Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

влении конеч

ных продуктов фотосинтеза. При освещении растения светом такой интенсивности, при которой интервал времени между последовательными актами поглощения одной определенной молекулой хлорофилла составляет 10 мин, следовало бы ожидать проявления не менее 40-минутного индукционного периода (поскольку для выделения одной молекулы кислорода нужно поглощение минимум четырех квантов света). Однако в эксперименте кислород выделяется практически сразу после освещения листа кратковременной вспышкой света.

2. Эффект насыщения фотосинтеза. При увеличении интенсивности света скорость фотосинтеза возрастает только до определенного порога. Изменяя продолжительность тем-новых интервалов при использовании насыщающего импульсного освещения, можно определить длительность работы темнового аппарата. Тогда можно подобрать такую интенсивность и время насыщающей вспышки, при которых все молекулы хлорофилла, непосредственно связанные с тем-новым аппаратом, будут однократно загружены (не сработают дважды) и каждая из них будет инициировать образование одной молекулы промежуточного стабильного продукта. С учетом квантового расхода фотосинтеза по числу молекул конечного продукта (число выделенных молекул 02 или поглощенных молекул С02) можно рассчитать число фотохимически активных молекул хлорофилла, сопряженных с темновыми реакциями. Таким способом было рассчитано, что в фотосинтетическом аппарате на каждую активную молекулу хлорофилла приходится (по данным Эмерсона и Арнольда) 2400 молекул фотохимически неактивного хлорофилла. По более поздним данным Шмида и Гаффрона, количество неактивных молекул хлорофилла в фотосинтетической единице в зависимости от физиологического состояния и освещения равно 300, 600, 1200, 2400, 4800 (рис. 12).

Таким образом, фотосинтетическая единица представляет собой структурно-функциональное образование, локализованное в мембранной системе хлоропластов, в котором большое число молекул-светосборщиков работает на фотохимически активный хлорофилл как энергетическую ловушку. Только хлорофилл запускает цепь темповых реакций, ведущих к образованию конечных продуктов фотосинтеза.

Передача энергии в системе пигменты-светосборщи-ки — фотохимически активный хлорофилл осуществляется с помощью миграционных механизмов. Фотофизическая стадия фотосинтеза включает миграцию энергии как между однородными, так и между разнородными молекулами пигментов. Оценка ее эффективности произведена в 1952 г. Дюйсенсом, а также независимо от него Френчем и #нг. в дальнейшем удалось выявить миграцию энергии между следующими партнерами: каротинои-ды—м}шкоэритрин—и}шкоцианин—^хлорофилл, хлорофилл Ь—^хлорофилл а, хлорофилл а—^хлорофилл а, каротиноиды—>-бактериохлорофилл а. В первой цепи возможна миграция от каждого из партнеров прямо к хлорофиллу а.

В настоящее время твердо установлена гетерогенность хлорофилла и бактериохлорофилла в клетке, т. е. спектральная дискретность мимически тождественных молекул пигментов, обусловленная различиями в характере и интенсивности взаимодействия пигмент — микроокружение. Формы хлорофилла различаются по расположению электронно-колебательных уровней, а также по другим физико-химическим свойствам, таким, как извлекаемость органическими растворителями, устойчивость к действию света, ультразвука, феофитинизации.

По данным низкотемпературной и производной спек-трофотометрии, в хлоропластах представлено восемь на-тивных форм хлорофилла а, каждая из которых характеризуется узкой полосой поглощения в красной области (661, 668, 675, 681, 686, 693, 700, 710 нм). Такая система форм универсальна для организмов различных филогенетических групп. По мнению Ф. Ф. Литвина, эти формы представляют собой термодинамически устойчивые типы агрегатов пигмента. Ему удалось проследить самосборку агрегатов с аналогичными спектральными свойствами в пленках, монослоях и растворах пигментов.

Миграция энергии между различными формами хлорофилла и бактериохлорофилла наблюдается как in vivo, так и in vitro. Зарегистрированы, например, следующие донор-акцепторные пары: хлорофилл а 668-^хлорофилл а 681; хлорофилл а 681 -> хлорофилл а 693; бакте-риохлорофилл 800-> бактериохлорофилл 890; бактерио-хлорофилл 800-> бактериохлорофилл 850; бактериохлорофилл 850 -> бактериохлорофилл 890 *). Эффективная миграция энергии между одними и теми же формами пигмента хлорофилла а наблюдается также в модельных системах, содержащих агрегаты пигментов нескольких типов.

Представление об эффективности миграции энергии дают следующие данные: квантовые выходы миграции энергии от каротиноидов к хлорофиллу а, от фикоэритри-на к хлорофиллу а, от хлорофилла Ь к хлорофиллу а, от одной формы хлорофилла а к другой составляют соответственно 20—50, 80—90, 100, 100%.

Приемы экспериментального доказательства миграции энергии между фотосинтетическими пигментами in vivo и in vitro целесообразно объединить в четыре группы.

