Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

ытах Виргина кратковременное освещение этиолированных листьев пшеницы приводило к исчезновению протохлорофиллида с параллельным накоплением хло-рофиллида, в то время как количество протохлорофил-ла не изменялось. А. А. Шлык с сотр.,. 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 протохлорофил-лида. Заключительные стадии сложной цепи биосинтеза хлорофилла можно представить следующей реакцией:

протохлорофиллид-кхлорофиллид-^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-, хло-рофиллид- и хлорофилл-голохромов. Эти комплексы выделены и частично изучены. По данным разных авторов, молекулярная масса белкового носителя, имеющего субъединичное строение, колеблется от 0,4- 10б до 2- 106, 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 ^uc-форма, не свойственная растениям (Г. П. Гуринович).

На тесную зависимость фотолабильности протохло-рофиллида от свойств микроокружения и состояния хлоропласта указывают и данные, полученные Т. Н. Год-невым 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 (—90° С) температуре. Если у интактных растений фотоконверсия прекращается при нагревании до +53, то у высушенных — при нагревании до более высоких температур ( + 57° С).

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 протохлорофиллид-голохрома (табл. 10) обнаружен белковый максимум в спектре действия (^=275 нм), 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

Объект Положение максимума, нм Отношение высоты синего к высоте красного максимума

Спектры действия

Овес 645, 445 1,47

Кукуруза 650, 445 0,66

Протохлорофиллид-го лохром 639, 445, 275 4,0

Спектры поглощения

Протохлорофиллид-голохром 637, 441, 280 4,0

Протохлорофилл в эфире 623, 432, 270 8,3

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 про-тохлорофилловых пигментов, которые обозначаются Яб5о> #бзз и #628 (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, Красновскнй 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 бес-фитольная форма протохлорофиллид. По-видимому, значительную роль играют также взаимодействия типа белок->пигмент и липид-^пигмент.

По мере зеленения растений отмечается уменьшение содержания коротковолновой формы Ябз5 и накопление длинноволновой формы Яб5о, которая постепенно становится доминирующей. По данным Сиронваля, форма #628 фотоинертна, а формы П6ъо и Яб35 превращаются на свету в различные формы хлорофиллида (Ябз5, Яб75, Яб5о, Яб84). При этом Яб5о превращается в хлорофиллид с большей скоростью, чем форма Ябзз. Характерно, что свет, поглощенный Яббо в растениях с преобладанием Яез5> судя по спектрам действия, используется для конверсии Ябз5 (Годнев, Раскин, Акулович, Орловская). Это на первый взгляд загадочное явление авторы объясняют тем, что в этих объектах фор мы Я$з5 сами по себе фотоинертны и превращаются в хлорофиллид через Я65о, причем убыль Яб5о сдвигает темновую реакцию Ябзз^Яббо вправо. В конечном счете свет с длиной волны 650 им приводит к фото прев ращению формы Ябз5 в хлорофиллид. Вслед за образованием небольших количеств хлорофиллида происходит миграция энергии протохлорофиллид хлорофиллид.

Фотохимическая реакция превращения протохлоро-филлид-^хлорофиллид 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-голо-хрома, выделенного из листьев фасоли. По их данным, квантовый выход был оценен величиной 0,60±0,03. 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 б-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 НАДНг, аскорбиновая кислота или белок.

В 1976 г. В. И. Раскин зарегистрировал в спектре поглощения постэтиолированных листьев, освещенных при температуре —120—130°С, полосу поглощения при 690 нм, что позволило ему сделать заключение об образовании комплекса с переносом заряда между прото-хлорофиллидом (Яб50) 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>0,5). В целом заключительные стадии биосинтеза хлорофилла включают в себя как световые, так и темновые реакции:

III

IV

695 685

протохлорофил

ЛИД хлорофилл

Хотя фитолизация хлорофиллида может происходить и в темноте, свет, по данным ряда авторов, способен стимулировать реакцию хлорофиллид-^хлорофилл.

Необходимо отметить, что процесс биосинтеза пигментной системы не заканчивается реакцией хлорофил-лид-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 липопро-теидный матрикс тилакоидной мембраны.

Из зависимости скорости реакции превращения про-тохлорофиллида в хлорофиллид от интенсивности света следует, что данная реакция протекает по однокванто-вому механизму скорее всего через триплетное возбужденное состояние (последнее следует из данных Г. П. Гу-риновича и сотр.).

Согласно данным Бордмана, фотопревращение про-тохлорофиллида в хлорофиллид не чувствительно к изменениям вязкости среды и мало зависит от температуры. Энергия активации этого процесса в интервале температур от —40 до + 20°С составляет 1,3 и несколько возрастает при более низких температурах (от —40 до — 70 °С), принимая значение 5,2 ккал/моль. Заметное торможение фотоконверсии наблюдается лишь при температуре ниже — 80 °С. Все эти факты означают, что для протекания реакции не требуются межмолекуляр-ные 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 действ

страница 37
< 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)