Біосинтез порфіринів у вищих рослин відбувається в три етапи:

• синтез амінолевулінової кислоти (АЛК) з п'ятивуглецевих дикарбонових (глутамінової, можливо, о-кетоглутарової) кислот;

• циклізація двох молекул АЛК з утворенням піролу порфобіліно-гена;

• утворення та циклізація тетрапіролу, формування магнійпротопорфірину, ферментативна етерифікація хлорофіліду фітолом.

У прокаріот і евкаріот АЛК синтезується із різних джерел: прокаріоти використовують для її синтезу гліцин і сукциніл-КоА, при цьому гліцин, перш за все, є джерелом азоту для побудови піроль-их кілець. Евкаріоти використовують різноманітні п'ятивуглецеві сполуки, зокрема глутамат, який спочатку фосфорилюється, а потім відновлюється.

На першому етапі синтез АЛК локалізований в хлоропластах, хоча самі ферменти, необхідні для цього, синтезуються в цитоплазмі клітини під контролем ядерних генів, а потім транспортуються в хлоропласти. Глутамінова кислота через 2-гідрооксиглута-рову перетворюється на 4,5-діоксивалеріанову (пентанову), яка потім амінується за рахунок аланіну чи інших амінокислот. Можливі й інші шляхи синтезу АЛК, які, ймовірно, локалізовані в різних компартментах клітини і по-різному регулюються. Здебільшого саме синтез АЛК обмежує швидкість біосинтезу хлорофілів, тому регуляція утворення даного проміжного продукту — надзвичайно важливий етап формування фотосинтетичного апарату рослин (рис. 11).

Рис. 11. Основні етапи біосинтезу хлорофілів

На другому етапі відбувається альдольна конденсація двох молекул АЛК з наступною ізомеризацією спочатку до піролу, а потім до порфобіліногену. Потім із чотирьох піролів синтезується уропорфіриноген, який поетапно перетворюється на протопорфірин IX.

На третьому етапі в результаті полімеризації чотирьох молекул порфобіліногена виникає тетрапірол, а пізніше, при замиканні кільця, утворюється уропорфіриноген І і ІІ. Перетворення порфобіліногена на уропорфіриноген ІІІ каталізується уропорфіриноген-1-синтетазою за наявності іншого білка КоА-синтетази.

Характерно, що в рослинній клітині лінійні тетрапіроли можуть бути хромофорними групами фітохрому, а циклічні — використовуватися для біосинтезу порфіринів, цитохромів, каталази чи пероксидази.

Уропорфіриноген III через серію реакцій окиснення та декарбоксилування перетворюється на протопорфірин IX. Завершальні реакції синтезу хлорофілів із протопорфірину IX повністю ще не з'ясовано, хоча відомо, що першою стадією, ймовірно, є ферментативне введення в молекулу атома магнію, потім метилування пропіонатного бічного ланцюга, насичення вінільної групи в кільці піролу IV, а відтак — замикання кільця V з утворенням протохлорофілу.

На цьому ж етапі формування молекули хлорофілу а відбувається етерифікація фітолом, який синтезується з ацетил-КоА через мевалонову кислоту.

Незважаючи на багато зусиль різних вчених, поки що нікому не вдаюся з'ясувати, здавалося б, просте питання: яким чином здійснюється біосинтез хлорофілу b. Цей хлорофіл, який завжди є в зелених листках, імовірно, утворюється з хлорофілу а заміщенням метильної групи СН₃ біля другого пірольного кільця на альдегідну —СОН. Однак очевидний шлях — через окислення молекули хлорофілу а — поки що не доведено, а ніякого іншого шляху досі не знайдено.

Доведено, що швидкість синтезу та розпадання молекули хлорофілу приблизно однакова, тому його пул постійно оновлюється в хлоропласті. Нагадаємо, що в 1960 p. P. Вудворд і М. Штрель штучно синтезували молекули хлорофілу.

Важливе значення для синтезу хлорофілів має мінеральне живлення рослин. Для цього передусім необхідна достатня кількість заліза — каталізатора синтезу хлорофілів. Залізо необхідне для синтезу амінолевулінової кислоти та протопорфіринів. Для синтезу порфіринів має бути нормальне забезпечення азотом і магнієм, тому що обидва ці елементи входять до складу хлорофілу. Також потрібні йони міді, що забезпечують утворення стійких комплексів між хлорофілом і білком.

Біосинтез каротиноїдів розпочинається з ацетил-КоА через ме-валонову кислоту, гераніл-гераніолпірофосфат до лікопіну, який є попередником усіх інших каротиноїдів (рис. 12).

Рис. 12. Біосинтез каротиноїдів

Синтез їх відбувається в темряві, хоча різко прискорюється на світлі. Механізм біосинтезу фікобілінпротеїнів майже не вивчено.

Розділ 4. Енергетика фотосинтезу

4.1 Первинні процеси фотосинтезу

Фотосинтез — це насамперед фізична проблема. Первинні процеси його розпочинаються з миттєвих реакцій поглинання електромагнітної енергії сонячних квантів (τ = 10¹⁵ с), її запасання та стабілізації у вигляді електронного збудження, міграції енергії в пігмент-ліпопротеїдному комплексі хлоропластів:

Міграція — це процес передачі енергії електронно-збудженого стану від молекули пігменту, яка поглинула квант світла, до іншої молекули.

Ймовірний механізм енергетичного перенесення — міграція екситону, або індуктивний резонанс. Екситонний механізм міграції енергії характерний для гомогенних молекул пігментів.

Екситон — це елементарний стан електронного збудження, енергія якого делокалізована.

Екситон — це квазічастинка, яка існує ~ 10^-5с і характеризується певною енергією та імпульсом. Електронно-збуджений стан мігрує як спін-спряжена пара електрон—дірка. Рух екситону здійснюється як дискретне (перескоки), або як неперервне (когерентне) зміщення.

Індуктивний резонанс забезпечує перенесення енергії без випромінювання фотонів у результаті диполь-дипольної взаємодії молекул донора і акцептора, наприклад між хлорофілами а і b. Швидкість перенесення енергії залежить від величини відстані між цими молекулами та ступеня перекривання спектра флуоресценції донора зі спектром поглинання акцептора.

Передачу енергії крізь молекули різних пігментів визначають як гетерогенне перенесення, тоді як аналогічний процес між гомологічними молекулами називають гомогенним перенесенням. Дослідження флуоресценції є доказом можливої передачі енергії гетерогенного або гомогенного типу. Так, у разі опромінення пігментної системи монохроматичним світлом, наприклад таким, що поглинається тільки хлорофілом b, можна зафіксувати спектр флуоресценції хлорофілу а.

Вдалося виявити міграцію енергії між такими парами: каротиноїди → фікоеритрин → фікоціанін → хлорофіл b → хлорофіл a; хлорофіл а → хлорофіл а. Завжди можлива міграція енергії від кожного з пігментів безпосередньо на хлорофіл а.

Енергія завжди мігрує у напрямі від пігментів з максимумом поглинання в зоні коротших хвиль до молекул, максимум поглинання яких розміщений у довгохвильовій зоні.

Нині чітко доведено гетерогенність хлорофілів у мембрані, тобто спектральна дискретність хімічно тотожних молекул пігментів, яка зумовлена відмінностями в характері взаємодії пігменту з навколишнім середовищем.

Як відомо, світло має водночас хвильові й корпускулярні властивості, тобто поширюється як хвиля та поглинається квантами, або фотонами. Фотоактивні речовини, в тому числі пігменти, здатні поглинати кванти світла. Це означає, що незбуджена молекула хлорофілу перебуває в тепловій рівновазі з навколишнім середовищем, і такий стан називають основним (S_o). У такому стані валентні електрони займають найнижчі енергетичні рівні (причому, згідно з принципом Паулі, не більше двох електронів із антипаралельними спінами на кожній орбіталі). Сумарний спін (вектор магнітних моментів) усіх електронів молекули дорівнює нулю. У разі поглинання кванта світла молекула хлорофілу переходить на один зі збуджених коливальних підрівнів електронного рівня, тобто на вищу вільну орбіталь. Такий перехід не змінює напряму електронного спіну й відбувається за 10¹⁵ с. Якщо в збудженому електроні зберігається той самий напрям спіну, то молекула перебуває в так званому синглетному стані (рис. 13).

Рис. 13. Енергетичні стани молекули хлорофілу

Якщо під час переходу на вищу орбіталь спін змінює свій напрям, таке збудження називають триплетним (спіни стають паралельними), при цьому сумарний спін дорівнює одиниці.

Молекула хлорофілу може поглинати світло як у червоній, так і в синій частині спектра, тобто одержувати різну кількість енергії, а отже, переходити на перший або другий синглетний рівні. Час існування збудженої молекули незначний (на першому синглетному рівні — 10^-8, 10^-9 с, а на другому — 10^-12 с), після чого вона повертається на вихідний енергетичний рівень. Відбувається це різними шляхами (рис. 14).

