Фотосинтетични пигменти - структура, биосинтеза, свойства и физиологична роля


Категория на документа: Биология



В пластидите на висшите растения от каротините главно се съдържа β-каротин, а от ксантофилите лутеин, виолаксантин, неоксантин. В много растения, особено в израслите на сянка, при ниска интензивност на светлината, е открит α-каротин. Във фотосинтетичните тъкани могат да се включат и други каротиноиди, често е големи количества - антераксантин, зеаксантин и пр. тяхното съдържание силно зависи от условията на средата, особено от наличието или отсъствието на светлина, стресови фактори. В зелените водорасли обикновено се наблюдават същите каротиноиди, но има по-голямо разнообразие на ксантофили - сифоноксантин, сифонеин. По-разнообразни са ксантофилите и при останалите водорасли - диатоксантин и диадиноксантин при жълтозелените, перидинин и неоперидинин при динофлагелати и др.

Осемте изопренови остатъка на каротиноидите образуват верига от конюгирани двойни връзки (от 9 до 13). Пигментите могат да бъдат ациклични, моно- и бициклични, като циклите в краищата на молекулата са поизводни на йонона. Ацикличен каротиноид е ликотин, срещащ се главно в пурпурните бактерии. За зелените бактерии е характерен моноцикличният ϒ-каротин. Водораслите и висшите растения иамт главно или изключително бициклични каротиноиди. Производно на α-каротина е главният светосъбиращ ксантофил лутеин, а β-каротинът е предшественик на неоксантин, виолаксантин, антераксантин и зеаксантин. Зеаксантинът има една хидроксилна група в йононовия пръстен - включването на още 2 атома О2 в неговата молекула при двойните връзки С-5 и С-6 води до образуване на виолаксантин. Най-окислен изомер на лутеина е главният ксантофил на кафяви и кремъчни водорасли - фукоксантин (С40Н60О6).

Биосинтеза на каротиноидите. Локализирана е в самия пластид и обикновено се осъществява в тилакоидната мембрана, с която са свързани отговорните за нея мултиензимни к-кси. Предполага се участие и на хлоропластната обвивка, доколкото в зелени, и в незелени колич. виолаксантин, следван от неоксантин.
Биосинтезата на каротиноидите в хлоропластите има връзка с общия път на образуване на поли- изопреноидните съединения (стероли, убихинон и др.). Той изисква наличие на ацетил-CoA, който през мевалонова киселина (основен предшественик на изопреноидите) се превръща в изопентенилпирофосфат, основна структурна единица на изопреноиднатаверига. В хлоропластите на висшите растения е установен път - той започва с взаимодействие между глицералдехид-3-фосфат и пируват с обарзуване на 1-дезоксиксилулозо-5-фосфат. Следва серия от р-ии, която завършва с образуване на изопентенилпирофосфат. Кондензацията на тези 5-въглеродни съединения е основа за образуването на съединения с различна дължина на веригата. Последователно от изопентенилпирофосфат се образуват геранилпирофосфат (С10), фарнезилпирофосфат (С15) и геранилгеранилпирофосфат (С20), две молекули от който взаимодействат помежду си на принципа "опашка-опашка" до получаване на фитоен (с ензим фитоенсинтаза) - първият С40 предшественик на каротиноидите, само с 3 спрегнати двойни връзки. След четири последователни реакции на дехидрогениране - ненасищане (десатурация), при всяка от които се въвежда по една двойна връзка (фитоендесатураза), от фитоена се получава ликопин, който се циклизира до β-каротин (β-циклаза).
Ксантофилите се получават ч/з хидроксилиране на С скелет на каротините (с ензим β-каротинхидроксилаза) с обарзуване на епокси-, хидрокси- и кетогрупи. Напр. зеаксантин се получава чрез хидроксилиране на β-каротин. Геранилгеранилпирофосфат може да се използва и за синтеза на фитол, така че ч/з него се осъществява връзката в образ. на каротиноиди и хлорофили. Синтезата на каротиноиди се осъществавя на тъмно, но светлината, особено червената, която действа чрез фитохрома, рязко ускорява този процес.

Химични и физични свойства. Каротиноидите са нековалентно свързани с белтъците на тилакоидните мембрани в пигмент-белтъчни комплекси. Те се извличат с органични разтворители - хлороформ, бензол, бензин. Каротините се разтварят лесно в петролеев и етилов етер, а ксантофилите - в метилов и етилов алкохол. Каротиноидите поглъщат светлинни лъчи от виолетовата и синята област на спектъра, като спектърът има на поглъщане има два максимума между 400 и 500 nm. Те отразяват и пропускат зелените, жълтите, оранжевите и червените лъчи.

Физиологична роля. Каротиноидите изпълняват редица физиологични функции във фотосинтезиращите организми: антенна - като допълнителни пигменти участват в поглъщането на светлината; защитна - гасители на триплетния хлорофил и на синглетния кислород; фотопротекторна - предпазват реакционния център от мощните потоци енергия при висока интензивност на светлината и стабилизират липидната фаза на тилакоидните мембрани, защитавайки я от преокисление.

1.Антенна функция - поглъщане на светлината

Каротиноидите се включват както в светосъбиращите комплекси на пигментните системи, така и в пигментираните протеини на РЦ, като поглъщат светлина в синьо-виолетовата и синята част на спектъра (400-500 nm) и препредават нейната енергия до хлорофилите на РЦ. В спектъра на сумарната слънчева радиация на повърхността на Земята значителна част се пада на синята и виолетовата част на спектъра (480-530 nm). При ниско положение на Слънцето се увеличава делът на червените лъчи и нараства частта на разсеяната светлина, в която има много синьо-виолетови лъчи. Техният дял се повишава и при облачно време. Така че значението на каротиноидите като допълнителни пигменти е да използват късовълновата част на светлинния спектър при фотосинтезата, като с това се разширява ефективността на фотосинтетичната зона на спектъра и съответно екологичната приспособеност на организмите.

Каротиноидите притежават две електронни състояния, важни за абсорбцията на светлината и електронния трансфер - S*2 (преход S -->S*2) и S*1 (чрез вътрешна конверсия на енергията на S*2 --> S*1). Изседваните структури на РЦ на фотосистемите разкриват много близки разстояния между каротиноидите и поне някои от (бактерио)хлорофилите, съдържащи се в протеините. Освен тясна връзка между каротиноидите и протеините и близко разстояние между каротиноидите и (бактерио)хлорофилите, значение за ефективен пренос вероятно има също положението и природата на електронните им състояния, стереохимичната стуктура на каротиноида и др. Установено е, че с увеличаване броя на двойните връзки от 7 до 9 се повишава ефективността на преноса на синглетна енергия от 54% до 71% .

2. Защитна функция на каротиноидите

2.1. Защитна функция на β-каротина - фотохимично гасене на възбуденото съст-е на хлорофила (или О2)

Каротиноидите, особено β-каротинът, изпълняват много важна защитна функция, предпазвайки светлочувствителните хлорофили от фотоокислителни повреди. Причина за фотодинамичните увреждания може да бъде О2 молекула, намираща се в първо възбудено синглетно състояние. Синглетният кислород има много висока реакционна способност и може да окисява различни органични молекули, включително хлорофили, пурини в нуклеиновите киселини и полиненаситени мастни киселини, като ги уврежда.

Атмосферният кислород се намира в инертно - триплетно невъзбудено състояние и не реагира с повечето органични съединения, чиито молекули са в синглетни състояния. Енергия за прехода триплетния кислород в синглетен може да се получи от светлинен квант в присъствие на сенсибилизатор, какъвто е например хлорофилът. Някои хлорофилни молекули могат да преминат в триплетно възбудено състояние, особено при излишък на светлина. Когато триплетен възбуден хлорофил взаимодейства с атмосферния О2, получават се две синглетни молекули - хлорофил в основно състояние и възбуден синглетен О2.

Молекулите на β-каротина защитават РЦ на ФСII от фотоокислителни повреди главно по два начина:

А) Гасене на възбуденото триплетно състояние на хлорофила чрез триплет-триплетен енергиен пренос.

Когато енергията, съхранена в хлорофилите във възбудено състояние бързо се разпръсква чрез трансфер на възбуждането или фотохимичен процес, възбуденото състояние се "гаси". В противен случай възбуденият хлорофил може да взаимодейства с молекулния О2, като се образува възбудено състояние на кислорода - синглетен О2. Каротиноидна молекула, която се намира в основно синглетно състояние, може да конкурира атмосферния О2 за триплетния хлорофил. Когато реагира с него, получава се хлорофил в основно синглетно състояние и каротиноид във възбудено триплетно състояние. Възбуденото състояние на каротиноида няма достатъчно енергия, за да формира синглетен О2, така се връща бързо в основно невъзбудено състояние, губейки своята енергия като топлина.

Намерено е, че каротиноиди, съдържащи 9 или 10 С-С двойни връзки (но не и с 8), са способни да гасят триплетните състояния на хлорофила в антенния комплекс.

Б) По-голямо значение има непосредственото взаимодействие между каротиноид и възбуден синглетен кислород (О2*1) - гасене на синглетния О2. Обарзува се съответно триплетен кисород (О23) и възбуден триплетен каротиноид, който отново отделя топлина и се връща в невъзбудено състояние. В такива защитни механизми могат да участват също само каротиноиди, които имат най-малко 9 дойни връзки в молекулата, тъй като енергията на възбуденототриплетно съст-е е равна или по-малка от енергията на синглетния О2.

