Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

ы запускают цепь транспорта электронов, представляющую собой стартовый акт химизма фотосинтеза.

Независимо от физической предыстории возникновения электронно-возбужденных состояний «избранных» молекул их стыковка с окислительно-восстановительными реакциями может идти либо через нижний' синглетный, либо через нижний триплетный возбужденный уровень.

Согласно теоретическим квантовомеханическим расчетам, для хлорофилла характерна обычная схема расположения электронно-колебательных синглетных и трип-летных уровней. Действительно, в многочисленных экспериментах были выявлены синглетные и триплетные состояния хлорофилла in vitro. Возникновение синглетного возбужденного состояния следует из способности хлорофилла поглощать видимый свет и флуоресцировать. Различными методами было выявлено и триплетное состояние хлорофилла: зарегистрированы фосфоресценция и характерные спектры ЭПР триплетных состояний хлорофилла Ъ при низких температурах (77 К). Для хлорофиллов а и Ь, феофитина а и бактериохлорофилла триплетное состояние выявляется по спектрам триплет-три-плетного поглощения, полученным с помощью флеш-фо-толиза. Детальная характеристика синглетного и триплетного состояний и различных электронно-колебательных переходов в молекулах хлорофилла и родственных ему соединений дана в книге Г. П. Гуриновича, К. Н. Соловьева и А. Н. Севченко (см. литературу).

Какова роль синглетных и триплетных возбужденных состояний в фотохимии хлорофилла? Этот вопрос изучался на примере реакции фотовосстановления хлорофилла и родственных ему соединений в растворе. Можно привести ряд доказательств протекания этой реакции через триплетные состояния хлорофилла. Так, тетрапиррольные пигменты, у которых магний замещен на парамагнитный металл, эффективно тушащий фосфоресценцию, практически не фотовосстанавливаются. Реакция фотовосстановления ингибируется и добавками тушителей триплет-но-возбужденных молекул — каротина или кислорода.

Соотносительный анализ роли триплетных и синглетных возбужденных состояний хлорофилла в осуществлении первичной фотохимической реакции первой и второй фотосистем был проведен Ф. Ф. Литвиным с сотр. На основании параметров длительного послесвечения и низкотемпературной термолюминесценции листьев растений, расчетов констант скоростей и величин энергий активации свечения при использовании ингибиторов второй фотохимической системы (диурон) и дезактиваторов триплетных и синглетных состояний (хинон, кислород) предполагается, что первая фотохимическая реакция осуществляется через синглетное, а вторая — через триплетное возбужденное состояние хлорофилла.

6. ФОТОХИМИЧЕСКИЕ СТАДИИ ФОТОСИНТЕЗА

Крупнейшим достижением в области фотобиологии явилось открытие А. А. Красновским в 1948 г. реакции обратимого фотовосстановления хлорофилла в эвакуированном пиридиновом растворе в присутствии доноров водорода (аскорбиновая кислота) с образованием розовой формы пигмента с максимумом поглощения при 525 нм, В настоящее время считается общепризнанным, что первичная фотохимическая реакция фотосинтеза — это обратимое окислительно-восстановительное превращение хлорофилла. Квантовый выход реакции фотовосстановления хлорофилла составляет 2* 10~2 в этанол-водно-пиридиновых и 7 * 10~2 в водно-пиридиновых растворах. Реакция Красновского протекает в несколько стадий:

Хл-ЬЬ^Хл*;

Хл* -f- е -*> ? Хл~" (анион-радикал хлорофилла);

? Хл^ + 1"И~. ХлН (полувосстановленная форма);

? ХлН Н~*" ХлН2 (восстановленная «красная» форма).

В присутствии кислорода и других окислителей происходит обратная реакция, в результате которой восстанавливается исходная зеленая окраска раствора:

2ХлН2 -f 02 2Хл + 2Н20.

В анион-радикале электрон делокализован по орбитам системы сопряженных связей хромофорного ядра. Два атома водорода могут присоединяться к хлорофиллу, повидимому, различными способами в зависимости от условий среды, о чем свидетельствует выявление нескольких форм ХлН2, различающихся по спектрам поглощения и флуоресценции. Донорами электронов и протонов, кроме аскорбиновой кислоты, могут служить следующие соединения: фенилгидразин, цистеин, N-бензилникотин-амид, НАДН2, цитохром с; акцепторами, кроме кислорода,— различные азокрасители и хиноны, рибофлавин, НАД, НАДФ, виологены и другие вещества.

Реакция обратимого фотовосстановления характерна не только для хлорофилла а, но и для других хлорофиллов и родственных им соединений (хлорофиллы Ь и с, бак-териохлорофиллы а и 6, феофитины а и Ь, протохлоро-филлы, различные порфирины). Она не наблюдается для фикоэритрина и фикоцианина.

В дальнейшем было установлено, что хлорофилл способен и к реакции обратимого фотоокисления в присутствии акцепторов электрона в спиртовых растворах. Такая реакция протекает, например, в присутствии м-хинона в вязких средах при температуре — 70°С. В противоположность деструктивному окислению хлорофилла на интенсивном свету в данном случае добавление восстановителей сопровождается частичной регенерацией исходного пигмента. Начальные стадии фотоокисления описываются следующей схемой:

Хл -J- hv -> Хл*; Хл* — е -»- ? Хл~*~ (катион-радикал хлорофилла).

Чрезвычайно важно, что способность хлорофилла в возбужденном состоянии воспринимать или отдавать электрон обеспечивает его перенос против термодинамического потенциала в тройной молекулярной системе акцептор — хлорофилл — донор, т. е. энергия кванта света с помощью хлорофилла как посредника расходуется и запасается при подъеме электрона с более «низкого» энергетического уровня у донора на более «высокий» у акцептора. Работа хлорофилла как «электронного насоса» доказывается на многочисленных модельных системах. Эффект сенсибилизированного «восходящего» транспорта электрона наблюдается независимо от того, начинается этот процесс с фотовосстановления хлорофилла

(возбужденный хлорофилл воспринимает электрон от донора на основной уровень, ранее занимаемый «возбудившимся» фотоэлектроном, а затем «возбужденный» электрон передается акцептору) или с его фотоокисления («возбужденный» электрон хлорофилла отдается акцептору, затем электрон донора переходит на основной уровень хлорофилла). Указанные взаимоотношения могут быть проиллюстрированы схемой В. Б. Евстигнеева (рис. 14),

Рис. 14. Фотоперенос электрона в тройной системе хлорофилл —

окислитель — восстановитель (Евстигнеев В. Б., 1966):

а, б — основной и возбужденный электронные уровни хлорофилла; О, В — электронные уровни окислителя и восстановителя (/ — до освещения, // — после поглощения кваита света пигментом, /// — после переходов электрона); индексы 1 (2) и 2 (1) указывают на временную последовательность переходов электрона, при которой хлорофилл окисляется и восстанавливается соответственно

Что будет первичным — восстановление или окисление хлорофилла, определяется природой среды и окислительно-восстановительными свойствами акцепторов и доноров электронов. Действительно, в зависимости от условий кислотно-основного равновесия (рН) в тройной системе преобладают то электронно-донорные, то электронно-акцепторные свойства хлорофилла.

Именно благодаря способности к реакции обратимого окисления—восстановления хлорофилл может выполнять функции энергетического фотокатализатора при фотосинтезе, способствуя первичному запасанию энергии света в виде восстановленных интермедиатов.

Хотя бесспорных доказательств протекания реакции обратимого фотовосстановления — фотоокисления самого хлорофилла непосредственно в фотосинтезирующих организмах пока не получено, с этой реакцией могут быть связаны быстрые, обратимые изменения спектров поглощения пигментов, например, в полосе поглощения 890 нм одной из форм бактериохлорофилла и в полосе поглощения 680 нм хлорофилла а, наблюдаемые при облучении их лазерными импульсами.

В пользу образования в клетке катион-радикалов хлорофилловых пигментов свидетельствуют и данные электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Фотосигнал ЭПР в Rhodospirillum rubrum приписан ион-радикалу бактериохлорофилла на основании, во-первых, соответствия между кинетикой ЭПР-сигнала и изменениями в поглощении при 870 нм как при комнатных, так и при низких (77 К, 4 К) температурах; во-вторых, близости значений редокс-потенциалов свободных радикалов и бактериохлорофилла а.

Из работ Парсона вытекает, что первичная реакция в бактериальном фотосинтезе:

БХл* + А -»? БХл+-Ь А~,

где А ?— первичный акцептор электрона невыясненной природы, представляет собой окисление бактериохлорофилла.

Ценная информация о кинетике окислительно-восстановительных превращений в реакционных центрах фото-синтезирующих объектов была получена с помощью лазерной техники. Было обнаружено, например, что скорость переноса электрона в системе донор фотохимически активный хлорофилл акцептор лежит в микросекундном интервале. Так, для пурпурных бактерий время переноса электрона от пигмента к акцептору равно 0,5, а для высших растений — 2 мкс. С такой скоростью перенос электрона от хлорофилла к акцептору осуществляется даже при температуре жидкого азота ( -196° С), что указывает на его физическую природу. Реакция восстановления фотохимически активного хлорофилла (донор -> пигмент) протекает с более низкой скоростью: 2 и 15 мкс для бактерий и высших растений соответственно. В реакции восстановления удалось вычленить два параллельных пути, один из которых зависит, а другой не зависит от температуры. Предполагается, что восстановление фотохимически активного хлорофилла происходит преимущественно в ходе второй реакции.

Итак, хлорофилловые пигменты в фотосинтезирующих организмах управляют электронными потоками благодаря непосредственному окислению — восстановлению их, а не за счет физической сенсибилизации (миграция энергии) промежуточных редокс-интермедиатов (И) с передачей электрона переносчику (П) по схеме

Хл* + И^Хл + И*^Ие--И + ГЪг->... .

Более того, в литературе высказывается предположение, что в одной из двух фотохимических систем первичным является фотовосстановление, в другой — фотоокисление хлорофилла. Например, установлено, что первичной фотохимической реакцией в первой ф

страница 11
< 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
(15.12.2019)