Фотосинтез


Основные элементы структуры хлоропластов



страница2/6
Дата17.11.2018
Размер0.88 Mb.
1   2   3   4   5   6

Основные элементы структуры хлоропластов. Лист растения - орган, обеспечивающий условия для проте­кания фотосинтетического процесса. Функционально же фото­синтез приурочен к специализированным органеллам - хлоропластам. Хлоропласты высших растений имеют форму двояковы­пуклой линзы (диска), которая наиболее удобна для поглощения солнечных лучей. Их размеры, количество, расположение в клет­ке также полностью отвечают назначению: как можно эффектив­нее поглощать солнечную энергию, как можно полнее усваивать углерод. На различных растениях установ­лено, что количество хлоропластов в клетке измеряется десятка­ми. Это обеспечивает высокое содержание этих органелл на еди­ницу поверхности листа. Так, на 1 мм2 листа фасоли приходится 283 тыс. хлоропластов, у подсолнечника - 465 тыс. Диаметр хло­ропластов в среднем 0,5-2 мкм, длина 5-10 мкм, объем 30- 40 мкм3. Малый размер хлоропластов и большое количество их в одной клетке обусловливают громадную общую суммарную рабо­чую поверхность.

Хлоропласты способны к активным движениям - изменению ориентации тела и перемещению в пространстве. Скорость дви­жения хлоропластов около 0,12 мкм/с. Их передвижения вызы­ваются физическими и химическими факторами. Например, под влиянием яркого света хлоропласты поворачиваются узкой стороной диска к падающим лучам и перемещаются на боковые стенки клеток. Хлоропластам присуща также хемотаксическая чувствительность - они передвигаются в направлении более вы­сокой концентрации СО2 в клетке. Установлен и эндогенный суточный ритм движения хлоропластов: днем они обычно вы­страиваются вдоль стенок, ночью опускаются на дно клетки.



Состав хлоропластов. Химический состав хлоропластов довольно сложен и харак­теризуется высоким содержанием воды (75 %). Около 75-80 % общего количества сухих веществ приходится на долю различных органических соединений, 20-25 % - на долю минеральных ве­ществ. Структурной основой хлоропластов являются белки, со­держание которых достигает 50-55 % сухой массы, примерно половину из них составляют водорастворимые белки. Такое вы­сокое содержание белков объясняется их многообразными функ­циями в составе хлоропластов. Это структурные белки, являю­щиеся основой мембран, ферменты, транспортные белки, поддерживающие определенный ионный состав, отличающийся от цитозоля, сократительные белки, подобные актомиозину мышц, которые обеспечивают двигательную активность хлоропластов. Белки выполняют также рецепторную функцию, прини­мая участие в регуляции интенсивности фотосинтеза в меняю­щихся условиях внутренней и внешней среды.

Важнейшей составной частью хлоропластов являются липиды, содержание которых колеблется от 30 до 40 % сухой массы. Липиды хлоропластов представлены тремя группами соединений.



  1. Структурные компоненты мембран, которые представлены амфипатичными липоидами и отличаются высоким содержанием (более 50 %) галактолипидов и сульфолипидов. Фосфолипидный состав характеризуется отсутствием фосфатидилэтаноламина и высоким содержанием фосфатидилглицерина (более 20 %). Свыше 60 % состава жирных кислот приходится на линолевую кислоту.

  2. Фотосинтетические пигменты. В отличие от водораствори­мых пигментов клеточного сока пигменты хлоропластов характе­ризуются повышенным сродством к гидрофобным растворителям и относятся к липоидам. Высшие растения содержат две формы зеленых пигментов: хлорофилл а и хлорофилл b и две формы желтых пигментов: каротины и ксантофиллы (каротиноиды). Ведущую роль в фотосинтезе - фотосенсибилизацию - выполняет хлорофилл а, другие пигменты расширяют спектр действия фотосинтеза за счет более полного поглощения ФАР, каротиноиды защищают хлорофилл от фотоокисления, участвуют в транспорте кислорода, образующегося при фотолизе воды.

