Диссертация (Генетический контроль ранних этапов биосинтеза хлорофилла у зелёной водоросли Chlamydomonas reinhardtii), страница 4

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫГЕНЕТИКА МЕТАБОЛИЗМА ХЛОРОФИЛЛОВ«Зеленый лист, или, вернее, микроскопическое зеленое зерно хлорофилла являетсяфокусом, точкой в мировом пространстве, в которую с одного конца притекаетэнергия солнца, а с другого берут начало все проявления жизни на земле. Растение —посредник между небом и землею. Оно истинный Прометей, похитивший огонь с неба.Похищенный им луч солнца горит и в мерцающей лучине, и в ослепительной искреэлектричества. Луч солнца приводит в движение и чудовищный маховик гигантскойпаровой машины, и кисть художника, и перо поэта».Тимирязев К.А.«Можно считать установленным, что на протяжении всей активной жизнихлоропласта или, по крайней мере, основной ее части - от начала его возникновенияиз пропластиды и до онтогенетического угасания - происходят постоянное разрушениеи биосинтез новых молекул хлорофилла - обновление пигмента»Шлык А.А.Хлорофиллы (ХЛ) – уникальные природные тетрапирролы, играющиеключевую роль не только в жизни фотосинтезирующих организмов, но и всейбиосферы.

Их биосинтез связан с морфогенезом растительной клетки и реакциямифотосинтеза – запасанием и передачей энергии света. Для изучения метаболизмаХЛ широко используются пигментные мутанты растений (арабидопсиса, табака,ячменя)игенетическогофотосинтезирующиханализа,генноймикроорганизмов.инженерии,Применениегеномики,методовпротеомикиибиоинформатики позволило не только идентифицировать гены, контролирующиезадействованные в этих процессах ферменты, но и установить механизмы ихрегуляции. В настоящем разделе отражено современное состояние генетическихисследований метаболизма хлорофиллов.191.1. Природные тетрапирролы и их производныеТетрапирролы - большая группа физиологически активных природныхсоединений, участвующих в таких фундаментальных биологических процессах,как фотосинтез, дыхание, сульфит- и нитрит-редукция, метаногенез и другие[Быховский, 1997].

В основе их химического строения лежит порфин –двенадцатичленныйароматическиймакроцикл,состоящийизчетырехпиррольных колец (рисунок1.1), связанных моноуглеродными мостиками. Уфотосинтезирующих организмов обнаруженодваBAтипафункциональноиразличныхтетрапирролов:порфирины-и–циклическиеРисунок 1.1. Молекулыпятичленного гетероциклапиррола (A) и порфина (В).тетрапирролыструктурнобилинытетрапирролы с открытой цепью. Чистыйпорфирин в природе не встречается, но егопроизводные (гемы, хлорофиллы, фактор F430) – распостранены повсеместно(рис. 1.2). Большинство биологически-активных тетрапирролов представляютсобой металлокомплексы с железом (в гемах и сирогемах), магнием (хлорофиллы)и никелем (в факторе F430).Линейные безметальные билины (фикобилины и фитохромобилин) такжеиграют важную роль в жизни фотосинтезирующейклетки.

Фикоцианин ификоэритрин – основные светособирающие пигменты фотосинтетическихмембран цианобактерий и красных водорослей. Фитохромобилин формируетхромофорнуючастьфитохромов-фоторецепторовкрасногосвета,осуществляющих регуляцию фотоморфогенеза растений (Beale, 1994). Вфотосинтезирующих организмах обнаружены и другие классы тетрапиррольныхсоединений – сирогемы, входящие в состав нитрат- и сульфат- редуктаз, икоррины, к которым относится витамин В12 [Бриттон, 1986].20Крупным достижением в изучении природных тетрапирролов явилосьустановление общего пути их биосинтеза (рисунок 1.2).

У всех биологическихобъектов (от древнейших микроорганизмов до человека) он начинается сРисунок 1.2. Схема биосинтеза природных тетрапирроловобразования 5-аминолевулиновой кислоты (АЛК) и проходит через две общиестадии – биосинтез монопиррола порфобилиногена (ПБГ) и первого циклическоготетрапиррола уропорфириногена III (УРО III).

Последний дает начало двумбиосинтетическим ветвям, одна из которых завершается формированием сирогемаи корриноидов, а вторая - протопорфирина IX (ПП), который, в свою очередь,является общим предшественником двух путей биосинтеза. Включение катионажелеза Fe2+ в молекулу ПП ведет к образованию протогема, гема и ряданелинейныхтетрапирролов,включаяфитохромобилин.Магниеваяветвьбиосинтеза начинается со встраивания ионов Mg2+ в структуру ПП изаканчивается формированием молекул хлорофиллов.1.2. ХлорофиллыХлорофиллы(ХЛ)–этоприродныемакроциклическиепигменты,участвующие в процессах фотосинтеза.

