Пластиды высших растений содержат пигменты двух классов - хлорофиллы и каротиноиды. Роль этих пигментов состоит в том, чтобы поглощать свет и превращать его энергию в энергию химической связи. 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.

 

Хлорофиллы: химическая структура, спектральные свойства, функции

 

В настоящее время известно несколько различных форм хлорофиллов, которые обозначают латинскими буквами. Хлоропласты высших растений содержат хлорофиллы а и b. Основным функциональным пигментом является хлорофилл а, который обнаружен у всех фотосинтезирующих организмов (кроме бактерий). Он служит непосредственным донором энергии для фотосинтетических реакций, остальные пигменты лишь передают поглощенную энергию хлорофиллу а.

По химической природе хлорофиллы а и b —  cложные эфиры дикарбоновой кислоты хлорофиллина и двух спиртов — метилового и одноатомного непредельного спирта фитола.

По химической структуре молекула хлорофилла представляет собой порфириновое ядро, в центре которого находится атом Mg, соединенный координационными связями с четырьмя пиррольными кольцами. Хлорофилл b отличается от хлорофилла а лишь тем, что у третьего углеродного атома во втором пиррольном кольце его молекулы метильная группа заменена на альдегидную.

Молекулы хлорофиллов способны избирательно поглощать свет. Хлорофиллы поглощают главным образом свет красной и сине-фиолетовой областей спектра. В спектре поглощения хлорофиллов имеются два ярко выраженных максимума:

–         в красной области (Хл а: λ_max= 660 нм, Хл b: λ_max= 640 нм)

–         в сине-фиолетовой области (Хл а: λ_max= 430 нм, Хл b: λ_max= 450 нм).

Зеленый свет они отражают и потому придают растениям характерную зеленую окраску, если только ее не маскируют другие пигменты.

 

Основные этапы биосинтеза молекулы хлорофилла

 

Предшественником всех хлорофиллов является δ-аминолевулиновая кислота (δАЛК). Известны два метаболических пути образования δАЛК: путь Шемина и п уть Биле. Оба пути функционируют в растениях. В основе пути Шемина у животных, бактерий, эвглен и грибов – конденсация сукцинил- оА и глицина с образованием α-амино-β-кетоадипиновой кислоты. Глицил – радикал немедленно декарбоксилируется в δАЛК. Реакцию катализирует АЛК-синтетаза. Активность АЛК-синтетазы обнаружена в хлоропластах.

Однако доля δАЛК, синтезированной из глицина, крайне мала по сравнению со всей δАЛК, участвующей в синтезе тетрапиррола.

Путь Биле катализируют ферменты, часть которых растворены в строме хлоропластов, а другие тесно связаны с мембранами. В 1974 г. Биле и Кастелфранко показали, что глутамат и α-кетоглутарат являются субстратами для синтеза δАЛК. Путь Биле обнаружен в хлоропластах высших растений, водорослях, включая эвглену, фотосинтезирующих и нефотосинтезирующих бактериях.

Активация глутамата. Было доказано, что биосинтез δАЛК зависит от tRNA. Это подтвердило гипотезу Гассмана и Богорада (1967) об участии нуклеиновых кислот в биосинтезе хлорофилла. Путем секвенирования было показано, что t-РНК имеет антикодон УУЦ, специфичный к глутамину. Глутамат t-РНК-лигаза, кодируемая ядерным геном, катализирует присоединение t-РНК к первому углероду глутамата. В качестве кофакторов используется ион магния и АТФ.

Глутамил-t-РНК комплекс превращается в глутамат 1-семиальдегид (Г1СА) с участием оксидоредуктазы с кофактором НАДФН. Превращение Г1СА в δАЛК катализируется витамином В6 и пиридоксальфосфатзависимым ферментом – ГСА-аминотрансферазой. Некоторые авторы допускают наличие промежуточных соединений. Также предполагают, что δАЛК возникает в результате неферментативной конденсации двух молекул ГСА. Реакции от δАЛК до протопорфирина IX являются общими при биосинтезе хлорофилла и гема.

Порфобилиноген (ПБГ) образуется в реакции асимметричной конденсации двух молекул δАЛК с освобождением двух молекул воды. Фермент АЛК-дегидратаза связан с металлом: с цинком у бактерий и с магнием у растений. Ингибируется кадмием и свинцом.

В образовании уропорфириногена III участвуют два фермента: ПБГ- деаминаза и УроIII-синтетаза. Полимеризуются четыре молекулы ПБГ с образованием линейного и очень лабильного тетрапиррола (первый фермент); замыкается в кольцо вторым ферментом. УроIII-синтетаза очень нестабильна даже при комнатной температуре.

Образование копропорфириногена III катализируется ферментом уродекарбоксилазой, который кодируется геном hem12. Образование протопорфириногена IX происходит при окислительном декарбоксилировании двух пропионовых остатков в А и В кольцах копрогена-III с участием копрогеноксидазы, и образуется дивинилпротопорфириноген 9 (DV-протоген 9). Возможен также выход моновинилпротопорфирина 9 (MV-протоген 9).

Образование протопорфирина IX происходит в результате удаления шести электронов из ППГ-IX.

На этапе от протопорфирина к протохлорофиллиду происходит захват иона магния (фермент магний-хелатаза связан с мембраной и требует АТФ). Этерификация магний-протопорфирина-9 в магний – протопорфирин-9 монометиловый эфир, образование изоциклического кольца приводят к образованию протохлорофилла. Свойственно хлорофиллам.

Протохлорофилл описывают в двух формах: моновинильной и дивинильной. Выделяют следующую группу растений: накапливающие дивинил в темноте и на свету (огурцы, хвойные); содержащие моновинильную форму в темноте и дивинильную на свету (однодольные, бобы); синтезирующие дивинильную форму в темноте и моновинильную на свету (виола, гинкго); имеющие только моновинильную форму (яблоня). По-видимому, на самом деле в каждом растении присутствуют обе формы, но в разной пропорции и в зависимости от стадий развития растений. Хорошо известно, что покрытосеменным растениям необходим свет для синтеза хлорофилла, тогда как остальные способны к его синтезу и в темноте.

На последнем этапе биосинтеза протохлорофиллид превращается в хлорофилл а.

Для световой трансформации протохлорофиллида в хлорофиллид с участием НАДФН-зависимой фотооксидоредуктазы достаточно 10-микросекундной вспышки. Кодируется ядерной ДНК. Действительным субстратом является возбужденный протохлорофиллид. Фотоактивный протохлорофиллид существует в двух промежуточных комплексах (Р638-642 и Р650-657), причем второй преобладает. Фотоактивный протохлорофиллид имеет одну полосу флюоресценции при 657 нм. Фотонеактивный протохлорофиллид назван так, поскольку превращается в хлорофиллид не очень быстро.

Первым продуктом фоторедукции является хлорофиллид (С676-688) после присоединения двух остатков водорода в 17 и 18 позициях. После его образования развиваются два различных спектральных сдвига (шифта). Первый из них (коротковолновый) происходит через несколько секунд с образованием С670-675, что объясняют отделением хлорофиллида от фермента. Это главный сдвиг в пропластидах.