Фотосинтетические пигменты
Фотосинтетические пигменты высших растений делятся на две группы — хлорофиллы и каротиноиды.
Роль этих пигментов состоит в том, чтобы поглощать свет и превращать его энергию в химическую энергию.
Пигменты локализованы в мембранах хлоропластов, и хлоропласты обычно располагаются в клетке так, чтобы их мембраны находились под прямым углом к источнику света, что гарантирует максимальное поглощение света. Перечислены пигменты, характерные для различных групп растений.
Хлорофиллы
Хлорофиллы поглощают главным образом красный и сине-фиолетовый свет. Зеленый свет они отражают и потому придают растениям характерную зеленую окраску, если только ее не маскируют другие пигменты. Показаны спектры поглощения хлорофиллов a и b — для сравнения — спектр каротиноидов.
Для хлорофиллов характерно наличие порфиринового кольца (рис. 9.10). Такая же структура имеется и в других важных биологических соединениях — в геме гемоглобина, миоглобина и цитохромов.
Порфириновое кольцо — это плоская квадратная структура, состоящая из четырех меньших колец (I-IV), каждое из которых содержит по одному атому азота, способному взаимодействовать с атомами металлов; в хлорофиллах это магний, в геме-железо.
К такой «голове» присоединен длинный углеводородный «хвост» — сложноэфирная связь образуется между спиртовой группой (-ОН) на конце фитола и карбоксильной группой (-СООН) на самой голове.
У разных хлорофиллов разные боковые цепи, и это несколько изменяет их спектры поглощения.
Координационная связь: Х-СН3 — у хлорофилла а; -СНО — у хлорофилла b
Связь такой структуры с функцией можно описать следующим образом:
- а) длинный хвост растворим в липидах (т. е. он гидрофобный) и таким образом удерживает молекулу в мембране тилакоида;
- б) голова гидрофильная (т. е. обладает сродством к воде), и поэтому она обычно лежит на той поверхности мембраны, которая обращена к водной среде стромы;
- в) для лучшего поглощения света плоскость головы расположена параллельно плоскости мембраны;
- г) модификация боковых групп на голове приводит к изменениям в спектре поглощения, в результате чего меняется и количество поглощаемой энергии света;
- д) поглощение световой энергии головой приводит к эмиссии электронов.
Хлорофилл а — фотосинтетический пигмент, представленный в наибольшем количестве; это единственный пигмент, который имеется у всех фотосинтезирующих растений и играет у них центральную роль в фотосинтезе.
Существует несколько форм этого пигмента, которые различаются своим расположением в мембране.
Каждая форма слегка отличается от других и по положению максимума поглощения в красной области; например, этот максимум может быть при 670, 680, 690 или 700 нм.
Каротиноиды
Каротиноиды — это желтые, оранжевые, красные или коричневые пигменты, которые сильно поглощают в сине-фиолетовой области.
Обычно они замаскированы зелеными хлорофиллами, но хорошо выявляются перед листопадом, так как хлорофиллы в листьях распадаются первыми.
Каротиноиды содержатся также в хромопластах некоторых цветков и плодов, яркая окраска которых служит для привлечения насекомых, птиц и других животных, участвующих в опылении цветков или распространении семян; например, красный цвет кожицы помидоров обусловлен присутствием одного из каротинов — ликопина.
Каротиноиды имеют три максимума поглощения в сине-фиолетовой области спектра (рис. 9.9); они не только функционируют как дополнительные пигменты, но и защищают хлорофилл от избытка света и от окисления кислородом, выделяющимся при фотосинтезе.
Каротиноиды бывают двух типов — каротины и ксантофиллы. Каротины — это углеводороды, большую часть которых составляют тетратерпены (С40-соединения).
Самым распространенным и самым важным из них является β-каротин, который знаком всем как оранжевый пигмент моркови.
Позвоночные животные способны в процессе пищеварения расщеплять молекулу каротина надвое с образованием двух молекул витамина А.
Ксантофиллы по химическому строению очень сходны с каротинами и отличаются от них только тем, что содержат кислород.
Спектры поглощения и спектры действия
При изучении какого-либо процесса, активируемого светом, в частности фотосинтеза, очень важно знать спектр действия для данного процесса — тогда можно попытаться идентифицировать пигменты, которые в нем участвуют.
Спектр действия — это график, показывающий эффективность стимулирующего действия света с различной длиной волны на исследуемый процесс, в нашем случае — на фотосинтез; эту эффективность можно оценивать, например, по образованию кислорода.
Спектр поглощения — это график, отображающий относительное поглощение света с различной длиной волны тем или иным пигментом. Спектр действия для фотосинтеза, вместе с объединенным спектром поглощения всех фотосинтетических пигментов.
Обратите внимание на большое сходство этих двух графиков: оно свидетельствует о том, что именно пигменты, и в частности хлорофилл, ответственны за поглощение света при фотосинтезе.
