А.И. Фазлутдинова, к.б.н., доцент кафедры БиБО
Вещества, поглощающие видимый свет и запускающие химические реакции фотосинтеза называются пигментами. Фотосинтетические пигменты составляют 10-15% сухой массы хлоропластов. в 1903 году русский ученый М.С.Цвет изобрел принципиально новый метод адсорбционной хроматографии для разделения пигментов, который позволил ему выделить хлорофилл а и хлорофилл b и получить три фракции желтых пигментов.
Поглощение пигментом кванта света определяется характером распределения электронов в молекуле данного пигмента. Какие именно длины волн будет поглощать пигмент, зависит от числа и от расположения двойных связей в его молекуле, а также от присутствия в нем ароматических колец. Роль главного рецепторного пигмента в фотосинтезе играет хлорофилл, одним из лучших доказательств этого является сходство «спектра поглощения» хлорофилла и «спектра действия» фотосинтеза.
В переносе электронов при фотосинтезе вовлекается только небольшая часть молекул хлорофилла. Прочие его молекулы выполняют роль светособирающего комплекса или светособирающей антенны.
Растительные организмы содержат несколько видов пигментов. Обычно в пластидах высших растений и водорослей встречаются все три класса пигментов – хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины. Организмы Хлорофилл Каротиноиды Фикобили - протеины а b c Семенные растения + + - + - Мхи, папортники + + - + - Зеленые водоросли + + - + - Эвгленовые водоросли + + - + - Диатомовые водоросли + - + + - Динофлагелляты + - + + - Бурые водоросли + - + + - Красные водоросли + - - + + Криптофиты + - + + +
Молекула хлорофилла состоит из порфириновой «головки» и фитольного «хвоста». При этом порфириновая часть молекулы находится на поверхности мембраны тилакоида и связана с белками, а жирорастворимая фитольная цепь погружена в липидный слой. Хлорофилл – это сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта, а другая – остатком одноатомного непредельного спирта – фитола.
Структура хлорофилла, лишенная фитола, называется хлорофиллидом. При замещении атома магния протонами в молекуле хлорофиллов образуются феофетины.
Резко выраженные максимумы поглощения хлорофиллов находятся в сине-фиолетовой (430-460нм) и красной (650-700нм) частях спектра
Раствор хлорофилла отражает свет с измененной длиной волны, поэтому хлорофилл приобретает вишнево-красную окраску. Это явление носит название флуоресценции. Растворы хлорофиллов способны также к фосфоресценции, т.е. длительному послесвечению, максимум которого лежит в инфракрасной области.
В основе механизмов флуоресценции и фосфоресценции лежит способность пигментов находится в электронновозбужденном состоянии.
Молекула хлорофилла благодаря своим структурным и физико-химическим особенностям способна выполнять три важнейшие функции: избирательно поглощать энергию света; запасать ее в виде энергии электронного возбуждения; фотохимически преобразовывать энергию возбужденного состояния в химическую энергию соединений.
Каротиноиды – это полиеновые соединения, имеющие систему сопряженных двойных связей. Они образуют 40-углеродную цепь, построенную из 8 остатков изопрена. Циклы на концах молекул каротиноидов являются производными ионона. К каротиноидам относятся три группы соединений: 1) оранжевые или красные пигменты каротины (С 40 Н 56 ); 2) желтые ксантофиллы (С 40 Н 56 О 2 и С 40 Н 56 О 4 ); 3) каротиноидные кислоты – продукты окисления каротиноидов с укороченной цепочкой и карбоксильными группами.
Спектры поглощения каротиноидов характеризуются двумя полосами в фиолетово-синей и синей области от 400 до 500 нм.
Они выполняют роль дополнительных пигментов, которые передают энергию поглощенных квантов хлорофиллу а для совершения фотохимической работы. Каротиноиды выполняют функции фотопротекторов, предохраняя хлорофилл от фотоокисления на слишком ярком свету.
Фикобилины относятся к группе желчных пигментов – билинов. Это тетрапирролы с открытой цепью, имеющие систему конъюгированных двойных и одинарных связей.
Фикобилины поглощают свет в желтой и зеленой областях спектра между двумя максимумами поглощения света хлорофиллов
Фикобилипротеины делятся на три основные группы: фикоэритрины – белки красного цвета с максимумом поглощения 498-568 нм; фикоцианины – сине-голубые белки с максимумами поглощения 585-630 нм; аллофикоцианины – синие белки с максимумами поглощения 585-659 нм. Все они обладают флуоресценцией и водорастворимы.
Фикобилипротеины агрегируют друг с другом, образуя специальные гранулы фикобилисомы. У цианобактерий, красных водорослей и криптофитов фикобилисомы играют роль дополнительных пигментов, выполняющих вместо хлорофилла b функции светособирающего комплекса. Хроматическая комплементарная адаптация водорослей. У водорослей, имеющих различные формы фикобилипротеинов, это явление проявляется при изменении спектрального состава света: при выращивании на красном свету преобладает фикоцианин, а на зеленом – фикоэритрин.
Благодаря тому, что расстояние между пигментами в АК не превышает 10нм, передача энергии в реакционный центр возможна без флуоресценции и поглощения в виде света. Скорость такой передачи достигает 10 -9 -10 -10 с. Вокруг возбужденной светом молекулы пигмента имеется временное магнитное поле определенной частоты. В том случае, если расположенная рядом молекула другого пигмента имеет близкие значения собственной частоты колебаний электромагнитного поля, энергия возбуждения может быть передана резонансным путем от молекулы-донора к молекуле-акцептору
Необходимым условием для передачи энергии является перекрывание спектра флуоресценции молекулы-донора со спектром поглощения молекулы-акцептора. В АК энергия передается от каротиноидов к хлорофиллам b, далее к хлорофиллам а и, наконец, в реакционный центр к хлорофиллам Р 680 или Р 700. Причем эффективность переноса между молекулами хлорофилла достигает 100%, а между молекулами каротина и хлорофилла всего лишь 40%.
ССК ФСII содержит 40 молекул хлорофиллов а с максимумами поглощения 670-683 нм на один П 680 и b-каротин. ССК ФСI состоит из хромопротеинов, содержащих 110 молекул хлорофиллов а с максимумами поглощения 675-695 нм на один П 700, из них 60 молекул – компоненты ССК самой фотосистемы, а 50 входят в состав комплекса, который можно рассматривать как ССК ФСI. Антенный комплекс ФСI также содержит b-каротин.
В реакционных центрах энергия возбуждения фотосинтетических пигментов используется для разделения зарядов. Разделение зарядов в реакционных центрах происходит между молекулами хлорофилловой природы и связано с транспортом электронов.
В реакционном центре ФСI первичный донор электронов - Р 700, а акцептор – мономерная форма хлорофилла а 695 (А 1 ). Рассмотрим процесс разделения зарядов на примере ФСI:
Процесс разделения зарядов, происходящий в реакционном центре фотосистемы, условно можно разделить на несколько этапов. На первом этапе ( первичное разделение зарядов ) под действием света П 700 переходит в окисленное состояние П 700 *. На втором этапе электроны переносятся на соответствующие акцепторы А 1. При этом хлорофилл переходит в окисленную форму П 700 +, а А 1 восстанавливается (А 1 - ). Появление неспаренного электрона в молекуле хлорофилла (П 700 +) инициирует переход на нее электронов из ФС II через медьсодержащий белок – пластоцианин.
На заключительном этапе ( вторичное разделение зарядов ), которое в среднем занимает около 200 пикосекунд, происходит процесс генерации на мембране тилакоида градиента протонов. Электрохимический градиент ионов водорода, формируемый в процессе разделения зарядов на тилакоидной мембране, представляет собой уже электрическую форму энергии, которая может быть трансформирована в химическую энергию макроэргической связи АТР.
В ходе ионизации воды образуются протоны, которые накапливаются на внутренней стороне мембраны тилакоидов, и два «свободных радикала» (2ОН. ). Последние, по-видимому, объединяются в перекись водорода, которая, в дальнейшем, распадается, что и приводит к выделению кислорода.
