Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

ительности имеет место реакция первого порядка, которая в условиях эксперимента проявляется как реакция второго порядка. Это может быть обусловлено тем, что при малых оптических плотностях количество поглощенного света (т. е. количество электронно-возбужденных состояний) возрастает пропорционально концентрации (С) протохлорофиллида , поскольку /Погл=h—/щюп=/о—/ое~~АС=/о (1 —е~к(]). Для малых оптических плотностей е~кст 1—kC и, следовательно, InoTji — khC.

Учитывая пропорциональность скорости конверсии концентрации вещества (для реакции первого порядка) и количеству поглощенной световой энергии, после подстановки в уравнение ^— = кС1погл вместо /погл произведения kI0C получим следующее выражение для скорости

процесса:

— J*L = kCk' CI0 = Ы0С\

Однако интерпретация Мадсена не совсем правомочна. Действительно, если столкновения между возбужденной и невозбужденной молекулами протохлорофиллида не нужны, то скорость реакции должна определяться не общим количеством молекул, как это предполагает Мадсен, а лишь количеством электронно-возбужденных состояний, которое линейно, но не квадратично зависит от концентрации протохлорофиллида.

В последнее время исследователи, работающие в области биосинтеза хлорофилловых пигментов, все более склоняются к точке зрения о кажущемся характере кинетики реакции второго порядка фотовосстановления протохлорофиллида.

Из опытов Сиронваля, например, следует, что порядок реакции протохлорофиллид-кхлорофиллид зависит от длины волны действующего монохроматического света при длительности светового импульса от 1 мс до 1 с. Так, для монохроматического света с длиной волны больше 647 нм фототрансформация протохлорофиллида в этиолированных листьях подчиняется кинетике реакции первого порядка. Второй порядок реакции регистрируется только при освещении светом с Ж630 нм. Отсюда следует, что в первом случае наблюдается фотопревращение длинноволновой формы протохлорофиллида (Я65о), во втором — длинноволновой (Я65о) и коротковолновой (Ябз5). Этот вывод подтверждается также различным ходом температурной зависимости скорости фотоконверсии выше и ниже — 18°С. В конечном счете кинетика реакции второго порядка имитируется в результате наложения двух различных экспоненциальных зависимостей реакции первого порядка.

В опытах Бордмана кажущийся второй порядок реакции объясняется протеканием миграции энергии между протохлорофиллидом и хлорофиллидом а в пределах молекулярных групп, в состав которых входит предшественник.

А. А. Шлыком с сотр. убедительно показано, что биосинтез хлорофилла, а следовательно, и процессы фотоконверсии протохлорофиллид-^-хлорофиллид не распределены равномерно по всему хлоропласту, а локализованы в специфических участках мембранной системы — реакционных центрах биосинтеза хлорофилла. Вследствие этого хлорофилловые пигменты возникают сразу группами, причем в первую очередь формируется пигментный аппарат фотосистемы I. Представления об опережающем биосинтезе хлорофилла фотосистемы I основываются на двух основных экспериментальных фактах. Во-первых, легкие частицы хлоропластов, несущие в себе аппарат фотосистемы I, обогащены, судя по данным радиоизотопного анализа, свежеобразованными молекулами хлорофилла: метка (Сн), введенная в растение перед выделением и фракционированием хлоропластов, используется в первую очередь при синтезе пигментного фонда фотосистемы I. Во-вторых, легкие частицы хлоропластов отличаются повышенным содержанием предшественников хлорофилла — протохлорофиллида и хлорофиллида.

К настоящему времени накопилось достаточное количество фактов, свидетельствующих в пользу того, что функциональная активность реакционных центров биосинтеза хлорофилла управляется светом. Накопление протохлорофиллида в темноте происходит лишь до определенного относительно низкого уровня даже при избытке его предшественников в цепи биосинтеза на стадии перед 6-аминолевулиновой кислотой (АЛК). Скорость темнового ресинтеза протохлорофиллида определяется долей его превращения в хлорофиллид под действием света: чем большее количество протохлорофиллида переведено в хлорофиллид, тем с большей скоростью происходит восстановление в темноте исходного фонда протохлорофиллида.

Установлено, что регулируемым звеном является синтетаза 6-аминолевулиновой кислоты, а регулирующим — протохлорофиллид. По-видимому, накопление протохлорофиллида в темноте аллостерическим путем изменяет конформацию АЛК-синтетазы, вследствие чего по принципу отрицательной обратной связи блокируется дальнейший синтез протохлорофиллида. Свет, вызывая реакцию протохлорофиллид—^хлорофиллид, снимает блок, поэтому скорость ресинтеза протохлорофиллида зависит от степени этого превращения.

По мнению В. Л. Калера, все заключительные стадии биосинтеза хлорофилла локализованы в активном центре одной и той же интегрированной ферментативной системы — олигомере, состоящем из восьми мономерных белковых единиц, причем промежуточные продукты синтеза пигмента постоянно связаны с белком (реакция типа фермент-^-фермент, а не фермент->суб-страт->-фермент). Изменение типа ферментативной активности определяется конформационными переходами в олигомере, а вход всего олигомера закрыт до тех пор, пока не завершится реакция протохлорофиллид -> хлорофиллид—^хлорофилл. Затем хлорофилл сбрасывается с олигомера и после конформационного перехода воестанавливается его исходная структура. Возможно, свет через фотохимическую реакцию протохлорофиллид-^ хлорофиллид управляет и конформационным состоянием мембран, включающих реакционные центры биосинтеза хлорофилла, определяя тем самым уровень их функциональной активности.

Согласно данным А. Б. Рудого, в цепи биосинтеза хлорофилла высших растений наряду с фотохимической стадией превращения протохлорофиллида в хлорофиллид представлен еще один быстродействующий фоторе-гулятор. Было показано, в частности, что спустя 4—6 ч после начала зеленения этиолированных проростков появляется новый светозависимый механизм, способный быстро воздействовать на скорость образования первого специфического предшественника хлорофилла — б-аминолевулиновой кислоты.

Таким образом, в сложной цепи биосинтеза хлорофилла наряду с темповыми ферментативными стадиями представлена световая (фотохимическая) стадия восстановления протохлорофиллида до хлорофиллида, играющая существенную роль в регуляции биосинтеза. Биосинтез хлорофилла осуществляется непрерывно на протяжении всей жизни зеленого растения и обеспечивает поддержание фотосинтетического аппарата в оптимальном функционально-активном состоянии в ходе постоянного обновления пигментного фонда.

2. КАРОТИНОИДЫ

Видимый свет стимулирует биосинтез каротиноидов у бактерий, грибов, дрожжей и высших фотосинтезирую-щих 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 (Qio=l), 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 фотосинтезирую-щих 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 являет 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)

ся логарифмическая зависимость. 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 под-кислением среды, вызывающим диссоциацию флаво-протеидов.

Итак, в основе каротиногенеза лежит фотосенсиби-лизированная реакция окисления некоего интермедиа-та, 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 р-каротина у этого организма происходит только на свету и прекращается сразу после перевода эвглены в темноту. Оптимальное значение рН для биосинтеза у выращенных в темноте клеток рав

страница 38
< 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)