного из листьев фасоли. По их данным, квантовый выход был оценен величиной По данным В. И. Раскина, квантовый выход фотореакции у этиолированных листьев кукурузы непостоянен и варьирует в зависимости от возраста и физиологического состояния от 0,25 до 0,6, принимая при подкормке растений -аминолевулиновой кислотой, являющейся предшественником протохлорофиллида, значения, близкие к единице.

Природа донора водорода в реакции восстановления протохлорофиллида еще не выяснена. Предполагается, что донорами водорода могут быть НАДН, аскорбиновая кислота или белок.

В 1976 г. В. И. Раскин зарегистрировал в спектре поглощения постэтиолированных листьев, освещенных при температуре полосу поглощения при что позволило ему сделать заключение об образовании комплекса с переносом заряда между прото-хлорофиллидом и донором электронов.

Используя технику глубокого охлаждения, Ф. Ф. Литвин и О. Б. Беляева пришли к предположению, что световая стадия биосинтеза включает две последовательные фотохимические реакции. В первой из них происходит разрыв двойной связи и образование промежуточного продукта, близкого по своей природе к свободным радикалам семихинонного типа. И только в результате поглощения второго кванта света образуется обычный хлорофиллид.

Однако при обычных температурах процесс фотоконверсии вряд ли имеет двухфотонную природу, поскольку это противоречит высоким значениям квантового выхода реакции В целом заключительные стадии биосинтеза хлорофилла включают в себя как световые, так и темновые реакции:

Хотя фитолизация хлорофиллида может происходить и в темноте, свет, по данным ряда авторов, способен стимулировать реакцию

Необходимо отметить, что процесс биосинтеза пигментной системы не заканчивается реакцией хлорофиллид-кхлорофилл (см. схему). После образования хлорофилла из предшественников в фотосинтетическом аппарате происходит ряд сложных физико-химических превращений, внешне проявляющихся в так называемом спектральном сдвиге Шибата. Сущность этих реакций заключается в изменении степени агрегации пигментов и характера межмолекулярных взаимодействий с белками и липидами в ходе их включения в липопротеидный матрикс тилакоидной мембраны.

Из зависимости скорости реакции превращения протохлорофиллида в хлорофиллид от интенсивности света следует, что данная реакция протекает по одноквантовому механизму скорее всего через триплетное возбужденное состояние (последнее следует из данных Г. П. Гуриновича и сотр.).

Согласно данным Бордмана, фотопревращение протохлорофиллида в хлорофиллид не чувствительно к изменениям вязкости среды и мало зависит от температуры. Энергия активации этого процесса в интервале температур от —40 до С составляет 1,3 и несколько возрастает при более низких температурах (от —40 до — принимая значение 5,2 ккал/моль. Заметное торможение фотоконверсии наблюдается лишь при температуре ниже — Все эти факты означают, что для протекания реакции не требуются межмолекулярные активационные столкновения.

В связи с этим на первый взгляд кажется неожиданным, что кинетика реакции по протохлорофиллиду — зависимость скорости реакции от исходной концентрации протохлорофиллида — подчиняется уравнению реакции не первого, а второго порядка. Этот вывод следует из опытов Смита, Бенитеза, Виргина, Мадсена, Бордмана на этиолированных и А. А. Шлыка на зеленых растениях. Подобная кинетическая закономерность как будто бы должна предусматривать столкновение между двумя молекулами протохлорофиллида — возбужденной и невозбужденной. Противоречие между «световой» и концентрационной кинетикой давно привлекает внимание исследователей.

По мнению Мадсена, в действительности имеет место реакция первого порядка, которая в условиях эксперимента проявляется как реакция второго порядка. Это может быть обусловлено тем, что при малых оптических плотностях количество поглощенного света (т. е. количество электронно-возбужденных состояний) возрастает пропорционально концентрации протохлорофиллида, поскольку Для малых оптических плотностей и, следовательно,

Учитывая пропорциональность скорости конверсии концентрации вещества (для реакции первого порядка) и количеству поглощенной световой энергии, после подстановки в уравнение вместо произведения получим следующее выражение для скорости процесса:

Однако интерпретация Мадсена не совсем правомочна. Действительно, если столкновения между возбужденной и невозбужденной молекулами протохлорофиллида не нужны, то скорость реакции должна определяться не общим количеством молекул, как это предполагает Мадсен, а лишь количеством электронновозбужденных состояний, которое линейно, но не квадратично зависит от концентрации протохлорофиллида.

В последнее время исследователи, работающие в области биосинтеза хлорофилловых пигментов, все

более склоняются к точке зрения о кажущемся характере кинетики реакции второго порядка фотовосстановления протохлорофиллида.