Рис. 14. Можливі шляхи трансформації енергії першого збудженого синглетного стану хлорофілу

Первинна фотофізична стадія розпочинається з поглинання світла пігментами. Кожна молекула хлорофілу поглинає 4...40 квантів світла за секунду. Міграція енергії забезпечує ефективне збирання квантів світла антенним світлозбиральним комплексом (СЗК) і транспортування їх до молекул хлорофілу, що поєднані з фотохімічними реакціями.

4.2 Фотосинтетична одиниця, реакційний центр, фотосистема

Молекули хлорофілу, які перетворюють сонячну енергію, локалізуються приблизно в 1000 тилакоїдів кожного хлоропласту таким чином, що за відповідного освітлення одиницею поглинання є переважна їх більшість. Водночас вони є своєрідним «озером», у якому плаває множина так званих фотосинтетичних одиниць.

Уявлення про фотосинтетичну одиницю (ФСО) як комплекс пігментів, що бере участь у поглинанні, збиранні квантів і передачі їх спеціалізованим молекулам хлорофілу, майже одночасно було сформульовано Дж. Гафроном, Р. Емерсоном і У. Арнольді. На їхню думку, основна маса молекул пігментів, які складають ФСО, забезпечує збирання енергії та передачі її спеціальним компонентам, що фотохімічно перетворюють цю енергію. Таким чином вони виконують функцію пускового механізму фотосинтезу (рис. 15).

Такий функціонально активний комплекс було названо реакційним центром (РІД). Фотохімічні реакції здійснюють лише пігменти РІД, тоді як усі інші лише поглинають світло і переносять енергію збудження на хлорофіли реакційних центрів. Згодом було доведено, що один РІД припадає приблизно на 400...600 молекул пігменту. Частка пігментів РІД становить близько 1 % від суми всіх пігментів хлоропластів.

Загальноприйняті нині уявлення про фотохімічні реакції хлорофілів РІД сформувалися наприкінці 50-х років минулого століття під впливом класичних робіт Р. Емеосона зі співробітниками. Вони експериментально довели, що в процесі фотосинтезу рослин беруть участь дві різні фотохімічні реакції. Як виявилося, швидкість фотосинтезу за спільної дії квантів червоного світла (700 нм) та короткохвильового (680 нм) була більшою, ніж сума швидкостей фотосинтезу в разі окремого освітлення цими квантами (ефект підсилення Емерсона).

Зокрема, квантовий вихід фотосинтезу (максимальне число О₂, які звільняються в перерахунку на кожний поглинутий квант) неадитивно зростав, інколи аж до 40 %. Такий ефект підсилення було пояснено функціонуванням двох фотохімічних систем (ФС І та ФС II), які послідовно виконують первинні фотохімічні реакції. Нині навіть вдалося розділити фотосистеми як за допомогою інгібіторів фотосинтезу (хімічне розділення), так і диференційним центрифугуванням (механічне розділення). Тилакоїдну мембрану вдалося розділити на дві фракції — легку та важку, які осаджувалися відповідно при 24 000 та 144 000 д. До легкої входять в основному фрагменти мембран тилакоїдів строми, які є складовими частками ФС І. Аналіз важкої фракції показав, що вона збагачена компонентами ФС II.

Рис. 15. Спрощена схема роботи пігментної системи хлоропласта

Згідно з сучасними уявленнями, хлорофіли реакційних центрів виконують основну функцію в перетворенні енергії сонячних квантів. Завдяки специфічним зв'язкам та організації їхніх молекул-донорів і молекул-акцепторів хлорофіли здатні використовувати одержану енергію збудження для утворення потоку електронів шляхом оборотних окисно-відновних реакцій. В результаті цього в тилакоїдній мембрані формується протонний і електричний градієнти. Максимуми поглинання хлорофілів реакційних центрів двох систем, за яких відбуваються окисно-відновні процеси, різні: максимум хлорофілу реакційного центру ФС І (Р₇₀₀) — 700 нм, тоді як хлорофілу реакційного центру ФС II (Р₆₈₀) — 680 нм. Кожен із хлорофілів має відповідні донори та акцептори електронів, які започатковують серію окисно-відновних перетворень відповідних переносників електронів у тилакоїдній мембрані. Ймовірна схема структури реакційних центрів ФС І і ФС II наведена на рис. 16.