Всяка мутация, която съществено понижава съдържанието на каротиноидите или броя на спрегнатите двойни връзки в молекулата им, се оказва летална. Потенциално летални са и някои хербициди, като метфлуразон и норфлуразон, които блокират синтезата на каротиноиди. С тази си роля на защитни агенти срещу хлорофил-сенсибилизираното фотоокисление каротиноидите участват в т.нар. неензимна система на антиоксидантна защита на растенията.

2.2.Фотозащитна функция на ксантофилите в ССК - нефотохимично гасене на хлорофилната флуоресценция

Когато интензивността на светлината е по-висока от необходимата за насищане степента на електронния транспорт, излишъкът от абсорбирана енергия може да доведе до увреждане на РЦ на ФСII, формиране на триплетен хлорофил в антената и фотоокисление на пигментите. Развит е механизъм, който да разсейва излишъка от енергия безвредно като топлина, включващ взаимно превръщане на ксантофилите, наречено виолаксантинов или ксантофилов цикъл. Процесът се индуцира от подкиселяването на тилакоидния лумен, което е свързано с формирането на протонна движеща сила. Чрез него енергията се разсейва главно в ССКII на ФСII. На светлина във висши растения, мъхове, зелени и кафяви водорасли обратимото превръщане на ксантофилите виолаксантин и зеаксантин с междинен продукт антераксантин се катализира от деепоксидаза, локализирана на луменната страна на тилакоидната мембрана. При интензивна светлина, когато pH на лумена пада, деепоксидазата се активира и виолаксантин ( с два епоксида) в ССКII се превръща през антераксантин (с един епоксид) в зеаксантин (без епоксиди). Светлината (червената светлина) се абсорбира всъщност от хлорофила. На тъмно се включва ензимът епоксидаза (с pH оптимум около 7,5), локализиран на стромалната страна на мембраната, и се формира отново виолаксантин. Реакцията използва NADPH и освобождава NADP+ за акцептиране на нови електрони. Тъй като превръщанията се придружават от възникване на светлинно-индуциран протонен градиент, при тези условия се синтезира и ATP. Освен да регулира съотношението между NADPH и ATP, главната роля на цикъла е фотозащина - при интензивна светлина осъществява нефотосинтетично термално разсейване на излишъка от абсорбирана енергия или т.нар. нефотохимично гасене на хлорофилната флуоресценция в антената.
3. Структурна роля.

Каротиноидите, и особено ксантофилите, са важна съставна част на ССК и водят до тяхното стабилизиране и/или правилно комплектоване. Освен във фотосинтезиращи, каротиноидите са разпрастранени в нефотосинтезиращи организми (гъби, бактерии) и в нефотосинтезиращи растителни органи - венчелистчета, плодове, прашници и др., в които изпълняват функции, несвързани с фотосинтезата. Например ярко обагрените с каротиноиди цветове и плодове привличат насекоми, птици и др. и така подпомагат опрашването и разпространението на семената. Освен това производни съединения на каротиноидите са предшественици на фитохормона AБК -абсцисинова киселина.

Фикобилини- структура, свойства, физиологична роля

Фикобилините се срещат в цианобактериите и във водорасли от отделите Phodophyta и Cryptophyta. В зависимост от цвета на пигментите се делят на червени фикоеритробилини (главно в червените водорасли) и сини - фикоцианобилини (преобладават в цианобактериите) и алофикоцианини (в цианобактерии и водорасли).

Структура и свойства. Фикобилините са тетрапироли с отворена верига, които имат система от конюгирани двойки и прости връзки. Те са хромофорни групи на фикобилипротеините - глобуларни протеини, с които са здраво свързани с ковалентни връзки. Истинската форма на тяхната молекула може да се представи като "незатворен пръстен". В клетките на водораслите и цианобактериите фикобилипротеините агрегират помежду си, образувайки особени гранули, наречени фикобилизоми, които са подредени вансамбли на повърхността на тилакоидните мембрани. Фикобилипротеините са разтворими във вода или в разтвори на соли. Всяка от трите групи има характерен спектър на поглъщане на светлинните лъчи главно в жълто-зелената част на спектъра. Това е точно тази част, в която зелените растения не абсорбират фотони и по такъв начин остава отворена като един "оптичен прозорец". Фикоеритрините имат максимум на поглъщане от 498 до 568 nm , фикоцианините от 585 до630 nm, а алофикоцианините - от 585 до 650 nm. За фикобилипротеините е характерна ярка флуоресценция: за фикоеритрина оранжева с максимум 575 nm, за алофикоцианина червена с максимум 660 nm.



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.