И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Возможность миграции энергии в пигмент-белковом комплексе !40 Рнс. 3.19. Спектры поглощения каратнноидов в органических растворителях: А — О-керстин ! 3 — саободныи; 2 — связанный с белком); Б — лют«ив; Б — виола- коантин 0,8 и 0,6 0,4 0,2 280 2 00 440 520 А 360 в о ' 120 40 380 420 460 500 Длина волны, нм В 420 460 500 Длина волны, нм В 380 от возбужденных каротиноидов к хлорофиллу доказана экспериментально работами Л.Дюйзенса в опытах с сенсибилизированной флуоресценцией в системе (3-каротин -+ бактериохлорофилл и опытами Дж. Гудхира со спектром действия, в которых установлен перенос энергии между каротиноидами и хлорофиллами в фотосистемах 1 и П. Таким образом, главная функция каротинондов в ССК вЂ” поглощение энергии и перенос ее на хлорофилл. Для этой цели в эволюции были отобраны «все-транс» каротиноиды.
Каротиноиды характеризуются опрелеленным спектром поглощения в сине- зеленой области (400 — 550 нм) (рис. 3.19). Хромофорная группа различных каротиноидов может включать от 9 до 13 двойных связей, что определяет положение максимумов„энергию возбуждения и общий вид спектра поглощения, У большинства каротиноидов спектр поглощения имеет главный максимум и два более или менее выраженных «плеча», что отражает три колебательных подуровня одного электронного перехода на второй возбужденный уровень (оо-»Юз).
Переход электрона в первое синглетное возбужденное состояние (5с-» Ю,) оптически запрещен. Однако фотофизические исследования возбужденных состояний каротиноидов, проведенные в последние годы, показали, что !3-каротин (Кр) и другие каротиноиды (Кар) обладают лежащим ниже возбужденным синглетным уровнем Юп на который возможен переход электрона из состояния Юз путем реакции внутренней конверсии (3.
Коуапта, !991). На рис. 3.20 представлена диаграмма энергетических уровней (3-каротина и бак- 141 в, см 1) Ю~(КР) -+ Я2(Хл) и 2) Юз(КР) -+ Ю~(КР) -+ Ю,(Хл). териохлорофилла а, где на оси ординат от- ложены значения волнового числа (о), ха2оооо рактеризующие энергию уровней. Можно видеть хорошее соответствие положения — с2 энергетических уровней Р-каротина и бактериохлорофилла, что свидетельствуюооо — Я~ ет о возможностях миграции энергии элек- — т, тронного возбуждения от б-каротина к моТь лекуле хлорофилла. При возбуждении молекулы Р-кароти- ЯΠ— — ~0 на переход на возбужденный уровень Б~ Д>-э аз) оптически разрешен, и этот переход определяет характер спектра погло- Р-Каротин Бактсриоххсрофвлл а щения в коротковолновой части видимой Рис. 3,20. диаграмма уровней энергии области спе1стра (-500 нм).
ВРемя жизни Р-каротина и бактсриохлорофилла а этого возбужденного состояния очень мало (по Коуаша, 1991, с изменениями) (200 фс), обнаружена флуоресценция при 570 нм с очень низким квантовым выходом 6.10 '. Переход Юс-+ Ю~ оптически запрещен, поэтому соответствующие ему полосы поглощения не обнаружены. Предполагают, что имеет место внутренняя конверсия энергии 5,— ~ Ю, со временем 200 фс.
Положение возбужденного уровня Ю~ определено методом интерполяции по скорости релаксации Яг-+ Ю, в опытах с серией каротиноидов с различным числом двойных связей в конъюгированной цепи. Проведенные исследования позволяют предполагать, что положение возбужденного уровня Ю, для Р-каротина близко 17 000 см ' (-600 нм). Квантовый выход флуоресценции от Ю, к Юс с максимумом около 840 нм очень мал (2. 10 ~), в несколько раз меньше, чем для 5~. Время жизни молекулы (3-каротина в возбужденном состоянии Ю, окало 10 пс.
Большее время жизни и лучшее совпадение энергетических уровней Р-каротина и бактериохлорофилла позволяет считать состояние Я, более удобным для переноса энергии возбуждения на хлорофилл (см. Рис. 3.20). Механизм миграции энергии в ССК от каротиноидов к хлорофиллам изучен недостаточно. Экспериментально доказано, что имеет место очень эффективный перенос энергии от каротина (Кр) к хлорофиллу (Хл). Поскольку переход ос-+ 52 разрешен, в данном случае возможен дипольный механизм Ферстера. При очень коротком времени жизни Юз (200 фс) необходим теснейший контакт молекул Р-каротина и хлорофилла.
Время жизни Х~ значительно болыпе (1О пс) и лучше совпадение энергетических уровней, что более удобно лля переноса энергии. Однако переход Юс-+ Ю, для Р-каротина оптически запрещен, и дипольный механизм миграции энергии невозможен. В данном случае предполагается обменно-резонансный механизм Тереница— Декстера. Таким образом, перенос энергии может идти двумя путями: 142 Этим можно объяснить тот факт, что в процессе эволюции для антенной функции были отобраны каротнноиды в форме «все-тране»; они обеспечивают работу двух каналов переноса энергии на хлорофилл (цие-формы каротиноидов флуоресцируют только в состоянии Ю,). 3.3.4.3.
Защитная функция каротиноидов Каротинонды в антенном комплексе и реакционном центре выполняют $' уникальную «защитную» функцию, которая осуществляется с участием Т,-состояний и связана с тушением возбужденных триплетных состояний хлоро- ~!": филла и синглетного кислорода ('Оз). Механизм фотоповреждения фотосинтетического аппарата в случае оксигенного фотосинтеза обусловлен фотодеструктивным действием активных форм кислорода, главным образом синглетного кислорода 'Оь образующегося при взаимодействии основной формы кислорода в атмосфере ЗО1 с триплетно-возбужденным пигментом-сенсибилизатором (хлорофилл, бактериохлорофилл и др.) (рис.
