Фотосинтетические пигменты. 
Физиология растений в 2 т. Том 1

Свойства пигментов

Еще в 1779 г. голландский врач Я. Ингенхауз в результате многочисленных опытов показал, что для фотосинтеза нужен не только свет, но и зеленые части растения. В 1818 г. французы П. Пелетье и А. Кавенту выделили из листьев зеленое вещество и назвали его хлорофиллом (от греч. chloros — зеленый и phyllon — лист). Ч. Дарвин считал хлорофилл самым интересным веществом на Земле, потому что с его помощью энергия Солнца превращается в химическую энергию органических веществ. По выражению К. А. Тимирязева, в этом состоит космическая роль зеленых растений. Хлорофилл — универсальный пигмент высших растений и водорослей.

Для фотосинтеза нужен не только хлорофилл, но и другие пигменты. Пигменты (от лат. pigmentum — краска, красящее вещество) — это вещества, избирательно поглощающие свет в видимой части спектра. При освещении белым светом их окраска определяется теми лучами, которые они пропускают или отражают. Если вещество не поглощает свет, то к нам в глаз приходят все лучи видимого спектра, и для нас это вещество — белое. Если вещество поглощает все лучи видимого спектра, то для нас оно — черное.

Способность пигментов поглощать свет связана с наличием в их молекулах правильно чередующихся двойных и одинарных связей. Это так называемые сопряженные двойные связи. Между двумя атомами, связанными двойной связью, находится четыре электрона. Если система состоит из сопряженных связей, то половина этих тт-электронов может свободно перемещаться вдоль всей системы. Поглотив квант света, такой электрон способен оторваться от молекулы пигмента, т. е. пигмент становится донором электронов для восстановления вещества.

Пигменты, участвующие в фотосинтезе высших растений, делятся на две группы: хлорофиллы — зеленые пигменты и каротиноиды — желтые. Есть два основных хлорофилла — хлорофилл a (^I^OslS^Mg) и хлорофилл b (C₅₅H₇o0₆N₄Mg). Хлорофилл а — основной пигмент. Хлорофилл а — синезеленый, а хлорофилл b — желто-зеленый. Хлорофиллы не растворяются в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях и легко изменяются под действием кислот, солей и щелочей.

По химической природе хлорофилл представляет собой сложный эфир дикарбоновой кислоты — хлорофиллина — и двух спиртов: метанола (СН₃ОН) и фитола (С₂оН₃₉ОН):

На рис. 4.1 видно, что в основе молекулы хлорофилла лежит порфирин, состоящий из четырех пиррольных колец, соединенных метиловыми мостиками (—СН=). Хлорофилл относится к тетрапирролам. Именно четыре пиррольных кольца и метановые мостики создают сопряженные связи. В центре молекулы хлорофилла расположен атом магния, который соединен с четырьмя атомами азота пиррольных колец. Следовательно, хлорофилл относится к магний-порфиринам. Структурную формулу хлорофилла удалось узнать благодаря опытам Р. Вилыитеттера (Германия), за что последний был удостоен Нобелевской премии в 1915 г.

Рис. 4.1. Структурная формула хлорофилла а и хлорофилла Ь.

хлорофилла Ь в том случае, если метильная группа в пиррольном кольце II при третьем атоме углерода заменена на альдегидную группу — обведена кружком,.

I—V — пиррольные кольца Хлорофилл h отличается от хлорофилла а тем, что у него ко второму пиррольному кольцу присоединена не метальная, а альдегидная группа (см. рис. 4.1), поэтому хлорофилл b содержит кислорода на один атом больше, а водорода — на два атома меньше. В листе отношение хлорофилла а к хлорофиллу b составляет примерно 3:1.

Благодаря наличию сопряженных двойных связей с подвижными тг-электронами и атомов азота с неподеленными электронами молекула хлорофилла в интактной (неповрежденной) клетке способна к обратимым окислительно-восстановительным реакциям под действием света. Азот пиррольных колец может окисляться (отдавать электрон) или восстанавливаться (присоединять электрон).

Молекулу хлорофилла делят на две части: порфириновое ядро и фитольный хвост. Фитол представляет собой полиизопреноидную цепь, состоящую из 20 атомов углерода. Фитольпый хвост в два раза длиннее, чем порфириновое ядро. Благодаря атомам кислорода, азота и магния порфириновое ядро гидрофильно. Фитольпый хвост — это углеводородная часть, следовательно, он гидрофобеи.

Таким образом, молекула хлорофилла полярна. Эта полярность молекулы обусловливает ее расположение в мембранах хлоропласта: фитольный хвост располагается в гидрофобной части мембраны тилакоида, а порфириновое ядро — в гидрофильной. Имея разные свойства, обе части молекулы хлорофилла выполняют разные функции: порфириновое ядро поглощает свет, а фитольный хвост играет роль якоря, удерживающего молекулу хлорофилла в определенной части мембраны тилакоида.

В настоящее время роль магния в поглощении света связывают с тем, что с его помощью четыре пиррольных кольца располагаются в одной плоскости. Если молекула по какой-то причине приобретает другую форму, то взаимодействие тт-электронных облаков нарушается, цепь сопряжения разобщается, цвет пигмента изменяется или исчезает. С помощью магния молекулы хлорофилла соединяются с другими молекулами этого пигмента. Кроме того, магний нужен для сохранения молекулой хлорофилла своего возбужденного состояния. Магний участвует в образовании комплексов молекулы хлорофилла с другими молекулами пигментов, белками, липидами, фосфолипидами и другими компонентами хлоропласта.

Кроме пиррольных колец, в состав молекулы хлорофилла входит еще карбоциклическое кольцо (см. рис. 4.1) с высокоактивной кетогруппой. Предполагают, что эта группа участвует в окислении воды.

Полученный из листа хлорофилл легко реагирует с кислотами и щелочами. При взаимодействии со щелочью образуются два спирта — метанол и фитол — и щелочная соль хлорофилл и на:

Щелочь отрезает от молекулы хлорофилла фитольный хвост, в результате образующаяся соль теряет способность растворяться в бензине, но сохраняет зеленый цвет. Следовательно, растворимость хлорофилла в бензине, его гидрофобиость, обусловлена остатком фитола, а поглощение света связано с порфириновым ядром. В живом листе фитол может отщепляться от хлорофилла под действием фермента хлорофиллазы.

При действии слабой кислоты хлорофилл теряет зеленый цвет, образуется красно-бурое вещество феофитин, у которого атом магния замещен на два атома водорода:

В естественных условиях образование феофитина происходит при старении листьев, а также под влиянием неблагоприятных факторов, например осенью. В результате листья желтеют. В клетках появление феофитина вызвано увеличением проницаемости мембран и проникновением в хлоропласт кислого клеточного сока. Поскольку избирательная проницаемость мембран увеличивается под действием любого фактора, то и листья желтеют под действием низких и высоких температур, дефицита воды и ее избытка. Этот факт лишний раз доказывает важность этого свойства мембран.

В живых клетках большая часть хлорофилла связана с белком. Связь с белком определяет ориентацию молекул по отношению к плоскости мембраны и друг к другу, что имеет большое значение для поглощения и миграции энергии. Связь с белком определяет межмолекулярпые расстояния между пигментами.

Каротиноиды — полиизопреноиды красного, желтого и оранжевого цвета, производные изопрена: (С₅Н₈), содержащие 40 атомов углерода. Каротиноиды представляют собой цени, обладающие, как и хлорофиллы, сопряженными двойными связями. На обоих концах цепи находится иононовое кольцо (рис. 4.2). Каротиноиды присутствуют в хлоропластах всех растений. Они входят также в состав хромопластов. Свое имя они получили от латинского названия моркови Daucus carota, в корнеплоде которой они содержатся в большом количестве. В зеленых листьях каротиноиды обычно незаметны из-за присутствия хлорофилла, но осенью, когда хлорофилл разрушается, окрашивают листья в желтый и оранжевый цвета.

Каротиноиды делятся на две группы: каротины и ксантофиллы. Каротины (С₄₀Н_5б) представляют собой углеводороды (тетратерпены), а ксантофиллы — содержат дополнительные гидрооксии эпоксигруппы (см. рис. 4.2). У высших растений известны два каротина (а-каротин и p-каротин) и четыре ксантофилла: лютеин (С₄₀Н₅₆О₂), зеаксантин (С₄₀Н₅₆О₂), виолаксантин (С₄₀Н₅₆О₄) и неоксантин (С₄₀Н₅₆О₄). В листьях основными представителями являются p-каротин и лютеин.

P-Каротин (см. рис. 4.2) имеет два р-иононовых кольца (двойная связь между С₅ и С₆ атомами). а-Каротин отличается от p-каротина тем, что у него одно кольцо р-иононовое, а второе — е-иононовое (двойная связь между С₄ и С₅ атомами).

Лютеин — производное а-каротина, а зеаксантин — p-каротина. Эти ксантофиллы имеют по одной гидроксильной группе в каждом иононовом кольце. Виолаксантин имеет еще дополнительно два атома кислорода по двойным связям С₅ и С₆ Каротиноиды нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в бензоле, бензине, ацетоне, сероуглероде.

Все пигменты поглощают свет избирательно. Так, если мы пропустим белый свет через раствор хлорофилла, а затем разложим его с помощью призмы, то увидим, что отдельные лучи спектра окажутся сильно поглощенными и на их месте будут черные полосы. Другие лучи будут лучше проходить через раствор. В результате мы получим так называемый спектр поглощения хлорофилла. Один квант света поглощается молекулой хлорофилла не чаще одного раза за 0,1 с на прямом солнечном свету.

Рис. 4.2. Структурные формулы каротиноидов.

Хлорофиллы поглощают максимально красные и сине-фиолетовые лучи, хуже поглощают оранжевые, желтые и голубые (зеленый свет не поглощается, а проходит сквозь хлорофилл), и отражают дальние красные лучи. Небольшие различия в строении молекул хлорофилла а и b обусловливают некоторые различия в поглощении ими света (табл. 4.2).

Особенности пигментов.

Таблица 4.2

У хлорофилла b полоса поглощения в красной части спектра сдвинута в сторону коротковолновых лучей, а в сине-фиолетовой части — в сторону длинноволновых лучей (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Спектры поглощения хлорофиллов а (1) и b (2) в эфире Желтые пигменты поглощают лучше те лучи, которые плохо поглощают зеленые пигменты. Максимально они поглощают сине-фиолетовые, хуже голубые, немного поглощают зеленые лучи, не поглощают красные, желтые и оранжевые (рис. 4.4). Почему разные пигменты поглощают разный свет? Это зависит от числа и расположения двойных связей в молекуле пигмента, присутствия в ней ароматических колец и атома металла.

Рис. 4.4. Спектры поглощения каротиноидов:

1 — виолаксантин; 2 — лютеин

Хлорофилл может флуоресцировать. Флуоресценция — явление свечения некоторых веществ при их освещении. Если источник света убрать, то флуоресценция прекратится. Испускаемый при флуоресценции свет всегда имеет большую длину волны, чем поглощенный, так как часть поглощенной энергии превращается в тепловую. Хлорофилл флуоресцирует красным (вишневым) светом. Флуоресценция доказывает, что не вся поглощенная хлорофиллом энергия используется на фотосинтез. Флуоресценция тем сильнее, чем меньше поглощенной энергии света используется для фотосинтеза.

Изучение спектров поглощения показало, что хлорофилл а в живом листе существует в нескольких формах, химически одинаковых, но различающихся по поглощению света. Это обусловлено разными причинами. Во-первых, молекулы хлорофилла при близком расположении могут соединяться друг с другом в агрегаты. Во-вторых, они взаимодействуют с белками и липидами мембран тилакоидов. Связь между молекулами белка и хлорофиллом осуществляется путем образования нестойких комплексов при взаимодействии кислотных групп белковых молекул и азота пиррольных колец. В-третьих, это связано с динамическим состоянием молекул хлорофилла в мембранах: они непрерывно разрушаются под действием света {фотодеструкция), вместо них в мембрану встраиваются новые молекулы.