Роль микроэлементов в процессе образования и разрушения хлорофилла



Дата09.08.2019
Размер68 Kb.
#127565

РОЛЬ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПРОЦЕССЕ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ХЛОРОФИЛЛА

Пигментные системы фотосинтеза. По современным представлениям, в фотосинтезе участвуют две первичные фотохимические реакции, которые обеспечиваются двумя пигментными системами — I и II, различающимися по составу входящих в них пигментов и по максимумам поглощения. В состав длинноволновой системы I входит длинноволновая форма хлорофилла а, поглощающая при 683 ммк, и особая форма хлорофилла а — П-700. В области 700 ммк в зеленых растениях, а также в бурых, красных и сине-зеленых водорослях был обнаружен максимум в дифференциальном спектре поглощения. Пигмент П-700, ответственный за этот дифференциальный максимум, распространен так же широко, как и хлорофилл а. По-видимому, П-700 является хлорофиллом а, находящимся в особом состоянии (возможно, в связи с белком — липопротеидом).

В состав коротковолновой пигментной системы II входят хлорофилл b, а также коротковолновая форма хлорофилла а (673 ммк), фикобилины (у красных и сине-зеленых водорослей) и некоторые каротиноиды. Пигментная система II более прочно, чем I, связана с мембраной ламелл.

Все фотосинтезирующие растения содержат значительные количества хлорофилла а, связанного с белками и другими веществами, что придает ему особую фотохимическую активность и вызывает сдвиг полос поглощения в длинноволновую сторону по сравнению со спектром очищенного хлорофилла а в растворе.

Хлорофилл а может присутствовать в растении in vivo в нескольких различных формах, каждая из которых обладает характерным максимумом поглощения в красной области спектра — хл. а 673, хл. 683 и хл. 695.

Возбужденная форма хлорофилла а (695 ммк) служит донором электрона. Окисленная форма (вероятно, П-700) имеет потенциал хл.+/хл.= +0,43 в. Эта длинноволновая форма хлорофилла принимает участие в первой фотохимической системе фотосинтеза и окисляет цитохром f(Eo'= +0,365 в). Окисление его системой I связано (через образование НАДФ) с восстановлением С02.

Активные растительные пигменты, отличные от хлорофилла а, получили название сопровождающих пигментов. Некоторые каротиноиды, особенно фукоксантин, а также хлорофиллы b и с относятся к группе функционально сопутствующих пигментов, в которую входит также коротковолновая форма хлорофилла а (хл. а 673).

Хлорофилл b обладает более высоким окислительным потенциалом, чем хлорофилл а, как в возбужденном состоянии, так и в окисленном, а также более прочной связью с водой. Система II катализирует коротковолновую фотохимическую реакцию, в результате которой восстанавливается цитохром b. У красных водорослей она зависит главным образом от света, абсорбированного сопутствующим пигментом фикоэритрином. Фотохимическое восстановление цитохрома f пигментной системой II сопровождается одновременным окислением воды и выделением кислорода. Окислительно-восстановительная система, способная окислять воду, должна обладать высоким окислительным потенциалом Ео'= +0,815 в, который реализуется за счет превращения энергии света хлорофиллом. Точных сведений о механизме процесса окисления воды и выделения кислорода хлоропластами пока не имеется. Существует лишь несколько более или менее обоснованных гипотез.

Одна из них предполагает существование ферментативной системы, осуществляющей обратимые изменения ксантофиллов, которые, возможно, принимают участие в переносе кислорода в процессе фотосинтеза. Д. И. Сапожников предполагает, что промежуточным продуктом, фотоокисление которого приводит к выделению кислорода является виолоксантин. По этой гипотезе, в образовании эпоксидной группы ксантофиллов должны принимать участие как молекула воды, так и молекулярный кислород. Участие последнего в образовании эпоксидных групп виолоксантина может быть сопоставлено с необходимостью молекулярного кислорода для осуществления процесса фотосинтеза у высших растений.

Интересной является также гипотеза фотоэлектролиза воды в своеобразной батарее «хлорофилл—каротин». Согласно этой гипотезе, процесс разложения воды при фотосинтезе можно представить как ее фотоэлектролиз в батарее, составленной из слоев хлорофилла и каротина. При этом кислород выделяется в атмосферу, а водород включается в биохимическую цепь.

