Биологический каталог




Фотосинтез

Автор Д.Холл, К.Рао

лей. Самые древние водоросли, сине-зеленые (их называют также цианобактериями), вообще не содержат хлоропластов как таковых. Фотосинтез у этих организмов происходит в расположенных параллельными слоями ламеллярных мембранах, пронизывающих всю цитоплазму.

Хлоропласты высших растений можно фракционировать, отделив зеленые ламеллы^от бесцветного матрикса (стромы). Мембраны ламелл, в которые входит хлорофилл, состоят из белков и липидов в соотношении примерно один к одному. Белки катализируют ферментативные реакции и обусловливают механическую прочность мембран. Большинство светособирающих молекул хлорофилла а и хлорофилла Ь связаны со специфическими мембранными белками. Присутствие липидов облегчает запасание энергии и обеспечивает избирательную проницаемость для Сахаров, солей, субстратов и т. п. Липиды хлоропластов играют важную роль в сохранении структуры и функции мембраны. Одной из причин разрушения хлоропластов под влиянием тепла или света является выход'липидов из мембран и окисление липидов.

Процесс преобразования световой энергии и связанный с ним транспорт электронов при фотосинтезе происходят в ламеллах. Строма содержит много растворимых белков, в том числе ферменты цикла Кальвина — Бенсо-на (Calvin, Benson) (гл. 6), катализирующие темновые реакции восстановления С02 до углеводов.

3.1. Выделение хлоропластов из листьев

Фотосинтетически активные хлоропласты впервые выделил из клетки Хилл. Активность его препаратов ограничивалась выделением 02 и сопряженным восстановлением нефизиологических акцепторов электрона (см.

гл. 2). Арнон и Уотли (Arnon, Whatley) выделили хлоропласты в изотоническом растворе хлористого натрия (концентрация составляла около 0,35 М, или 2%). Полученные ими препараты были способны к фотовосстановлению NADP+ и фотофосфорилированию, но фиксировали СОг очень медленно, хотя и содержали все ферменты цикла Кальвина — Бенсона (цикла фиксации СОг). Под световым микроскопом такие хлоропласты казались неповрежденными, но микрофотографии, полученные с помощью электронного микроскопа, показывали, что у этих хлоропластов отсутствует наружная оболочка и что они представляют собой обнаженные системы ла-мелл. Такие хлоропласты называют хлоропластами «типа С» (разрушенными, broken) (рис. 3.6). Уолкер (Walker) разработал цпособ выделения хлоропластов «типа А» (целые, complete), у которых наружная оболочка сохраняется и которые могут фиксировать С02 со скоростью, достигающей 90% скорости фиксации в целых листьях. Более подробные сведения о типах можно найти в статье Холла (Hall, Nature 235, 125, 1972).

Ниже описаны два способа выделения хлоропластов, которыми пользуются в нашей лаборатории. Все растворы и аппаратуру следует заранее охладить на льду. Выделение необходимо проводить как можно быстрее (ом. также гл. 5).

Способ L Методика Уотли и Арнона (видоизмененная)

0,35 М 0,04 М

Среда для измельчения листьев:

NaCl 0,3

трио НС!-буфер, рИ 8,0 0,0

25 г листьев шпината нарезать на мелкие кусочки длиной 0,5—1 см. Полученный материал .поместить в гомогенизатор М. S. Е. Atomix (или в бытовой миксер) и залить 50 см3 средь; для измельчения. Гомогенизировать 10 с на малой скорос/ги и 20 с на большой скорости. Профильтровать гомогенат через найлоновый мешочек (или через 4 слоя марли) в центрифужную пробирку. Центрифугировать 4 мин при 2000 g. Отбросить над-осадочную фракцию. Ресуспендировать осадок в 2 мл 0,35 М раствора NaCl, пользуясь небольшим кусочком гигроскопичной ваты, намотанным на стеклянную палочку. Полученный препарат состоит из хлоропластов типа С (разрушенных). Фрагменты хлоропластов (тип Е) получают при разведении суспензии 10-кратным объемом воды, доводя концентрацию NaCl до 0,035 М. Способ 2. Методика Уолкера

Довести рН до 7,6, добавляя NaOH

0,05 М

Гомогенизировать в бытовом миксере 50 г охлажденных листьев шпината в 200 см3 свежеприготовленной среды для измельчения, включая миксер на 3—5 с. Отжать полученную массу через два слоя марли и профильтровать через 8 слоев марли в пластмассовые центрифужные пробирки емкостью 50 см3. Сразу центрифугировать при 0qC так, чтобы общее время для разгона центрифуги от 0 до 4000 g и последующей остановки составило примерно 90 с. Осторожно ресуспендировать осадок с помощью стеклянной палочки и небольшого кусочка гигроскопичной ваты в 1 см3 среды для ресус|пен-дирования (см. выше). В результате получается суспензия хлоропластов, состоящая на 50—80% из хлоропластов типа А (полных), способных к фиксации СОг с высокой скоростью.

3.2. Пигменты хлоропластов

Все фотосинтезирующие организмы содержат один или несколько органических пигментов, способных поглощать видимый свет, запуская тем самым фотохимические реакции фотосинтеза. Из большинства листьев эти пигменты можно экстрагировать спиртом или другими органическими растворителями. Выделить индивидуальные пигменты из спиртового экстракта можно методом хроматографии на колонке с сахарной пудрой. Впервые это сделал русский ботаник М. С. Цвет в 1906 г. В растениях и водорослях встречаются пигменты трех основных классов — хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины. Хлорофиллы и каротиноиды нерастворимы в воде, а фикобилины растворимы. Каротиноиды и фикобилины называют вспомогательными, или сопровождающими, пигментами, поскольку энергия квантов света, поглощенных этими пигментами, может передаваться на хлорофилл. В табл. 3.1 приведены характеристики поглощения света этими пигментами. Пигменты фотосинтезирующих бактерий описаны в гл. 7.