Они относятся к металлопорфиринам ипринадлежат к магниевой ветви метаболических превращений протопорфиринаIX.Включениемагнияпредставляетлишьпервоезвеновдлиннойпоследовательности сложных реакций, завершающихся синтезом молекул ХЛ.21Растительный и бактериальный фотосинтез, в котором эти соединения участвуютв качестве фотосенсибилизаторов, служит основным поставщиком органическогоматериала, используемого гетеротрофами, в том числе животными и человеком[Beale, 1991; 1994].

Хлорофиллы в составе комплексов с белками и липидамилокализованы во внутриклеточных органеллах - хлоропластах или хроматофорах.В клетках растений существуют два типа таких пигмент-белковых-липидныхкомплексов (ПБЛК), обслуживающие разные фотосистемы. ПБЛК I содержитдлинноволновые формы хлорофилла а. Он имеется у всех фототрофов, включаядревнейшие формы. ПБЛК II – сравнительно молодая система, появившаяся впроцессе эволюции лишь у цианобактерий, содержит коротковолновые формыхлорофилла а [Пиневич, Аверина, 2002].1.2.1. Исторический очеркОткрытие хлорофиллов связано с именами двух французских химиков:Пельтье (фр.: P.

Pelletier) и Каванту (фр.: J. Caventou), опубликовавшими в 1817году работу под названием «Заметки о зеленой материи листьев». Эта «материя»была получена в результате простого эксперимента: залив свежие листья спиртом,авторы обнаружили, что зеленая окраска перешла в спирт, а листья осталисьбесцветными. Вещество, окрасившее спирт, было названо хлорофиллом (от др.греч.: χλωποξ - зеленый и φυλλον - лист).

Оптические свойства ХЛ изучал КлиментАркадьевичТимирязев.Используясветофильтры,онпоказал,чтоонипреимущественно поглощает свет красной области спектра, существенный дляфотосинтеза. В своем труде «Спектральный анализ хлорофилла», вышедшем в1871 году, К.А. Тимирязев для описания свойств ХЛ впервые применилспектрофотометрию - метод, который до сих пор остается важнейшим дляопределения качественного и количественного состава растительных пигментов.Еще один, ставший классическим, метод изучения пигментов – адсорбционнаяхроматография (от др.-греч.: χρῶμα — цвет), – был создан выдающимся русскимботаником с «говорящей» фамилией Цвет (Цвет, 1946).

Михаил Семенович22разделял пигменты, используя адсорбенты: раствор смеси веществ, которыежелаютразделить,пропускаютчерезстекляннуютрубку,заполненнуюсубстратом, различно их адсорбирующим. Для многих пигментов, в частности дляхлорофилла, наилучшей адсорбирующей средой оказались тальк и сахароза. Изспиртовой вытяжки зеленых листьев таким путем М.С. Цвету удалось получитьнесколько пиментов: сине-зеленое вещество, находящееся в значительно большемколичестве, он назвал хлорофиллином альфа, желто-зеленое соединение –хлорофиллином бэта, а добавочные желтые полосы на хроматограмме даваликаротиноиды.

Хотя, фактически, М.С. Цвет получил чистый хлорофилл, пальмапервенства в установлении химического состава этой молекулы принадлежитнемецким ученым Р.М. Вильштеттеру (нем.: Richard Martin Willstätter) и А.Штолю (нем.: Artur Stoll). Им удалось выделить кристаллический хлорофилл иопределить его основные компоненты, показав, что пигмент является комплексом,содержащим магний. Результаты этих работ в 1913 году были опубликованы вфундаментальном труде «Исследования хлорофилла» [Willstätter, 1913], а в 1915году за исследования хлорофилла и других пигментов Вильштеттеру былаприсужденаНобелевскаяпремияпохимии.Емуудалосьопределитьэлементарный состав хлорофилла а – C55H72O5N4Mg и хлорофилла b –C55H70O6N4Mg, а окончательную структуру ХЛ в опытах с последовательнымразрушением молекулы пигмента установил Ханс Фишер (нем.: Hans Fischer) в1940 году.

Через 20 лет коллективом американских ученых, возглавляемымизвестным химиком-органиком Робертом Бернсом Вудвортом (англ.: Robert BurnsWoodward), был получен искусственный хлорофилл. С тех пор структура,свойства и метаболизм хлорофиллов активно изучаются (Быховский, 1985; Beale,1999; Grimm, 2006).231.2.2. Формы хлорофилловВ основе строения хлорофиллов две составляющие: Mg-порфириновыйскелет с различными заместителями и «хвост» - дитерпеновый спирт фитол,придающий молекуле способность встраиваться в липидный слой биологическихмембран (рисунок 1.3). Из высших растений, водорослей и фотосинтезирующихбактерий выделено и охарактеризовано свыше 50 различных форм ХЛ.Основными пигментами растений и зеленых водорослей являются XЛа и ХЛb. Ихмолекулы представляют собой дигидропорфириновый (хлориновый) цикл(формула I, рисунок 1.4), содержащий в качестве эфирных групп (Y) остатокфитола.