  3. Жирорастворимые витамины - эргостерол (провитамин D), витамины Е, К сосредоточены практически целиком в хлоропластах, где участвуют в преобразовании световой энергии в химическую.

Нуклеиновые кислоты со­ставляют примерно 1% сухой массы хлоропластов (РНК - 0,75 %, ДНК - 0,01-0,02%). Таким образом, хлоропласты имеют собственную белоксинтезирующую систему. Его геном представлен кольцевой молекулой ДНК длиной 40 мкм с моле­кулярной массой 108, кодирующей 100-150 белков средних раз­меров. Рибосомы хлоропластов составляют от 20 до 50% общей популяции рибосом клетки. Они относятся к 70S-типу с субъ­единицами 50 и 30S.

Под контролем ДНК хлоропласта синтезируются большая субъединица ключевого фермента темновой фазы фотосинтеза - рибулезодифосфаткарбоксилазы, три из пяти субъединиц факто­ра, сопрягающего поток электронов с синтезом АТФ, цитохром f, около 12 мембранных белков и 80 растворимых белков, выпол­няющих в основном ферментативную функцию. Однако для нормального функционирования хлоропластов необходимо взаи­модействие ядерного и хлоропластного геномов. Ключевой фермент фотосинтеза РДФ-карбоксилаза синтезируется под двойным контролем - ДНК ядра и хлоропласта.

Углеводы не являются конституционными веществами хлоро­пласта. В очень небольших количествах фосфорные эфиры сахаров участвуют в восстановительном цикле углерода, в основном же это продукты фотосинтеза. Поэтому содержание углеводов в хлоропластах значительно колеблется (от 5 до 50 %). В активно функционирующих хлоропластах углеводы обычно не накаплива­ются, происходит их быстрый отток. При уменьшении потреб­ности в продуктах фотосинтеза в хлоропластах образуются круп­ные крахмальные зерна. В этом случае содержание крахмала может возрасти до 50% сухой массы и активность хлоропластов снизится.

Необходимо обратить внимание также на высокое содержание в хлоропластах минеральных веществ. Сами хлоропласты составляют 25-30 % массы листа, но в них сосредоточено до 80 % железа, 70-72 - магния и цинка, около 50 - меди, 60 % кальция, содержащихся в тканях листа. Эти данные хорошо согласуются с высокой и разнообразной ферментативной ак­тивностью хлоропластов. Минеральные элементы выступают в роли простетических групп и кофакторов деятельности фер­ментов. Магний входит в состав хлорофилла. Важная роль кальция состоит в стабилизации мембранных структур хлоропластов.



Возникновение и развитие хлоропластов. Хлоропласты обра­зуются в меристематических клетках из инициальных частиц или зачаточных пластид. Инициальная частица состоит из амебоидной стромы, окруженной двухмембранной обо­лочкой. По мере роста клетки инициальные частицы увеличи­ваются в размере и приобретают форму двояковыпуклой линзы, в строме появляются небольшие крахмальные зерна. Одновре­менно внутренняя мембрана начинает разрастаться, образуя складки (впячивания), от которых отшнуровываются пузырьки и трубочки. Такие образования называют пропластидами. Для дальнейшего их развития необходим свет. В темноте же фор­мируются этиопласты, в которых образуется мембранная ре­шетчатая структура - проламеллярное тело. На свету внутрен­ние мембраны пропластид и этиопластов образуют гранальную систему. Одновременно с этим также на свету в граны встра­иваются вновь образованные молекулы хлорофилла и других пигментов. Таким образом, структуры, которые подготавлива­ются к функционированию на свету, появляются и развиваются только при его наличии.

Наряду с хлоропластами имеется ряд других пластид, которые образуются либо непосредственно из пропластид, либо одна из другой путем взаимных превращений. К ним относятся накапливающие крахмал амилопласты (лейкопласты) и хромо­пласты, содержащие каротиноиды. В цветках и плодах хромо­пласты возникают на ранних стадиях развития пропластид. Хро­мопласты осенней листвы представляют собой продукты деграда­ции хлоропластов, в которых в качестве структур - носителей каротиноидов выступают пластоглобулы.



Строение хлоропластов. Строение хлоропласта, обнаруживае­мое с помощью электронного микроскопа, весьма сложное. По­добно ядру и митохондриям хлоропласт окружен оболочкой, со­стоящей из двух липопротеидных мембран. Внутреннюю среду представляет относительно однородная субстанция - матрикс, или строма, которую пронизы­вают мембраны - ламеллы. Ламеллы, соединен­ные друг с другом, образуют пузырьки - тилакоиды. Плот­но прилегая друг к другу, тила­коиды образуют граны, которые различают даже под свето­вым микроскопом. В свою очередь, граны в одном или нескольких местах объединены друг с другом с помощью межгранных тяжей - тилакоидов стромы. Пигменты хлоропласта, участвующие в улавливании световой энергии, а также ферменты, необходимые для световой фазы фотосинтеза, вмонтированы в мембраны тилакоидов.

Ферменты, которые катализируют многочисленные реакции восстановительного цикла углерода (темновой фазы фотосинте­за), а также разнообразные биосинтезы, в том числе биосинтезы белков, липидов, крахмала, присутствуют главным образом в строме хлоропласта, часть из них является периферическими белками ламелл.

Строение зрелых хлоропластов одинаково у всех высших рас­тений, так же как в клетках разных органов одного растения (листьях, зеленеющих корнях, коре, плодах). В зависимости от функциональной нагрузки клеток, физиологического состояния хлоропластов, их возраста различают степень их внутренней структурированности: размеры, количество гран, связь между ними. Так, в замыкающих клетках устьиц основная функция хлоропластов - фоторегуляция устьичных движений, энергией этот процесс обеспечивается высокоструктурированными митохондриями. Здесь хлоропласты не имеют строгой гранальной структу­ры, содержат крупные крахмальные зерна, набухшие тилакоиды, липофильные глобулы. Все это свидетельствует об их низкой энергетической нагрузке. Другая картина наблюдается при элек­тронно-микроскопическом изучении хлоропластов зеленых пло­дов томата. Наличие хорошо развитой гранальной системы сви­детельствует о высокой функциональной нагрузке этих органелл и вероятном существенном вкладе фотосинтеза при формирова­нии плодов.

С возрастом строение хлоропластов существенно меняется. Молодые хлоропласты характеризуются ламеллярной структурой, в таком состоянии хлоропласты способны размножаться путем деления. В зрелых хлоропластах хорошо выражена система гран. В стареющих хлоропластах происходит разрыв тилакоидов стро­мы, связь между гранами уменьшается, в дальнейшем наблюдаются распад хлорофилла и деструкция гран. В осенней листве деградация хлоропластов приводит к образованию хромопластов, в которых каротиноиды сосредоточены в пластоглобулах.

При выращивании сельскохозяйственных растений следует иметь в виду, что на структуру хлоропластов, а, следовательно, и их функциональную активность большое влияние оказывает режим минерального питания растений. При недостатке азота хлороплас­ты становятся в 1,5-2 раза мельче, дефицит фосфора и серы нарушает нормальную структуру ламелл и гран, одновременная нехватка азота и калия приводит к переполнению хлоропластов крахмалом из-за нарушения нормального оттока ассимилятов. При недостатке кальция нарушается структура наружной мембраны хло­ропласта. Для поддержания структуры хлоропласта также необхо­дим свет. В темноте идет постепенное разрушение тилакоидов гран и стромы. Таким образом, структура хлоропластов лабильна и ди­намична, в ней отражаются все условия жизни растения.

Пигменты хлоропластов. Фотосинтез связан с избирательным поглощением пигмента­ми света в видимой части солнечного спектра. Фотосинтетичес­кие пигменты составляют 10-15 % сухой массы хлоропластов. Они характеризуются большим разнообразием и по химической природе делятся на две группы - хлорофиллы и каротиноиды.