Хлорофиллы придают растениям характерный зеленый цвет. Они нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях. Хлорофилл а имеет голубовато-зеленый цвет, хлорофилл b—желтовато-зеленый. Хлорофилл а имеется у всех фотосинтези

рующих организмов, способных к выделению кислорода. Хлорофилл Ъ обнаружен в листьях высших растений и в зеленых водорослях, причем его содержание примерно втрое меньше содержания хлорофилла а. Максимумы поглощения хлорофилла а и хлорофилла Ь в эфире находятся при 660 и 643 нм соответственно (рис. 3.7). Максимумы поглощения в ацетоне расположены при 663 и

645 нм. Следует, однако, иметь в виду, что внимательное изучение спектральных свойств живых клеток указывает на существование множественных форм хлорофилла a in vivo. Эти формы хлорофилла а могут быть по-разному связаны с ламеллами и имеют разные фотохимические функции.

Формула молекулы хлорофилла а — CssIH^N^sMg, формула хлорофилла Ъ — C55H7oN406Mg. Структурную формулу хлорофилла определил в 1940 г. Фишер (Fischer) в Германии в опытах с последовательным разрушением молекулы пигмента. В 1960 г. Вудворд (Woodward) в Гарварде выполнил полный синтез молекулы хлорофилла и подтвердил правильность структурной формулы, установленной Фишером. Молекула хлорофилла (рис. 3.8) состоит из порфириновой «головки» и фитольного «хвоста». Полярное (растворимое в воде) порфириновое ядро образовано тетрапиррольным кольцом с расположенным в центре атомом магния. По мнению специалистов по электронной микроскопии, хлорофилл в клетке уложен между белковым и липидным слоями в ламеллах хлоропластов, причем порфириновая часть молекулы связана с белком, а жирорастворимая фитольная цепь погружена в липидный слой.

Оптические спектры поглощения хлорофилла а и хлорофилла Ь пересекаются при 652 нм. Раствор хлорофилла в концентрации 1 мг/мл имеет оптическую плотность 34,5 ед при 652 нм. Арнон разработал метод, позволяющий определять содержание хлорофилла в суспензии хлоропластов, исходя из поглощения при 652 нм. Для этого нужно взять 0,1 мл суспензии хлоропластов, разбавить ее 80%-ным ацетоном до объема 20 мл, перемешать и отфильтровать. Далее следует измерить оптическую плотность профильтрованного раствора при 652 нм в спектрофотометре, пользуясь кюветами с длиной оптического пути 1 см и используя 80%-ный ацетон в качестве контрольного образца. Умножив полученную величину на 5,8, получаем концентрацию хлорофилла в исходной суспензии хлоропластов, выраженную в миллиграммах на 1 мл.

Каротиноиды — это желтые или оранжевые пигменты, найденные во всех фотосинтезирующих клетках. В зеленых листьях каротиноиды обычно незаметны из-за наличия в листьях хлорофилла, но осенью, когда хлорофилл разрушаетря, именно желтые каротиноиды придают листьям характерную осеннюю окраску. В молекулах каротиноидов имеется система сопряженных двойных связей, характерная для полиенов. По своему строению каротиноиды обычно являются либо углеводородами (каротины), либо окисленными углеводородами, т.е. кислородсодержащими (каротинолы или крантофиллы). Они образуют 40-звенную углеродную цепь, построенную из изопреновых субъединиц (рис. 3.9). Спектры поглощения каротиноидов характеризуются наличием трех полос в области от 400 до 550 нм. В лемеллах хлоропласта каротиноиды расположены в непосредственной близости от хлорофилла. Поглощенная каротиноидами энергия может передаваться хлорофиллу а и использоваться для фотосинтеза. Кроме того, каротиноиды могут защищать молекулы хлорофилла от чрезмерного фотоокисления на слишком ярком свету.

Сине-зеленые водоросли и красные морские водоросли содержат группу пигментов, называемых фикобили-нами (рис. 3.10). Фикобилины представляют собой те-трапиррольные структуры, похожие на хлорофилл а, но с линейным расположением лиррольных колец. Кроме того, они не имеют боковой фитольной цепи и не содержат магния. Хромофоры фикобилинов ковалентно связаны с полипептидами и образуют водорастворимые фикобилипротеиды. Известны три класса фикобилинов — фикоэритрины, фикоцианины и аллофикоцианины. Красные фикоэритрины найдены во всех красных водорослях (см. табл. 3.1). Они поглощают свет в середине видимой области спектра. Эта особенность позволяет красным водорослям, живущим глубоко под поверхностью моря, осуществлять фотосинтез, пользуясь слабым голубовато-зеленым светом, прошедшим сквозь толщу воды. Чем глубже обитают красные водоросли, тем больше они содержат фикоэритрина по сравнению с хлорофиллом. Голубые пигменты фикоцианины и аллофико

цианины встречаются в сине-зеленых вод

страница 6
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Скачать книгу "Фотосинтез" (1.36Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(21.09.2019)