Известный шведский исследователь Лундегардт является автором гипотезы о трех системах в фотосинтетическом цикле переноса электронов, отводя каротиноидам важную роль в процессе фотосинтеза. По его представлениям, р-каротин, входящий в состав пигментной системы III, имеющий более низкий окислительно-восстановительный потенциал, чем ферредоксин, участвует в качестве донора электронов в фотохимической системе I, восстанавливая ферредоксин и НАДФ. Таким образом, каротину приписывается участие в первичном превращении энергии фотонов в свободные электроны. Восстанавливая ферредоксин, каротин окисляется до ксантофилла. В свою очередь ксантофилл, образовавшийся в составе пигментной системы III, вновь восстанавливается до каротина под действием восстановленного хлорофилла а, входящего в состав пигментной системы I. По гипотезе Лундегардта, пигментная система III (каротин-ксантофилл) участвует в фотосинтезе в тесном контакте с системой I длинноволнового хлорофилла.



Действие элементов минерального питания, в том числе микроэлементов, на содержание хлорофилла и каротиноидов в растении. Первое место среди пигментов зеленого листа должно быть отведено хлорофиллу а, важнейшей частью которого являются 4 пиррольных кольца, соединенных друг с другом метановыми мостиками. У хлорофилла имеется и добавочное (V) кольцо, циклопентаноновое, содержащее карбонильную группу, а также карбоксильную, имеющую эфирную связь с метиловым спиртом. Второй спиртовой компонент хлорофилла — фитол находится в эфирной связи с имеющейся в боковой цепи кольца IV пропионовой кислотой. В центре молекулы хлорофилла находится магний. Характерную для хлорофилла зеленую окраску объясняют наличием конъюгированной по кругу системы двойных связей (10 связей), а также присутствием магния [24].

У хлорофилла b, в отличие от хлорофилла а, метальная группа у 3-го атома углерода в кольце II заменена на альдегидную. На образование и накопление хлорофилла в растении большое влияние, помимо генетических факторов, оказывают условия жизни растений, среди которых существенная роль принадлежит условиям почвенного питания.

Синтез хлорофилла резко ослабляется при недостатке азота в питательной среде. В опытах А. А. Табенцкого по мере увеличения содержания азота в питательной среде возрастают число и размер хлоропластов и увеличивается содержание в них хлорофилла. Установлено, что на накопление и изменение пигментов у растений влияет форма азотного удобрения. Под влиянием нитратов увеличивалось относительное содержание хлорофилла в и активность полифенолоксидазы в листьях кукурузы. Напротив, на аммиачном фоне наблюдалось возрастание активности каталазы и пероксидазы и увеличивалось относительное содержание хлорофилла а. Предполагается, что действие азота на образование хлорофилла зависит от редоксипотенциала питательного раствора. Максимальное содержание хлорофилла в листьях совпадает с периодом образования половых клеток, т. е. началом цветения, после чего наблюдается снижение.

Под влиянием магниевых удобрений увеличивается скорость процессов, связанных с образованием хлорофилла и ксантофилла, а под влиянием кальция — скорость процессов, связанных с образованием желтых пигментов, и в первую очередь каротина. А. П. Щербаков на основе опытов с соей выдвинул предположение, что одна из сторон физиологического значения Са в растительном организме связана с процессами, определяющими ускоренное накопление желтых пигментов в тканях листа, а роль магния сопряжена, главным образом, с усиленным образованием компонентов хлорофилла.

Г. В. Заблуда показала, что медь оказывает непосредственное специфическое влияние на процессы образования и разрушения хлорофилла, стабилизируя его и предохраняя от разрушения. Необходимо отметить, что многие исследователи связывают увеличение содержания хлорофилла в растениях под действием меди с тем, что медь задерживает разрушение хлорофилла в темноте и при старении растений, стабилизируя хлорофилл-белково-липоидные комплексы.

В наших опытах отмечалось положительное влияние меди на накопление хлорофилла в листьях кукурузы. Особенно ярко это влияние проявилось на поздних фазах развития, когда медь способствовала устойчивому сохранению высокого уровня содержания хлорофилла и задерживала процесс его разрушения.