1. Тушение собственной флуоресценции донора энергии и сенсибилизация флуоресценции акцептора. Например, хлорофилл Ь флуоресцирует в растворе и в мутантах, в которых хлорофиллы а и Ь пространственно разобщены, но не флуоресцирует в нормальной клетке, где поглощенная энергия передается хлорофиллу а (сенсибилизация). Наиболее корректным проявлением сенсибилизированной флуоресценции являются спектры действия флуоресценции акцептора, в которых обнаруживаются не только его собственные полосы поглощения, но и полосы доноров энергии. Например, в спектрах действия флуоресценции хлорофилла а зеленых растений представлена полоса поглощения хлорофилла 6, а в бурых, красных, сине-зеленых водорослях — полосы поглощения фикоэри-трина (540—565 нм), фикоцианина (620—630 нм) и каротиноидов (480—500 нм). Сопоставление спектров поглощения донора и акцептора со спектрами возбуждения флуоресценции акцептора позволяет оценить квантовые выходы (эффективность) миграции энергии.

. *> Положение длинноволнового максимума спектра поглощения в нанометрах (нм).

2. Проявление в спектрах действия самого фотосинтеза, оцениваемого по выделению кислорода, максимумов, принадлежащих акцессорным пигментам (рис. 13).

3. Увеличение времени жизни флуоресценции хлорофилла в клетках водорослей при переходе- от прямого возбуждения в собственной полосе поглощения (680 нм) к монохроматическому возбуждению в полосах поглощения фикоэритрина и фикоцианина (время миграции+

Рис. 13. Спектр поглощения (1) и спектр действия (2) красной водоросли Porphyra nereocystis, а также спектр поглощения экстрагированного фикоэритрина (3) (На-хо F., Blinks L., 1950)

время флуоресценции). На основании полученных временных характеристик флуоресценции хлорофилла а при последовательности возбуждения хлорофилл а, хлорофилл Ь, фикоцианин были рассчитаны времена миграции энергии. Они оказались равными 0,3• 10-9с (фикоэритрина фикоцианин), 0,5* Ю-9 с (фикоцианин хлорофилл а), 4 • Ю-10 с (хлорофилл а -> хлорофилл а).

4. Уменьшение степени поляризации флуоресценции

по мере зеленения этиолированных биологических объектов, свидетельствующее о миграции энергии между

химически идентичными молекулами хлорофилла а.

Между следующими донор-акцепторными партнерами (фикоэритрин — фикоцианин — хлорофилл, хлорофилл Ь — хлорофилл а, одна форма хлорофилла а или бак-териохлорофилла а — другая) миграция энергии осуществляется по индуктивно-резонансному механизму при соблюдении правил Ферстера, обязательных для переноса этого типа. В то же время перенос энергии каротино-ид -> хлорофилл а происходит, по-видимому, не по индуктивно-резонансному механизму, поскольку донор энергии практически не флуоресцирует, а по типу экситона или комплекса с переносом заряда. Миграция энергии с каротина на хлорофилл (50%-ная эффективность) воспроизводится в монослоях и пленках пигментов при достаточно тесном контакте молекул.

Теоретически вероятен и обменно-резонансный три-плет-триплетный механизм миграции энергии между пигментами, поскольку пространственные требования (расстояние между молекулами порядка 10 А) для него в хлоропласте выполняются. Расчет показывает, что при концентрации хлорофилла в гране 0,1—1 моль/л среднее

расстояние между его молекулами составляет 10—20 А,

а в ассоциатах пигмента in vitro еще меньше — 6—10 А. Однако в эксперименте (флеш-фотолиз) не удалось обнаружить заселенности триплетных уровней хлорофилла в растительных объектах не только при физиологических условиях, но и после почти полного (95%) окисления реакционных центров, являющихся «стоком» энергии возбуждения. Вполне понятно, что после перекрытия каналов к реакционным центрам, являющимся ловушками энергии, создаются благоприятные условия для спектрального выявления триплетных состояний пигмента.

В последние годы широко обсуждается вопрос об эк-ситонном и полупроводниковом механизмах миграции энергии между молекулами хлорофилла а в пределах одной фотосинтетической единицы. Кроме теоретических предпосылок, стимулом к этому явилось обнаружение у изолированных пигментов фотопроводимости и полупроводниковой фототермолюминесценции, а также эффекта фотопроводимости у пленок сухих хлоропластов. Однако низкие значения квантового выхода фотопроводимости сухих хлоропластов (Ю-5—10~7) ставят под сомнение биологическую значимость переноса энергии по полупроводниковому механизму. Хотя эта величина возрастает до 10~*—10~2 после учета малого времени жизни носителей заряда, отсутствие фотопроводимости во влажных пленках хлоропластов оставляет вопрос о полупроводниковой миграции энергии in vivo открытым.

Таким образом, миграция энергии обеспечивает эффективный сбор квантов света и транспорт поглощенной энергии к молекулам хлорофилла, которые непосредственно связаны с аппаратом, осуществляющим темновые стадии фотосинтеза. Иными словами, обнаруживается четкое разделение функций между молекулами хлорофилла, причем наряду со сборщиками энергии — простыми физическими сенсибилизаторами — формируется небольшая доля (около 1%) «избранных» молекул (реакционные центры). Испытывая обратимые фотохимические окислительно-восстановительные превращения, эти молекул

страница 10
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Фотобиология" (3.60Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(20.11.2019)