Возбуждение пигментов светом
Пигменты — это химические соединения, которые поглощают видимый свет, что приводит к переходу некоторых электронов в возбужденное состояние, т. е. эти электроны поглощают энергию. Чем меньше длина волны, тем выше энергия света и тем больше его способность переводить электроны в возбужденное состояние.
Такое состояние обычно неустойчиво, и вскоре молекула возвращается в свое основное состояние (т. е. исходное низкоэнергетическое состояние), теряя при этом энергию возбуждения. Эта энергия может использоваться разными способами, в том числе на процесс, обратный поглощению света и называемый флуоресценцией.
При этом часть энергии теряется в виде тепла, поэтому излучаемый свет имеет несколько большую длину волны (и меньшую энергию), чем поглощенный. Это можно увидеть, если сначала осветить раствор хлорофилла, а затем посмотреть на него в темноте.
Во время световых реакций фотосинтеза возбужденные пигменты теряют электроны, и на их месте в молекулах остаются положительные «дырки», например:
Всякий потерянный электрон будет принят другой молекулой — так называемым акцептором электрона, так что в целом это окислительно-восстановительный процесс. Хлорофилл окисляется, а акцептор электрона восстанавливается. Хлорофилл служит здесь донором электрона.
Главные и вспомогательные пигменты
Фотосинтетические пигменты бывают двух типов — главные и вспомогательные. Пигменты второго типа передают испускаемые ими электроны главному пигменту. Электроны, испускаемые главными пигментами, непосредственно доставляют энергию для реакций фотосинтеза.
Существует два главных пигмента, это две формы хлорофилла а; их обозначают Р690 и Р700 (см. ниже). Сокращение Р означает «пигмент» (pigment). К вспомогательным пигментам относятся другие формы хлорофилла (в том числе все остальные формы хлорофилла а) и каротиноиды.
Поскольку энергию нельзя передавать со 100%-ной эффективностью, переход электрона от одной молекулы пигмента к другой должен сопровождаться некоторой потерей энергии в виде тепла. Хлорофилл b передает электроны на хлорофилл а. Можете ли вы сказать заранее, какой из этих хлорофиллов — а или b — обладает меньшей энергией возбуждения (т. е. энергией, необходимой для того, чтобы пигмент испустил электрон)
Фотосинтетические единицы и реакционные центры
За последние двадцать лет мы многое узнали о расположении пигментов и связанных с ними молекул в мембранах тилакоидов.
В настоящее время принято считать, что существует два типа фотосинтетических единиц, которые называют фотосистемами I и II (ФСI и ФСII).
Каждая из этих единиц состоит из набора молекул вспомогательных пигментов, передающих энергию на одну молекулу главного пигмента.
Последняя называется реакционным центром; в нем энергия света используется для осуществления химической реакции.
Именно здесь происходит преобразование световой энергии в химическую, и именно оно является центральным событием фотосинтеза.
Судя по результатам биохимических и электронно-микроскопических исследований, каждая фотосистема содержит около 300 молекул хлорофилла.
Препараты для электронной микроскопии приготовлялись методом замораживания-скалывания, который описан в Приложении 2.5; это один из хороших примеров успешного применения такого метода.
В мембранах тилакоидов имеются частицы двух типов, расположенные в определенном порядке; такие частицы называются квантосомами. Как полагают, более мелкие частицы составляют фотосистему I, а более крупные — фотосистему ΙΙ.
Для каждого типа частиц характерен свой специфический набор молекул хлорофилла (рис. 9.14). Частицы фотосистемы II, по-видимому, в основном связаны с гранами.
Энергия (в виде возбужденных электронов) «переливается» со вспомогательных светособирающих пигментов на главный пигмент, который представлен особой формой хлорофилла а — пигментом Р690 или Р700 (в соответствии с максимумом поглощения в нанометрах). Р690 и Р700 — это энергетические ловушки.
Другие специфические формы хлорофилла а, например a670 или a680, можно считать такими же вспомогательными пигментами, как и хлорофилл b.
Но они, по-видимому, тоже играют роль вспомогательных пигментов. Электроны, попавшие в энергетическую ловушку, используются для запуска световых реакций.
Каротиноиды: что это и свойства
КАРОТИНОИДЫ, природные органические пигменты от жёлтого до красно-фиолетового цвета, продуцируемые бактериями, грибами, растениями.
Широко распространены в природе: около 600 различных каротиноидов обнаружены в клетках и тканях всех представителей живой природы в свободном состоянии или в виде гликозидов, эфиров жирных кислот, каротин-протеиновых комплексов.
Каротиноиды обусловливают окраску некоторых цветков, плодов, корней, а также осенней листвы растений; каротиноиды, получаемые животными с пищей, окрашивают покровы многих видов рыб, птиц, насекомых, ракообразных.
Каротиноиды в наибольшем количестве содержатся в корнеплодах моркови, листьях петрушки, лука, шпината, плодах абрикосов, томатов, тыквы, облепихи.
Каротиноиды имеют структуру изопреноидов; в молекулах каротиноидов четыре изопреновых фрагмента связаны в полиеновую цепь — формула I (R и R’ — главным образом циклогексеновые или алифатические изопреновые фрагменты либо кислородсодержащие производные циклогексена).
Каротиноиды подразделяют на тетратерпеновые углеводороды (каротины) общей формулы С40Н56, кислородсодержащие производные тетратерпеновых углеводородов (ксантофиллы) и каротиноиды, содержащие в молекулах больше или меньше 40 атомов углерода.
В высших растениях наиболее широко представлены каротиноидные углеводороды, главным образом β-каротин (R = R’ = II; составляет 20-30% природных каротиноидов), ликопин (R = R’ = III), γ-каротин (R = II, R’ = III). Каротиноидные углеводороды растворимы в эфирах, хлороформе, бензоле, жирах и маслах, нерастворимы в воде.
Легко окисляются О2 воздуха, неустойчивы на свету и при нагревании в присутствии кислот и щелочей.
β-Каротин выделяют экстракцией из моркови, люцерны, гречихи, пальмового масла и другого растительного сырья; в промышленности получают путём микробиологического или химического синтеза (тёмно-рубиновые кристаллы, tпл 182-184°С). Ликопин выделяют из томатов или синтезируют (красно-фиолетовые кристаллы, tпл 174°С).
Среди кислородсодержащих каротиноидов наиболее распространены каротиноиды, в молекулах которых есть гидроксильные группы, например, лютеин (R = IV, R’ = V; жёлтые кристаллы, tпл 193°С), криптоксантин (R = IV, R’ = I; жёлтые кристаллы, tпл 174°С.
Встречаются каротиноиды, содержащие карбонильные группы, например, кантаксантин (R = R’ = VI), эпоксидные группы, например, виолаксантин (R = R’ = VII), карбоксильные группы, например, биксин (R = СООН, R’ = СООСН3), и др.
Каротиноиды участвуют в фотосинтезе (как вспомогательные светопоглощающие пигменты), транспорте кислорода через клеточные мембраны, защите хлорофилла от фотоокисления.
Каротиноиды, содержащие в молекуле фрагмент R = II, являются предшественниками витамина А (в организме животных в результате ферментативного расщепления превращаются в витамин А).
У животных каротиноиды стимулируют деятельность половых желёз, у человека повышают иммунный статус, предохраняют от фотодерматозов, играют важную роль в процессах восприятия света сетчаткой глаза; являются природными антиоксидантами.
Каротиноиды используют в качестве пищевых красителей, компонентов корма для животных, в медицинской практике — для лечения кожных покровов.
Витамин А — ретинол. Жирорастворимый. Суточная потребность около 1 мг. Участвует в процессах цветовосприятия, входит в состав зрительного пигмента родопсина.
Влияет на мембраны клеток и состояние слизистых оболочек органов. Недостаток вызывает ухудшение сумеречного зрения («куриную слепоту»), сухость роговицы, поражение слизистых.
Накапливается в печени морских рыб, а в виде провитаминов А — каротиноидов — в плодах облепихи, рябины, шиповника, красного перца и ряде трав — зверобое и др.
Каротиноиды относятся к классу тетратерпеноидов (С5Н8)8 и представлены примерно 70 соединениями. Провитамином А является 9 веществ, имеющих в своей структуре b-иононовое кольцо.
Наиболее активным является b-каротин, имеющий два b-иононовых кольца.
Из молекулы b-каротина получают 2 молекулы витамина А.
Каротиноиды широко распространены в растительном мире.
Локализуются в хлоропластах и хромопластах листьев, цветков, плодов, корнеплодах (морковь), придавая им оранжево-красную окраску.
Наиболее богаты каротиноидами растения сем. Asteraceae, Elaeagnaceae, Polygonaceae, Lamiaceae и др.
В растениях играют роль светофильтра, участвуют в процессе оплодотворения, переносе кислорода.
На образование каротиноидов положительно влияют свет, повышенные температуры.
Осадки, низкая температура влияют отрицательно.
Высокоплавкие желтые, оранжевые, красно-оранжевые вещества, легко растворимые в органических растворителях, жирах, не растворимые в воде.
Растворы имеют окраску от желтой до оранжевой и оранжево-красной с желтовато-зеленой флуоресценцией.
Это свойство используется при количественном определении каротиноидов. Они легко окисляются кислородом воздуха, разрушаются на свету.
Кислая среда ускоряет окисление каротиноидов.
Заготовка
Сырье заготавливают в сроки, указанные в НД. Максимальное содержание каротиноидов в надземной части накапливается в фазу бутонизации-начала цветения, в плодах — зрелых.
Каротиноиды очень нестойкие вещества, поэтому сырье сушат быстро без доступа солнечных лучей при температуре +40-600.
Хранят в прохладном темном месте 1-2 года.
Список общий.
Применение
Применяют как ранозаживляющее, регенерирующее наружно и внутрь.
За исследования каротиноидов присуждены две Нобелевские премии: П. Карреру в 1937 и Р. Куну в 1938 годах.
Лит.: Бриттон Г. Биохимия природных пигментов. М., 1986; Карнаухов В. Н. Биологические функции каротиноидов.