Хлорофиллы. В настоящее время известно несколько различных форм хлорофилла, которые обозначают латинскими буквами. Хлоропласты высших растений содержат хлорофилл а и хлорофилл b. Они были идентифицированы русским ученым М.С. Цветом (1906) с помощью разработанного им метода хроматографии. Структурная формула хлорофилла, предложенная Фишером (1939), получила окончательное подтверждение в 1960г. в результате двух независимо проведенных работ в США и ФРГ по искусственному синтезу хлорофилла а.

Хлорофилл - сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта (СН3ОН), а другая - остатком одноатомного непредельного спирта фитола (С30Н39ОН). Четыре пиррольных кольца (I-IV) соединены между собой метиновыми мостиками (α, β, γ, δ), образуя порфириновое ядро. Атомы азота пиррольных колец четырьмя координационными связями взаимодействуют с атомом Mg. В структуре порфиринового ядра есть также циклопентановое кольцо, содержащее хи­мически активную карбонильную группу. Структура, состоящая из тетрапиррольного и циклопентанового колец, получила назва­ние форбина.

Порфириновое кольцо представляет собой систему из девяти пар чередующихся двойных и одинарных, т.е. коныогированных, связей с 18 делокализованными π-электронами. Хлорофилл b отличается от хлорофилла а тем, что у третьего углерода второ­го пиррольного кольца вместо метильной находится альдегидная группа (радикал формил). Структура хлорофилла, лишенная фитола, называется хлорофиллидом. При замещении атома магния двумя атомами водоро­да образуется феофитин.

Оптические свойства. Согласно закону Гротгуса - одному из фундаментальных законов светохимии фотохимически деятельны только поглощенные лучи. Поэтому изучение спектров поглоще­ния пигментов, и в первую очередь хлорофилла, является реша­ющим для понимания механизма фотосинтеза и разработки путей его регуляции. Отличительной особенностью всех пигментов является нали­чие в их составе системы слабо удерживаемых делокализованных электронов, возбуждаемых квантами видимой части солнечного спектра. Это лежит в основе их свойства - избирательного поглощения света. Резко выраженные максимумы поглощения хлорофиллов находятся в сине-фиолетовой и красной частях спект­ра. Хлорофиллы очень слабо поглощают оранжевые и желтые лучи и совсем не поглощают зеленые и инфракрасные. Поэтому раствор хлорофилла а имеет сине-зеленый цвет, хлорофилла b - желто-зеленый.

Поглощение в сине-фиолетовой части спектра обусловлено системой конъюгированных 9 пар одинарных и двойных связей порфиринового ядра молекулы хлорофилла с 18 делокализованными π-электронами, которые возбуждаются квантами с энергией, соответствующей этим лучам. Поглощение в крас­ной области спектра связано с гидрированием двойной связи у C7 – C9 в IV пиррольном кольце (при восстановлении протохлорофиллида до хлорофиллида), присутст­вием магния в порфириновом ядре и наличием циклопентанового кольца (V). Эти же особенности структуры способствуют сниже­нию поглощения в желтой и зеленой частях спектра.

Необходимо отметить, что даже небольшое изменение в строении молекул приводит к значительным различиям в по­ложении максимумов поглощения. Так, у хлорофилла b, отли­чающегося от хлорофилла а заменой метильной группы на альдегидную, максимумы поглощения света оказываются более сближенными за счет смещения сине-фиолетового в длинно­волновую, а красного - в коротковолновую области. Кроме того, хлорофилл b более полно использует сине-фиолетовый свет, чем хлорофилл а; в красных лучах преимущества имеет хлорофилл а. Замещение магния протонами при обработке хло­рофилла кислотой приводит к образованию феофитина, имею­щего ослабленный красный максимум поглощения света и буро-зеленый цвет. Удаление остатков фитола и метилового спирта путем щелочного гидролиза слабо сказывается на оп­тических свойствах хлорофилла.

Существенное влияние на положение максимумов спектра поглощения оказывают природа растворителя и взаимодействие молекул хлорофилла друг с другом, а также с другими пигмента­ми, белками и липидами в составе хлоропластов. У агрегирован­ных молекул хлорофилла, взаимодействующих с белками, крас­ный максимум поглощения сдвинут в более длинноволновую часть спектра. Степень связывания определяет точный максимум поглощения света.

