2. КАРОТИНОИДЫ

Видимый свет стимулирует биосинтез каротиноидов у бактерий, грибов, дрожжей и высших фотосинтезирующих организмов. Аппарат биосинтеза каротиноидов активируется светом только в присутствии кислорода, причем каротиноиды начинают накапливаться после заметного латентного периода (40 мин) и через 6—8 ч синтез заканчивается. Температура в момент освещения не влияет на каротиногенез а повышение температуры после освещения ему способствует. Следовательно, синтез пигментов запускается простой фотохимической реакцией (скорее всего реакцией фотоокисления) и включает в себя темновые ферментативные стадии. При этом какой-либо связи между

каротиногенезом и биосинтезом хлорофилловых пигментов не отмечается. Показано, например, что у фотосинтезирующих организмов можно заблокировать синтез хлорофилла а специфическими агентами, не снижая при этом стимулирующего действия света на образование каро-тиноидов. Более того, светоиндуцированный синтез ка-ротиноидов характерен и для гетеротрофных организмов.

В большинстве случаев количество образовавшихся каротиноидов связано с интенсивностью света нелинейной зависимостью. При этом наиболее типичной является логарифмическая зависимость.

Рис. 43. Спектр действия индуцированного светом синтеза каротиноидов у Fusarum aquaeductum (Claes Н., 1966)

Рис. 44. Спектр действия индукции синтеза каротиноидов у Chlorella vulgaris (Rau W., 1967)

Как правило, ни каротиноиды, ни их предшественники акцепторами активного света не являются. Если судить по спектрам действия, то в качестве хромофоров могут выступать флавины у Neurospora, Fusarum aquaeductum (рис. 43) и Mycobacterium, за исключением М. marinum; цитохром с у М. marinum; хлорофилл у Chlorella vulgaris (рис. 44). Участие флавинов в акцепции света у названных биообъектов подтверждается не только спектрами действия (см. рис. 43), но и блокированием эффекта сильными восстановителями (гидросульфитом) и подкислением среды, вызывающим диссоциацию флавопротеидов.

Итак, в основе каротиногенеза лежит фотосенсибилизированная реакция окисления некоего интермедиата, причем потребление кислорода в момент освещения больше, чем после него (во время латентного периода). Предполагается, что эта фотореакция у большинства организмов индуцирует синтез ферментов, субстратом которых служит предшественник каротиноидов, накапливающийся в темноте. В пользу этого можно привести следующие аргументы: 1) высокие значения квантового выхода реакции (образование четырех молекул -каротина на поглощенный квант света у нейроспоры); 2) наличие латентного периода между освещением и накоплением каротиноидов; 3) существование мутантов, синтезирующих каротиноиды в темноте, у которых свет не активизирует синтез; 4) блокирование эффекта фотоиндукции ингибиторами синтеза белка и РНК - хлорамфениколом, циклогексимидом, пуромицином.

По-видимому, один из основных предшественников каротиноидов, накапливающихся в темноте, — фитоин, который в серии последовательных реакций дегидрирования превращается в каротиноиды.

Рассмотрим более подробно имеющиеся данные о светоиндуцированном каротиногенезе у различных представителей растительного мира.

Фотобиосинтез каротиноидов у эвглены характеризуется одной отличительной особенностью. Стимуляция синтеза -каротина у этого организма происходит только на свету и прекращается сразу после перевода эвглены в темноту. Оптимальное значение pH для биосинтеза у выращенных в темноте клеток равно 6, а у выращенных на свету темноте эвглена накапливает большие количества полиэнов, фитоина, фитофлюина и -каротина, но не нейроспорина, ликопина или -каротина. По мнению Дольфина, ключевой участок — место приложения активирующего агента — находится в цепи биосинтеза после -каротина. Стимуляция осуществляется с помощью активируемого светом фермента.

У растущего в темноте гриба Fusarum aquaeductum с помощью хроматографии удалось выделить только следы каротиноидов: -каротина, -каротина, торулена, нейроспорина и ликопина. Облучение светом сопровождается значительным увеличением содержания всех

этих каротиноидов, причем относительное количество каждого из них возрастает в указанной последовательности в направлении ликопина. В этом же направлении уменьшается и степень ненасыщенности соединений. Анализ данных по ингибированию каротиногенеза ци-клогексимидом (ингибитор трансляции), вводимым в среду через различные интервалы времени после освещения, и дифениламином, инактивирующим дегидрогеназы, привел Рау к выводу, что свет стимулирует синтез всех ферментов каротиногенеза между 2-каротином и ликопнном.

Рау было показано также, что «фотоиндуцирован-ные состояния», включающиеся в цепь синтеза энзимов и ответственные за стимуляцию каротиногенеза, достаточно долгоживущи. Иначе говоря, весь процесс фотоиндукции обладает какой-то «памятью». Об этом свидетельствуют такие эксперименты. Даже после интенсивного освещения мицелия Fusarum в аэробных условиях индуцированное образование каротиноидов в темноте полностью прекращается, если объект затем перенести в анаэробную среду. И наоборот, синтез пигментов возобновляется без новой подсветки, если аэробные условия восстановлены. Продолжительность «анаэробного» интервала в некоторых опытах Рау достигала даже 48 ч.

Методом меченых атомов Хардинг с сотр. определил последовательность превращений в цепи биосинтеза каротиноидов у Neurospora. В целом их схема является незначительной модификацией общей схемы биосинтеза каротиноидов по Портеру и Андерсону:

В противоположность Fusarum aquaeductum у нейроспоры, как полагает Хардинг с сотр., ключевой участок цепи в индукции биосинтеза один. Он располагается между фитоином и фитофлюином. При этом свет снимает частичную темновую репрессию синтеза фито-индегидрогеназы благодаря сенсибилизированному окислительно-восстановительному повреждению репрес-сора этого фермента.

Свет не только индуцирует синтез каротиноидов, но и вызывает превращения одних форм каротиноидов в другие. Предполагается следующий путь превращения -каротина в ксантофиллы:

Участок цепи обратимых химических превращений между виолаксантином и зеаксантином получил название виолаксантинового, или антероксантинового, цикла.

Реакция слева направо в цикле — дезэпоксидация, т. е. удаление эпоксидного кислорода, а в обратном направлении — эпоксидация. Реакция дезэпоксидации индуцируется светом и имеет спектр действия с максимумами при

И. Сапожниковым с сотр. показано, однако, что дезэпоксидация может происходить и в аэробных условиях, но по другому механизму, чем при анаэробиозе: фотоокисление эпоксидной группы или фотовосстановление ее с образованием воды. Биологически активный свет, по-видимому, поглощается как каротиноидами, так и хлорофиллом, а направление реакции в цикле зависит от внутриклеточного газового состава. Кроме того, высказывается предположение, что виолаксантиновый цикл принимает участие в реакциях образования молекулярного кислорода при фотоокислении воды.