3.21). ~ к — кн кн ьн о) ' ~.,0 и> + 'Кар Кар <~~~. зкар Кар Рис. 3.21. Механизм защитного действия каротиноидов: 5 — пигмеит-сеисибилизагор ('Л' и '5 — соответственно сииглетиое и триплетиое состояния); К вЂ” радикальные соединения. Объяснение в тексте Образующийся синглетный кислород является сильным окислителем и вызывает фотоокислепие окружающих структур. Особенно активно зти процессы п)гютекают в реакционных центрах, где образование триплетного хлорофилла ( Хл) происходит в результате возможного возврата богатого энергией электрона от первичного акцептора к пигментам реакционного центра Пир или Пив.
Каротиноиды, содержащие 9 и более двойных связей, могут эффективно тушить триплетное состояние хлорофилла и образовавшийся синглетный кислород. Механизм защитного действия ))-каротина в реакционном центре включает перенос энергии от ЗХл или 'Ог к ))-каротину и диссипацию энергии образующегося триплетного каротина через процесс нерадиационной релаксации в тепло с переходом ))-каротина в состояние Яе.
Каротиноиды спог собны также путем переноса электрона модифицировать структуру радикальных соединений и тушить свободные радикалы, возникающие при освещении. 3.3.4.4. Фотопротекторная функция каротиноидов Фотопротекторная функция каротинондов состоит в защите фотосинтетического аппарата от излишка энергии возбуждения при высокой интенсивности света. Эта функция связана с каротиноидами, образующими так называемый «кеантофиллавый цикл». 143 Внусритил око пространство Стоомо 7,5) (Аскорбат) 41 2Н + 207 АДФН) Рис.
322. Виолаксавтиновый цикл. Объяснение в тексте У высших растений и зеленых водорослей ксантофилловый цикл включает энзимавическое превращение виалаксантина в зеаксантпин через ингпермедиатп антераксантин (рис. 3.22). Процесс катализируется ферментом деэпоксидазой, требует участия аскорбата и кислой среды (оптимум действия фермента при рН 5,0). Такие условия рН создаются в люмене при освешении хлоропластов.
В темноте протекает обратная реакция преврашения зеаксантина в виолаксантин, которая катализируется эпоксидазой. Реакция эпоксидации осуществляется на внешней стороне мембраны при участии НАДФН и требует присутствия кислорода. Один из атомов молекулы кислорода включается в зеаксантин, другой атом в присутствии НАДФН образует Н20, Повторная реакция со второй молекулой 02 приводит к образованию виолаксантина. Главная функция в зашите фотосинтетического аппарата от повреждений высокой интенсивностью света принадлежит зеаксантину. Известно несколько возможных путей протекторного действия зеаксантина.
Один из них — синглет — синглетный перенос энергии от возбужденного хлорофилла (Ю~) к молекуле зеаксантина (Дж. Франк и др., 1994, 2000). Увеличение числа двойных сопряженных связей при образовании зеаксантина (11 двойных связей) из виолаксантина (9 двойных связей) приводит к изменению уровней энергии первых синглетных возбужденных состояний пигментов: у виолаксантина — 15 200 см ' (энергия выражена в волновых числах), у зеаксантина — 14 200 см ' и у хлорофилла — 14 700 см '. (рис.
3.23). Тот факт, что энергия Ю,-состояний виолаксантина лежит выше энергии хлорофилла а, в то время как энергия зеаксантина лежит ниже энергии Ю,-состояния хлорофилла а, позволяет предположить прямое энергетическое взаимодействие виолаксантина и зеаксантина с хлорофиллом, в результате чего ксантофилловый цикл высших растений и водорослей может играть важную роль в регуляции распреде- л) 31 Рис. 3.23. Энергия Б,-состояний (см ') виолаксантина, хлорофилла а н зеаксвнтина высших растений (по Ггап1с ет а1., 1996): г — разрсгаенные абсорбционные переходы; 2 — внутренняя конверсия энергии. Д вЂ” переход дг-+ Ю~ ления энергии между виолаксантином, зеаксантином и хлорофиллом а.
Ксантофилловый цикл может быть активным регулятором светового потока в пигмент-белковых комплексах. При низком освещении каротиноиды действуют преимущественно как светособираюшие пигменты, перенося энергию к хлорофиллу. При высокой интенсивности света происходит деэпоксидация виолаксантина и система переносит энергию от 5,-состояния хлорофилла к зеаксантину с более низко лежащим уровнем Юн Таким образом„образование зеаксантина снижает избыточное поглощение световой энергии антенным хлорофиллом и защищает систему от фотоингибирования.
Увеличение числа лвойных связей от 9 до 11 не только изменяет энергию 1Я возбужденного состояния ксантофиллов, но и влияет также на конформацню молекулы (кольцо-цепь): от перпендикулярной структуры у виолаксантина до планарной конформации у зеаксантина. Эти конформационные изменения могут контролировать способность каратиноидов образовывать агрегаты.
Показано, что молекулы зеаксантина образуют агрегаты легче, чем виолаксантин, Поскольку виолаксантиновый цикл находится в минорных субъединицах ССК ФС11, которые служат каналами для стока энергии от внешнего ССКП к реакционному центру, то высокая концентрация в них зеаксантина и способность его к агрегации могут нарушить макроструктуру пигмент-белковых ССК и блокировать поток энергии электронного возбуждения к реакционному центру яу ФСИ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