Из опытов Сиронваля, например, следует, что порядок реакции протохлорофиллид - хлорофиллид зависит от длины волны действующего монохроматического света при длительности светового импульса от до 1 с. Так, для монохроматического света с длиной волны больше фототрансформация протохлорофиллида в этиолированных листьях подчиняется кинетике реакции первого порядка. Второй порядок реакции регистрируется только при освещении светом с Отсюда следует, что в первом случае наблюдается фотопревращение длинноволновой формы протохлорофиллида во втором — длинноволновой и коротковолновой Этот вывод подтверждается также различным ходом температурной зависимости скорости фотоконверсии выше и ниже — 18°С. В конечном счете кинетика реакции второго порядка имитируется в результате наложения двух различных экспоненциальных зависимостей реакции первого порядка.

В опытах Бордмана кажущийся второй порядок реакции объясняется протеканием миграции энергии между протохлорофиллидом и хлорофиллидом а в пределах молекулярных групп, в состав которых входит предшественник.

А. А. Шлыком с сотр. убедительно показано, что биосинтез хлорофилла, а следовательно, и процессы фотоконверсии протохлорофиллид - хлорофиллид не распределены равномерно по всему хлоропласту, а локализованы в специфических участках мембранной системы — реакционных центрах биосинтеза хлорофилла. Вследствие этого хлорофилловые пигменты возникают сразу группами, причем в первую очередь формируется пигментный аппарат фотосистемы Представления об опережающем биосинтезе хлорофилла фотосистемы I основываются на двух основных экспериментальных фактах. Во-первых, легкие частицы хлоропластов, несущие в себе аппарат фотосистемы I, обогащены, судя по данным радиоизотопного анализа, свежеобразованными молекулами хлорофилла: метка введенная в растение перед выделением и фракционированием

хлоропластов, используется в первую очередь при синтезе пигментного фонда фотосистемы Во-вторых, легкие частицы хлоропластов отличаются повышенным содержанием предшественников хлорофилла — протохлорофиллида и хлорофиллида.

К настоящему времени накопилось достаточное количество фактов, свидетельствующих в пользу того, что функциональная активность реакционных центров биосинтеза хлорофилла управляется светом. Накопление протохлорофиллида в темноте происходит лишь до определенного относительно низкого уровня даже при избытке его предшественников в цепи биосинтеза на стадии перед -аминолевулиновой кислотой Скорость темнового ресинтеза протохлорофиллида определяется долей его превращения в хлорофиллид под действием света: чем большее количество протохлорофиллида переведено в хлорофиллид, тем с большей скоростью происходит восстановление в темноте исходного фонда протохлорофиллида.

Установлено, что регулируемым звеном является синтетаза -аминолевулиновой кислоты, а регулирующим — протохлорофиллид. По-видимому, накопление протохлорофиллида в темноте аллостерическим путем изменяет конформацию АЛК-синтетазы, вследствие чего по принципу отрицательной обратной связи блокируется дальнейший синтез протохлорофиллида. Свет, вызывая реакцию снимает блок, поэтому скорость ресинтеза протохлорофиллида зависит от степени этого превращения.

По мнению В. Калера, все заключительные стадии биосинтеза хлорофилла локализованы в активном центре одной и той же интегрированной ферментативной системы — олигомере, состоящем из восьми мономерных белковых единиц, причем промежуточные продукты синтеза пигмента постоянно связаны с белком (реакция типа ферменты-фермент, а не Изменение типа ферментативной активности определяется конформационными переходами в олигомере, а вход всего олигомера закрыт до тех пор, пока не завершится реакция протохлорофиллид Затем хлорофилл сбрасывается с олигомера и после конформационного перехода

восстанавливается его исходная структура. Возможно, свет через фотохимическую реакцию протохлорофиллид - хлорофиллид управляет и конформационным состоянием мембран, включающих реакционные центры биосинтеза хлорофилла, определяя тем самым уровень их функциональной активности.

Согласно данным А. Б. Рудого, в цепи биосинтеза хлорофилла высших растений наряду с фотохимической стадией превращения протохлорофиллида в хлорофиллид представлен еще один быстродействующий фоторегулятор. Было показано, в частности, что спустя 4—6 ч после начала зеленения этиолированных проростков появляется новый светозависимый механизм, способный быстро воздействовать на скорость образования первого специфического предшественника хлорофилла — -аминолевулиновой кислоты.

Таким образом, в сложной цепи биосинтеза хлорофилла наряду с темповыми ферментативными стадиями представлена световая (фотохимическая) стадия восстановления протохлорофиллида до хлорофиллида, играющая существенную роль в регуляции биосинтеза. Биосинтез хлорофилла осуществляется непрерывно на протяжении всей жизни зеленого растения и обеспечивает поддержание фотосинтетического аппарата в оптимальном функционально-активном состоянии в ходе постоянного обновления пигментного фонда.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление