Фотосинтетични пигменти - структура, биосинтеза, свойства и физиологична роля


Категория на документа: Биология


4. Фотосинтетични пигменти - структура, биосинтеза, свойства и физиологична роля

Слънчевата енергия при участието на зелените растения и фотосинтезиращите бактерии се преобразува в свободна енергия на органичните съединения. За осъществяването на този уникален процес в хода на еволюцията е създаден фотосинтетичен апарат, съдържащ: 1) набор от фотоактивни пигменти, способни да поглъщат електромагнитното излъчване на определени области от спектъра и да запасяват тази енергия във вид на енергия на електронното възбуждане, и 2) специален апарат за преобразуване на енергията на електронното възбуждане в различни форми на химичната енергия.

Фотосинтетичният апарат на организмите, осъществяващи фотосинтеза, се отличава с многообразие. Зелените серни бактерии, за които се характеризира аноксигенна фотосинтеза, имат специфични вътрешни мехурчета, наречени хлорозоми. При пурпурните бактерии е представен вече от тилакоиди с разнообразна форма, включващи всички пигменти. Цианобактериите, които осъществяват същинска фотосинтеза, нямат хлоропласти, а също притежават "отворен" фотосинтетичен апарат - тилакоиди.

В представителите на род Prochloron от отдел Prochlorophyta тилакоидите са събрани в купчинка по два или повече. Строежът на тилакоидите и пигментният им състав са сходни с тези на зелените водорасли. Липсват фикобилизоми. Поради това се смята, че подобни на Prochloron ендосимбиотни прокариоти са дали началото на хлоропластите на зелените водорасли.

Във всички зелени водорасли, мъхове, папрати, голосеменни и покритосеменни - с оксигенна фотосинтеза, фотосинт. мембр. са обградени от двойна обвивка и оформят структура, наречена хлоропласт.

Хлоропластите на висшите растения имат обикновено форма на двойноизпъкнала, плоскоизпъкнала или вдлъбнатоизпъкнала леща с диаметър от 2 до 10 µm. Въз основа на множество електронномикроскопски изследвания се различават 3 главни части на хлоропластите:
* Двойна външна мембранна обвивка
* Високо организирана вътрешна ламеларна (мембранна) система от тилакоиди
* Хлоропластна строма

Най-специфичните химични компоненти на тилакоидните мембрани са фотосинтетичните пигменти (ФСП). Именно те поглъщат енергията на слънчевата светлина, която след това в растенията, цианобактериите и фотосинтезиращите бактерии се преобразува в енергия на химичните връзки. ФСП се разделят на 3 основни групи: хлорофили, каротиноиди и фикобилини. Най-голямо значение за фотосинтезата имат хлорофилите, главно хлорофил А. В отделните растителни организми се срещат различни комбинации на пигментите, но във всички случаи е задължително присъствието на хлорофил А (бактериохлорофил А във фотосинтезиращите бактерии), чрез който се реализира първичното фотохимично действие и допълнителни (останалите хлорофили, каротиноидите и фикобилините). Големият спектър от допълнителни пигменти, препокриващи със своето поглъщане практически цялата "видима" (и инфрачервена при фотосинтезиращите бактерии) част от слънчевия спектър, дава възможност на фотосинтезиращите организми активно да улавят падащата на земята светлинна радиация. Каротиноидите също са характерни за висшите растения, водораслите и фотосинтезиращите бактерии, а фикобилините - за цианобактериите и някои водорасли.

Всички пигменти влизат в състава на фотосинтезите във вид на хромопротеини, т.е. пигмент-белтъчни комплекси. Хлорофилите и каротиноидите са съеднинения с белтъците, с нековалентни връзки. Обратно, фикобилините са свързани с белтъците ковалентно и затова в клетките се намират във вид на напълно определени молекули - фикобилипротеини.

Хлорофили.

Хлорофилите принадлежат към видовете a,b,c, d, и е, които са застъпени в различни организми. Всички фотосинтезиращи организми съдържат хлорофил а (фотосинтезиращите бактерии бактериохлорофил а). Хлорофил b се среща във висшите растения, зелените еугленовите водораслии, както и в новооткритите прокариоти от отдел Prochlorophyta. Може да има мутанти, в които той да отсъства, но не е установен нито един фотосинтезиращ организъм без хлорофил а. Във водораслите от отдел Phaeophyta присъства хлорофил c, в много червени водорасли (отдел Rhodophyta) - хлорофил d.