Исследовано так же влияние микроэлементов, особенно Мn, Со, Мо, на повышение содержания хлорофилла в процессе «зеленения» растений, а также устойчивости связи хлорофилла с белком у проростков кукурузы в темноте. Было показано, что кобальт и молибден увеличивают прочность хлорофилл-белково-липоидного комплекса в листьях молодых проростков ячменя и в ранние фазы развития овса. Кобальт, молибден, и особенно медь, также задерживали разрушение хлорофилла в темноте.

Существует мнение, что действие микроэлементов на прочность хлорофилл-белково-липоидного комплекса определяется действием их на белковый компонент этого комплекса. Предполагают, что в хлоропластах наряду с комплексом протеин—хлорофилл—липоид может возникать и другая форма агрегированного хлорофилла, включающая металл, — металл—протеин—хлорофилл—липоид. Эта форма, возможно, более устойчива, чем первая.

В опытах Суйковского микроэлементы Си, Zn и Мn, внесенные в питательную среду, увеличивали у ячменя и кукурузы содержание хлорофилла а в листьях в большей степени, чем хлорофилла b. С ростом растений отношение хлорофилла а к хлорофиллу b уменьшается. Когда новообразование хлорофилла ослабевает, а переход хлорофилла а в хлорофилл b хотя, по-видимому, более медленно, но совершается, увеличивается количество хлорофилла b. Отношение а:b снижается, однако и в этот период микроэлементы способствуют сохранению более высокого уровня хлорофилла а. В опытах микроэлементы медь и марганец (в конце периода вегетации) увеличивали отношение связанного в белково-липоидном комплексе хлорофилла к свободному хлорофиллу у растений проса, ячменя и кукурузы.

Данные о повышении под влиянием меди, цинка и марганца содержания хлорофилла, прочно связанного с белково-липоидным комплексом, позднее были подтверждены исследованиями на различных сельскохозяйственных культурах.

В литературе имеются многочисленные данные о влиянии молибдена на содержание хлорофилла в листьях растений и прежде всего об увеличении содержания хлорофилла в листьях бобовых растений. Большое влияние молибдена на биосинтез хлорофилла в растениях объясняют с различных точек зрения. Одна из существующих гипотез предполагает, что участие молибдена в биосинтезе хлорофилла обусловлено участием этого микроэлемента в процессах восстановления нитратов. Так, на основании опытов с томатами и цветной капустой был сделан вывод, что молибден не является необходимым для образования хлорофилла у этих растений, если источник азота не находится в такой форме, которая требует для своего участия нитратредуктазы.

В то же время в опытах было показано положительное влияние молибдена на образование хлорофилла как на фоне нитратного, так и аммиачного азота. Отмечено очень быстрое изменение процесса хлорофиллообразования у растений при обеспечении их потребности в молибдене. Растения вики, получавшие молибден, обнаруживали более высокое содержание хлорофилла во все сроки определений. Вместе с тем к концу цветения—началу формирования бобов у них наблюдалось не разрушение хлорофилла, как у контрольных растений, а его интенсивное образование. Этим действие молибдена существенно отличалось от действия других микроэлементов, также способствующих в известных условиях повышению содержания хлорофилла, но не меняющих общего характера онтогенетической кривой. Растения, обеспеченные молибденом, изменяли ритм накопления хлорофилла, однако эти изменения наблюдались только у бобовых. У злаков (овса) Мо, увеличивая накопление хлорофилла, не изменял характера онтогенетической кривой.

Предполагают, что отмеченные изменения в содержании хлорофилла под действием молибдена и быстрое усиление процесса хлорофиллообразования, особенно в позднейшие фазы развития, не связаны непосредственно с влиянием молибдена на синтез и распад белка. При сопоставлении данных по динамике хлорофилла, общего и белкового азота был сделан вывод об автономной роли молибдена в синтезе и распаде хлорофилла. Одним из путей, по которым реализуется влияние Мо на накопление хлорофилла в листьях растений, предположительно считают увеличение уровня свободной аскорбиновой кислоты, участвующей в регенерации хлорофилла и бактериохлорофилла из лабильных продуктов их фотоокисления. Аскорбиновая кислота может также оказывать влияние на прочность хлорофилл-белкового комплекса.