Раствор хлорофилла обладает яркой вишнево-красной флуоре­сценцией - излучением поглощенных квантов света. В соответст­вии с правилом Стокса, флуоресценция сдвинута в более длинно­волновую часть по сравнению с поглощением света, максимум флуоресценции 650-668 нм. Хлорофилл в живом листе флуорес­цирует слабо. Это связано с тем, что энергия поглощенных квантов в основном преобразуется в химическую, причем по степени флуоресценции листа можно судить об эффективности фотосинтеза. Чем интенсивнее флуоресценция, тем ниже КПД использования поглощенной энергии.

Механизмы избирательного поглощения света и флуоресцен­ции изучены достаточно хорошо. Поглощение кванта света сопровождается переходом в более богатое энергией короткоживущее возбужденное состояние, связанное с переходом электрона на более удаленную от ядра орбиталь (хлорофилл → хлоро­филл*). Электронные орбитали атомов характеризуются определенными энергетическими уровнями, возрастающими по мере удаления от ядра. Те кванты света, энергия которых соответству­ет разности энергий между двумя орбиталями, поглощаются с переходом электрона на более дальнюю орбиталь. Поэтому могут поглощаться только кванты света с совершенно определенной длиной волны. В отличие от атома возможные энергетические состояния молекул нельзя описать точно фиксированными энер­гетическими уровнями, они характеризуются широкими полоса­ми в спектрах поглощения.

В органических молекулах почти все электроны спарены, т.е. находятся в одном и том же энергетическом состоянии, обладая противоположными спинами (основное синглетное энергетичес­кое состояние - So). Поглощение молекулой хлорофилла кванта красного света с энергией 170 кДж/моль квантов приводит к пер­вому синглетному электронно-возбужденному состоянию – S1, время существования которого примерно 10-9с. Возбужденная молекула хлорофилла переходит в стабильное состояние путем возвращения электрона на исходную орбиталь. Поглощенная энергия при этом может расходоваться различными способами: рассеиванием теплоты; потерей в виде излучения; возбуждением соседних молекул пигментов (перенос энергии к фотохимическим центрам); совершением фотохимической работы. Возможны также потеря части энергии в виде теплоты и переход молекулы из синглетного в метастабильное триплетное возбужденное состоя­ние (с обращением спина электрона). Триплетное состояние длится гораздо дольше (> 10-4с). Из триплетного состояния мо­лекула может вернуться в основное за счет более длительного, чем флуоресценция, слабого длинноволнового свечения - фосфоре­сценции или направив энергию на фотохимические реакции.

Поглощение кванта в сине-фиолетовой области спектра (со­держание энергии 300 кДж/моль квантов) приводит к возникно­вению исключительно краткого (< 10-12с) второго возбужден­ного синглетного состояния (S2). За счет выделения части энер­гии в виде теплоты молекула переходит в S1, и дальнейшие события соответствуют возбуждению красным светом. Поэтому поглощение света в синей и красной областях дает одинаковый спектр флуоресценции (красный), а также равные количества фотохимической работы, несмотря на неодинаковое содержание энергии у поглощенных квантов. Этим объясняется более высо­кая эффективность красных участков солнечного спектра, о ко­торой писал еще К.А. Тимирязев.

Он предположил, что хлорофилл способен к окислительно-восстановительному превращению. Впервые реакция фотовосста­новления хлорофилла была осуществлена в 1948 г. А.А. Красновским в модельных опытах. В качестве донора электронов использована аскорбиновая кислота. После выключения света реакция идет в обратном направлении:

Хлорофилл + hν → хлорофилл* →хлорофилл + АН ↔ хлорофилл- + АН+

Фотовосстановленный ион-радикал хлорофилл, в свою оче­редь, может восстанавливать различные акцепторы электронов.



Донор электронов → хлорофилл + hν → акцептор электронов

В таких условиях хлорофилл действует как фотосенсибилиза­тор. Эти реакции получили название реакций Красновского.