Състав и структура. Хлорофилите са магнезий-съдържащи порфилини - циклични тетрапироли. Те са естери на дикарбоновата хлорофилинова киселина с два алкохола - метилов и етилов.

Окончателната структурна формула на хлорофила е предложена от немския биохимик Г. Фишер. Порфириновото ядро представлява плоска квадратна структура, състояща се от четири пиролови пръстена. В центъра на тази "глава" е разположен магнезиев атом, който се свързва чрез 4 координационни връзки с азота на пироловите пръстени. Пръстените са съединени помежду си с метинови мостчета и всеки от тях съдържа различни странични вериги. Порфириновото ядро представлява циклична 18-членна система от конюгиращи (спрегнати) редуващи се двойни и прости връзки с 18 делокализирани π електрони.

Биосинтеза на хлорофила. Синтезата на хлорофила се осъществява по биосинтетичния път на порфирините. Ключовият предшественик на тетрапиролите, включително на хлорофила, е 5-аминолевулинова киселина (АЛК). Доскоро съществуваше предства, че при растения, животни и бактерии тя се образува по един и същ "сукцинат-глицинов" път, при участието на сукцинил СоА и глицин в присъствие на пиридоксалфосфат и на ензима АЛК синтаза. Оказва се обаче, че по този път се синтезират твърде малки количества АЛК, които не могат да осигурят достатъчно формиране на тетрапироли за хлоропласта. През 70-те години е установено, че АЛК се образува от глутамат, глутамин (след дезаминиране) или α-кетоглутарат (след аминиране). За цианобактериите и висшите растения единственият път за синтеза на АЛК е С5 пътят - от глутамат. Той е открит в мъхове, водорасли. Същевременно за фотосинтезиращи бактгерии и някои зелени водорасли са възможни и двата пътя.

Глутаминова киселина първо се активира чрез свързване с хлоропластно кодирана тРНК в присъствие на АТР и Mg2+ и с участието на АТР- и тРНК-зависима глутамат синтетаза, като формира глутамил-тРНК. Активираният глутамат се редуцира до глутамат-1-полуалдехид в NADPH-зависима реакция, а той с участието на глутамат-1 -полуалдехид аминотрансфераза се превръща в АЛК.

При включване на 2 молекули АЛК се образува порфобилиноген, който има пиролова природа. Реакциата се катализира от АЛК дехидратаза. От четири молекули порфобилиноген се получава първо линеен тетрапирол, а след това първия цикличен тетрапирол - уропорфириноген III. В него при външните въглеродни атоми се редуват остатъци от оцетна и пропионова киселина. Следват различни ензимни стъпки, осъществяващи постепенно декарбоксилиране на ацилните остатъци на атомите на С2, С7, С12, С18, окислително декарбоксилиране на пропионатни остатъци при С3 и С8 и др. и завършват с образуването на протопорфирин IX, който служи като ключов междинен продукт в биосинтезата на Fe- и Mg-порфирини. Специфичната за хлорофилите реакция е присъединяването на Mg като централен атом, при което се образува Мg-протопорфирин IX. Докато в цитохромите Fe се включва спонтанно, при растенията за тази реакция е абсолютно необходимо АТР. Донор на Mg2+ е комплексът Мg-ATР, който е субстрат за повечето кинази. Хелатирането на прото IX става с участието на мембранно свързания ензим Mg-хелатаза. Централният атом на магнезий определя редокс-потенциала, т.е. отличава се с най-малка способност да удържа електрони, освен това е и с понижен потенциал на йонизация. Затова Мg-производните на порфирина са силни редуцирани агенти и във възбудено състояние са способни да редуцират съединения с висок редукционен потенциал.

Следващ важен етап от биосинтетичния път е затваряне на характерния пети циклопентанов пръстен Е (ензим NADPH-зависима циклаза) чрез циклизация на страничната верига на пропионовата киселина с формиране на протохлорофилид.
Следва фототрансформацията на протохлорофилида до хлорофилид, която се осъществява от NADPH-протохлорофилид-оксидоредуктаза(ПОР) - ензим, свързан с проламеларно тяло на етиопласта, където образува фотохимически активен комплекс с NADPH и протохлорофилидът(Пхлд). При кратък светлинен импулс ензимът превръща възбудения Пхлд до хлорофилид а в резултат на хидрогениране на двойната връзка при С17 и С18 в пироловия пръстен D, което се придружава от характерна промяна в абсорбционния спектър. На основата на този ефект фотореакцията може да се измери спектрофотометрично в интактни листа. Това е единствената фотохимична реакция на пътя на хлорофилната биосинтеза при висшите растения. Първите признаци на позеленяване на отгледаните на тъмно етиолирани покритосеменни растения се наблюдават 2-4 часа след началото на осветяването им.

Последната реакция от синтезата на хлорофил е естерифицирането на остатъка от пропионова киселина при С17 на хлорофилида с фитол (ензим хлорофил синтетаза), при което се получава хлорофил а. За сметка на новосинтезиран хлорофил а се образува и хлорофил b. Реакцията изисква атмосферен О2 и е светлинно независима, първоначално се включва монооксигеназа, след което следва дехидрогениране. Предполага се, че хл. b може да се формира и чрез фоторедукция на Плхд през Хлд b. Съществуа и обратно превръщане на хлорофил b в хлорофил а чрез две последователни редукционни реакции. Значението на тази трансформация може да е свързано с аклиматизацията на растенията към вариращите светлинни условия.

Химични свойства на хлорофила. Хлорофилите са водонеразтворими. In vivo те се намират нековалентно свързани с белтъци в хлорофил-белтъчни комплекси, които са включени в тилакоидните мембрани. Извличат се с органични разтворители: алкохол, ацетон, бензол, хлороформ. Разтворът на хлорофил А в алкохол или етилов етер има синьозелен цвят, а на хлорофил b - жълтозелен.

Оптични свойства на хлорофила. Много важно свойство на хлорофилите e избирателното поглъщане на светлинните лъчи - максимумите на поглъщане са в червената и синята област на видимия спектър. Спектърът на поглъщане на пигментите зависи от характера на разтворителя, от взаимодействието им в интактните клетки с белтъците. В зависимист от белтъците, с които са свързани, се различават различни спектрални форми хлорофили - хл.А 702 (числото съотв. на положението на макс. на поглъщане в nm), 692, 684, 677, 670, 662, хл. b 650 и 640. Хлорофилите поглъщат много слабо оранжевите и жълтите лъчи, а отразяването или пропускане на зелена светлина (около 550 nm), която не се абсорбира от пигментите, дава познатия зелен цвят на растенията, на хлорофилните разтвори.

Функцията на Mg-порфирините са се формирали в процеса на еволюцията в тясна връзка с еволюцията на фоторецепторните структури. Пиролният пръстен, състоящ се от 4 атоми въглерод и атом азот, представлява хромофор, способен да поглъща енергията на инфрачервената област на спектъра. Затварянето на пиролните пръстени в тетрапиролната структура на порфирина, химически по-устойчив, има решаващо значение в еволюцията на хлорофилите като първични фоторецептори. Благодарение формиране циклична система и на ефекта на спрягане се появяват интензивни ивици на поглъщане във видимата област на спектъра с по-висока енергия на квантите. Образуващите се в процеса на еволюцията порфирини представляват сложна система с общ π-електронен облак, обединяващ 4-те пиролни пръстена в един цикъл.

Хлорофилът може да абсорбира светлината поради специфичната структура на порфириновото ядро. Конюгираната система на спрегнатите връзки във всички хлорофили представлява основна хромофорна група, отговорна за избирателното поглъщане на светлината.

Каротиноиди - структура, биосинтеза, свойства, физиологична роля.

Каротиноидите са мастноразтворими пигменти с жълт, оранжев , червен и кафяв цвят. Присъстват в пластидите на всички висши растения и водорасли, в цианобактериите, зелените и пурпурните фотосинтезиращи бактерии, в халобактериите. В листата на растенията каротиноидите обикновено са замаскирани от хлорофилите, но през есента, когато първи се разрушават зелените пигменти, именно каротиноидите придават характерния за есенните листа жълт или оранжев цвят.

Структура, разпространение и свойства. Каротиноидите са тетратерпени, изградени от 8 изопренови единици, които дават С40 съединение. Към каротиноидите се отнасят: 1.оранжеви или червени пигменти каротини - въглеводороди (С40Н56) ; 2.жълти ксантофили - с кислородсъдържащи функционални групи в молекулата (С40Н56О2, С40Н56О4 и др.).



Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Фотосинтетични пигменти - структура, биосинтеза, свойства и физиологична роля 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.