Исследования показали, что способность белков хлоропластов связывать хлорофилл тем выше, чем выше степень их восстановленности. Восстановление белковых препаратов водородом сопровождалось возрастанием их способности связывать хлорофилл. Необходимо заметить, что в опытах молибден способствовал также повышению содержания каротина, лютеина и виолоксантина. Влияние молибдена на накопление каротиноидов имело те же различия у злаковых и бобовых культур, что и в ходе изменений содержания хлорофилла.

Увеличение накопления хлорофиллов а и b, и особенно каротиноидов, в листьях сахарной свеклы под действием молибдена (и кобальта) сопровождалось одновременным увеличением количества хлоропластов в клетке, объема хлоропластов и количества хлорофилла на хлоропласт.

При определении молибдена в отдельных клеточных, структурах листьев кормовых бобов и сахарной свеклы максимальное количество его найдено в цитоплазме, затем в крупных фрагментах клеток, хлоропластах и митохондриях. При пересчете на золу наиболее обогащенными молибденом оказались такие органоиды, как ядра и хлоропласты.

Изучение состояния молибдена в хлоропластах листьев кормовых бобов с помощью последовательного экстрагирования его различными растворителями (водой, оксалатным раствором и раствором трилона Б) показало, что у молодых растений значительная часть молибдена хлоропластов находится в связи с белковой стромой (до 65% от общего содержания его в этих органоидах). С увеличением возраста растений связь молибдена с белковой стромой хлоропластов ослабевает и соотношение между подвижным и связанным молибденом изменяется (62% подвижного и 38% связанного молибдена).

Рассматривая имеющиеся данные по влиянию микроэлементов на образование и разрушение хлорофилла, нельзя не отметить многообразия гипотез, предложенных для объяснения полученных экспериментальных данных. Они касаются, в основном, действия микроэлементов на устойчивость комплекса хлорофилла с белком и мало затрагивают проблему механизма биосинтеза самого пигмента. Это объясняется тем, что если химический путь образования зеленых пигментов в настоящее время изучен достаточно подробно, то энзиматический процесс биосинтеза хлорофилла выяснен еще недостаточно.

Важным этапом на пути биосинтеза хлорофилла является образование протопорфирина IX. В настоящее время общепринятой является теория, по которой основными предшественниками протопорфирина IX являются сукцинил-коэнзим А, глицин, б-аминолевулиновая кислота (ДАЛ) и порфобилиноген (ПБГ). б-Аминолевулиновая кислота образуется из сукцинил-коэнзима А и глицина. Конденсирование двух молекул б-аминолевулиновой кислоты приводит к образованию предшественника пирролов — порфобилиногена.

4 моля этих пирролов затем конденсируются с образованием порфирина, и модификация боковых цепей в β-положеиии дает соответствующий порфирин.

От протопорфирина IX путь биосинтеза раздваивается с образованием магнийпорфирина (хлорофилл) или железопорфиринов. Аналогичным путем, имея общих предшественников с хлорофиллом и железопорфиринами, синтезируются и кобальткорриноиды. С проблемой биосинтеза хлорофилла в растениях неразрывно связан вопрос о роли железа в этом процессе. Роль железа в фотосинтезе изучается на протяжении уже свыше ста лет, с тех пор, как было доказано, что оно необходимо для биосинтеза хлорофилла. Л. Джекобсону удалось показать, что «активное железо», способствующее образованию хлорофилла и целиком локализованное в хлоропластах, находится в тесной связи с хлорофилл-белковым комплексом. Хлорофилл способен давать с солями железа комплексные химические соединения различных типов. Есть химические комплексы, где железо входит в состав молекулы пигмента, вытесняя магний аналогично феофитинатам других металлов — меди, цинка и кобальта.

Предполагают, что железо участвует в биосинтезе хлорофилла на трех этапах:

1) при конденсации сукцинил-КоА и глицина с образованием б-аминолевулиновой кислоты (ДАЛ);

2) в реакции окислительного декарбоксилирования копропорфириногена в протопорфирин;

3) на этапе превращения протохлорофилла в хлорофилл.

В опытах с Vigna sinensis L. было показано, что недостаток железа уменьшает скорость синтеза б-аминолевулиновой кислоты, а снижение синтеза этого предшественника, в свою очередь, тормозит биосинтез хлорофилла. Участие железа в биосинтезе б-аминолевулиновой кислоты считается одним из наиболее вероятных этапов включения железа в биосинтез хлорофилла, однако это не единственный путь.

В последние годы довольно широко обсуждалась и проверялась так называемая копропорфириногеновая гипотеза, согласно которой железо может участвовать в окислительном декарбоксилировании боковой цепи пропионовой кислоты копропорфириногена до винильной боковой цепи у протопорфирина. Эта гипотеза была сформулирована Ласцельсом на основе опытов с Fe-недостаточными культурами фо-тосинтезирующих бактерий Rhodopseudomonas spheroides, но, по-видимому, она справедлива не для всех фотосинтезирующих организмов. При проверке копропорфириновой гипотезы в опытах с эвгленой было обнаружено, что при недостатке железа копропорфирин не аккумулировался. Напротив, образование копропорфирина несколько уменьшалось при снижении уровня железа в клетке, а протопорфирин продуцировался в нормальных количествах.

Дальнейшими исследованиями биосинтеза хлорофилла у Euglena gracilis было показано, что при концентрациях железа, когда рост растений не лимитируется, активность ферментных систем, участвующих в биосинтезе порфирина (б-аминолевулинатдегидратаза, порфобилиногендеаминаза и система энзиматического синтеза копро- и протопорфирина из порфобилиногена), не зависит от железа. Сильная недостаточность железа, подавляющая рост растений, приводила к снижению и содержания хлорофилла, при аккумуляции копропорфирина, и скорости образования протопорфирина. В связи с этим был сделан следующий вывод: несмотря на то что железо может быть необходимо для превращения копропорфириногена в протопорфирин у Euglena и многих других организмов, этим еще нельзя объяснить участие железа в биосинтезе хлорофилла.

Однако в опытах с Nicotiana tabacum были получены весьма убедительные данные в пользу гипотезы, согласно которой железо участвует в биосинтезе хлорофилла на уровне превращения копропорфириногена в порфирин [69], проанализированы недостатки методики предыдущих работ, не позволявшие подтвердить копропорфириногеновую гипотезу.

Так или иначе, вопрос о месте локализации железа в биосинтезе протопорфириновой части молекулы хлорофилла еще не получил однозначного решения.

В последние годы весьма популярной стала гипотеза об участии железа в биосинтезе хлорофилла на уровне превращения протохлорофилла в хлорофилл. По современным представлениям, протохлорофилл представляет собой соединение, лишенное фитола, т. е. протохлорофиллид. Первым этапом превращения протохлорофилла в хлорофилл является процесс гидрирования 7-го и 8-го атомов углерода в 4-пиррольном кольце протохлорофиллида. На втором этапе происходит присоединение к хлорофиллиду фитола при участии фермента хлорофиллазы. Отмечено, что у растений яблони, винограда, желтого люпина, страдающих от недостатка железа, снижается активность фермента хлорофиллазы. Аналогичные результаты получены в опытах с горохом. По-видимому, присоединение фитола к хлорофиллиду тесно связано с деятельностью железопорфиринового фермента цитохромоксидазы, подавление активности которой сопровождается резким торможением процесса фитолизации.

Имеются данные, свидетельствующие о возможном включении меди в биосинтез хлорофилла на уровне превращения протохлорофилла.

Рассматривая вопрос об участии микроэлементов в биосинтезе хлорофилла и фундаментальной роли железа в этом процессе, необходимо отметить, что явление хлороза — торможение биосинтеза хлорофилла — может возникать не только при недостатке, но и при избытке железа и тяжелых металлов. Для хлорозов, вызываемых избытком тяжелых металлов, характерны нарушения в обмене железа, относящиеся к хлорозам «железного типа». Однако в ряде случаев, по-видимому, хлорозы вызываются прямой конкуренцией тяжелого металла — меди или кобальта и магния в порфириновом комплексе хлорофилла.



По данным: В.Я. Пейве

Микроэлементы – регуляторы жизнедеятельности и продуктивности растений под. ред. акад. Я.В. Пейве, Рига 1971, 248 с.


Поделитесь с Вашими друзьями:




База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2022
обратиться к администрации

    Главная страница