Таким образом, молекула хлорофилла благодаря структурным изменениям и физико-химическим особенностям способна вы­полнять три важнейшие функции: избирательно поглощать энер­гию света; трансформировать ее в энергию электронного возбуж­дения (или запасать ее в виде энергии электронного возбуждения); фотохимически преобразовать энергию возбужденного состояния в химическую энергию. Для функционирования молекулы хлорофилла существенное значение имеет ее пространственная организация. Магний-порфириновое кольцо молекулы представляет собой почти плоскую пластинку толщиной 0,42 нм, площадью 1нм2. Это гидрофильная фотоактивная часть молекулы хлорофилла. Длинный (2 нм) алифатический остаток фитола, образующий угол с порфириновым кольцом, - ее гидрофоб­ный полюс, необходимый для взаимодействия молекулы хлоро­филла с гидрофобными участками мембранных белков и липидов.

Каротиноиды - жирорастворимые пигменты желтого, оран­жевого и красного цветов. Они входят в состав хлоропластов и хромопластов незеленых частей растений (цветков, плодов, кор­неплодов). В зеленых листьях их окраска маскируется хлорофил­лом. С его более ранним разрушением осенью или при неблаго­приятных условиях связано пожелтение листьев.

Каротиноиды являются тетратерпеноидами (8 остатков изопрена). Каротиноиды могут быть ацик­лическими (алифатическими), моно- и бициклическими. Циклы на концах молекул каротиноидов - производные ионона. Каро­тины представляют собой углеводороды с формулой С40Н56. В хлоропластах высших растений содержатся α- и β-каротины. β-каротин имеет два иононовых кольца. При гидролизе β-каротина по центральной двой­ной связи образуются две молекулы витамина А (ретинола).

Ксантофиллы являются кислородсодержащими производными каротина. Ксантофилл лютеин - производное α-каротина, а зеаксантин - β-каротина. Они имеют по одной гидроксильной группе в каждом иононовом кольце. Дополнитель­ное включение в молекулу зеаксантина двух атомов кислорода (эпоксидные группы) приводит к обра­зованию виолаксантина, при включении эпоксидных групп в лютеин образуется неоксантин. Синтез каротиноидов начинается с ацетил ~SKoA через мевалоновую кислоту до ликопина - ациклического каротина, который является предшествен­ником всех других каротиноидов. Синтез каротиноидов не требу­ет света. Спектры поглощения каротиноидов характеризуются двумя полосами в фиолетово-синей и синей частях спектра от 400 до 500 нм и определяются системой конъюгированных свя­зей. При увеличении числа таких связей максимумы поглощения смещаются в длинноволновую область спектра. Подобно хлорофиллам, каротиноиды нековалентно связаны с белками и липо­идами мембран и тилакоидов.

Физиологическая роль каротиноидов. Каротиноиды являются обязательными компонентами пигментных систем. Они выпол­няют роль дополнительных пигментов, которые передают энер­гию поглощенных квантов хлорофиллу а для совершения фото­химической работы. Особенно возрастает их значение как светоулавливающих систем в сине-фиолетовой и синей частях спектра в затененных местах, т.е. когда преобладает рассеянная радиа­ция.

Имеются доказательства, что каротиноиды выполняют защит­ную функцию, предохраняя хлорофилл от фотоокисления. Еще в 1913г. Д.И. Ивановский установил, что в пробирках, выстав­ленных на прямой солнечный свет, степень разрушения хлоро­филла зависела от концентрации каротиноидов в растворе.

Высказывается также предположение о прямом участии каро­тиноидов в расщеплении воды и кислородном обмене при фото­синтезе. Особое значение придается вцолаксантиновому циклу.

При освещении в зеленых листьях происходит превращение диэпоксидксантофилла виолаксантина в безэпоксидный ксанто­филл зеаксантин. В независимой от света реакции благодаря включению кислорода происходит обратное превращение зеаксантина в виолаксантин. Возможно, этот цикл служит для удале­ния излишков кислорода, образующихся при фотолизе воды.

В верхушках побегов растений каротиноиды обеспечивают определение направления света и их ориентацию к световому потоку за счет фототропизма.




Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница