И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Отмечено, что с одновременным превращением виолаксантина в зеаксантин заметно увеличивается эмиссия тепла, что, возможно, является результатом изменения конформационного состояния или агрегации хлорофиллсвязываюшего комплекса и ускорения перехода возбужденного хлорофилла в основное состояние. Это позволяет предполагать, что важнейшей фотопротекторной функцией зеаксантина является увеличение термальной диссипапии энергии в условиях светового стресса. Связанный с зеаксантином процесс тер- 145 мальной диссипации энергии является уникальным и очень важным фотопротекторным лействием, так как в ССК зеаксагпин осуществляет превращение избытка поглощенной энергии в тепло еще до переноса энергии возбуждения в реакционный центр. Это защищает фотохимическую систему хлоропластов от необратимого повреждения, связанного с притоком огромного количества энергии в реакционный центр, которая не может быть использована в Фотохимических реакциях.
В последние годы установлено, что каротиноиды хлоропластов могут выполнять важную етрукглурную роль. При действии света высокой интенсивности ксантофиллы распределяются между ССК и липидной фазой мембран. Молекула зеаксантина ориентируется в липидном слое перпендикулярно к поверхности мембраны. Присутствие двух полярных гидроксильных групп на кольцах молекулы позволяет зеаксантину закрепляться на обеих сторонах мембраны, соединяя два липидных слоя. Благодаря этому при взаимодействии зеаксантина с липидами снижается свойство высокой текучести, характерное для тилакоидных мембран, и увеличивается вязкость мембран, что уменьшает их чувствительность к переокислению активными формами кислорода. Повышение вязкости мембраны и уменьшение ее проницаемости по отношению к молекулярному кислороду при участии ксантофиллов и некоторых терпеноидов (а-токоферол) стабилизирует и защищает липидную фазу тилакоидных мембран от Фотолеструкции.
Следует отметить еще одну возможность проявления защитной функции каротиноидов. Дж. Барбер и др. (1993) обнаружили, что в условиях, когда реакции окисления воды блокированы, б-каротин может выступать в роли рвдоксохтивного защитного агента. В реакционном центре ФСП б-каротин может подвергаться светоинлуцированным редокс-реакциям с образованием катион- радикала (Кр+) с поглощением при 950 нм. В данном случае р-каротин в реакционном центре ФС2 П действует как альтернативный электронный донор к Пвгв.' Кр+ Пви КР + Пви. Эта функция (1-каротина связана с защитой реакционного центра от фото- повреждений, которые могут быть при фотонакоплении Пви, имеющего высокий окислительный потенциал (выше 1,1 В), в результате чего возможна деградация пигментов и белка П1.
В этих условиях 1)-каротин восстанавливает Пив и защищает реакционный центр от повреждения. Восстановление Кр возможно через цитохром Ьззз. 3.3.4.5. Биосинтез каротиноидов Биосинтез каротиноидов в хлоропластах связан с общим путем образования полиизопреноидных соединений (стералы, боковые цепи пластохинона, убихинона, хлорофилла и др.) (рис. 3.24). В хлоропластах высших растений обнаружен особый путь — через 1-дезоксиксилулозо-5-фосфат. Этот биосинтетический путь начинается с взаимолействия глицеральдегид-3-фосфата и пнрувата с образованием 1-дезокси-Р-ксилулозо-5-Фосфата. Затем следует серия реакций, которая завершается образованием изопентенилпирофосфата, главного пролукта этого пути: 146 Н вЂ” ССН(ОН) СНзОДР + СН,СОСООН— Пируват Глицеразьаегна-3-фосфаг СНзСОСНт(ОН)СН2(ОН)СНзОДР «СНз — ССНзСН20(ОРРДР 1-Дезокси-Г)-ксилулозо-5-фосфат СН, Изоцеитеиилпирофосфат Изопентенилпирофосфат и его изомер диметилаллнлпирофосфат представляют собой структурную единицу изопреноидов.
Конденсация этих 5-углеродных единиц служит основой лля образования соединений с различной длиной цепи: фарнезилпирофосфат (С-15), геранилгеранилпирофосфат (С-20) и др. (рис. 3.24). В результате конденсации двух молекул геранилгеранилпирофосфата образуется фитоен — первый интермедиат в биосинтезе С4с-каротиноидов. Молекула фитоена имеет только 3 сопряженных двойных связи.
Превращение фитоена в каротин осуществляется путем удаления атомов Н в реакциях десатурации при участии фермента фитоендесатуразы. В результате 4 последовательных реакций дегидрироиания фитоен превращается в ликопин. При замыкании двух иононовых колец в структуре ликопина образуется молекула каротина. Изоцентенил — ( — Э (С5) Гераиил — ® ОР (СЮ) С5 фарнезил — (с) (9 (С15) аи и С5 т )р хрф Геранилгеранил — ОР (3 (С20) — м' фитоз (С20) 5 (С5 | Фатоса (С40) — 4 (2Н) Каротииоиды (С40) Соланезил — 45 — (с) ()5) (С45) Г)ластохинон (болоева цепь) Рис.
3.24. Схема биосинтеза каротиноидов и других полиизопренондных соединений 147 Ксантофиллы образуются путем энзиматического окисления а- и р-каротина с образованием эпокси-, гидрокси- и кетогрупп. Только лютеин является производным а-каротина, все остальные ксантофиллы — производные 13-каротина. Зеаксантин образуется путем гидроксилирования р-каротина. Другие компоненты ксантофиллового цикла синтезируются позже через эпоксидацию зеаксантипа. Механизм регуляции биосинтеза каротиноидов включает действие фотоактивной системы с участием криптохрома. Небольшие количества каротиноидов образуются в темноте, но свет заметно активирует синтез каротиноидов и других соединений, имеющих боковую полиизопреноидную цепь, путем светоиндуцированной экспрессии каротиноидных генов.
3.4. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПИГМЕНТОВ В ХЛОРОПЛАСТАХ 3.4.1. ОБРАЗОВАНИЕ ПИГМЕНТ-БЕЛКОВЫХ КОМПЛЕКСОВ Структурные изменения молекул хлорофилла в процессе эволюции и, прежде всего, включение гидрофобных радикалов ( — СНп фитол) и обусловленное этим изменение свойств полярности обеспечило возможность включения пигментов в мембранные белки хлоропластов с образованием разного типа пигмент-белковых комплексов, Впервые идею о том„что большая часть хлорофилла в живом листе связана с белком, высказал В.Н.Любименко в 1921 г.
на основании значительного длинноволнового сдвига красного максимума поглощения в живом листе по сравнению с раствором (660-+ 680 нм). Систематическое изучение пигмент- белковых комплексов началось в 1970 году, когда в лаборатории Дж. Торнбера (1974) методом препаративного электрофореза было выделено из живых листьев три окрашенных комплекса, различающихся по составу пигментов, белков и спектрам поглощения. Позже Дж.
Андерсон (1980) выделил 6 различных комплексов и показал, что пигменты образуют с белками довольно стабильные комплексы, где пигменты связаны с определенными полипеггпшами и имеют различные химические и спектральные характеристики. Эти работы позволили заключить, что в листе все светособирающие хлорофиллы нековалентно связаны с белками. Механизм образования пигмент-белковых комплексов включает электростатическое взаимодействие аминокислотных групп белка с С= О-группой молекулы хлорофилла, координационные взаимодействия с центральным атомом магния и гидрофобные взаимодействия с фитолом.
В результате в тилакоидных мембранах хлоропластов формируются пигмент-белковые комплексы, включающие фоторецепторные системы, что имеет решающее значение для осуществления основных (перечисленных ниже) функций пигментов в фотосинтезе. ° Организация пигментов фотосинтетического аппарата в виде светособирающих (антенных) комплексов, функционально сопряженных с реакционным центром, обеспечивает коллективное и эффективное поглощение энер- 148 гии фотонов и передачу ее в реакционные центры, где энергия электронного возбуждения используется для фотохимических реакций. ° Связь пигментов с белком определяет межмолекулярное расстояние между ними (1,15 нм) и взаимную ориентацию молекул пигментов в светособирающнх (антенных) комплексах, что необходимо для эффективной миграции энергии в реакционные центры. ° Стабильные условия микроокружения пигментов в белковой глобуле обеспечивают создание устойчивых спектральных форм в ССК, в результате чего формируется широкий, сильно перекрывающийся спектр поглощения, необходимый для эффективного экситонного взаимодействия пигментов и направленной миграции энергии.
° Образование связи пигментов с белками создает возможность участия белков в транспорте электронов в первичных процессах фотосинтеза, например, образование «электронной тропы» между ()д и Ов в электронтранспортной цепи хлоропластов, перенос энергии от тирозина (Туга) к Пью. ° Образование пигмент-белковых комплексов создает возможность регуляции фотопоглощающей активности пигментов путем изменений конформации белков (в зависимости от рН, ионной силы, фосфорилировання белка) и изменения ориентации пигментов по отношению к направлению светового луча. Значение ориентации пигментов в пигмент-белковом комплексе активно изучается в последние годы.
Установлено, что внутри антенного комплекса молекулы пигментов жестко организованы и определенным образом ориентированы относительно плоскости мембраны и относительно друг друга, что имеет большое значение для процессов поглощения и миграции энергии. Эффективность поглощения электромагнитной энергии будет максимальной, если вектор электрического поля световой волны будет параллелен переходному диеыьиаиу маменгиу в молекуле пигмента (вектор, определяющий направление диполя, образующегося при возбуждении и переходе электрона с основной на возбужденную и-орбиту). Исследования ориентации пигментов в антенном комплексе и Электрический реакционном центре показали, что дипольные моменты О,;переходов (эи — »Ю,) моле- волны кул хлорофилла а лежат близко к плоскости Дипаиьный момент мембраны, образуя с ней небольшие углы О„-п«р«хода (25 — 35').
Дипольные моменты Ц -переходов у хлорофиллов реакционных центров — лимеров Пики, П7(я и Пяю ориентируются примерно параллельно плоскости мембраны . '~'. '.; О, я электрическому вектору световой волны » 0М (рис. 3.25). Параллельная ориентация диполь-:.. ~2 .: "*. ' ных моментов О,-переходов в молекуле пиг- ССК ментов антенного комплекса и реакционного центра важна и для процесса миграции Рис. 3.25. Ориентации дииольных энергии между ними. Поэтому образование моментов 0;иеРеходои молекУл хлорофилла относительно плоско- комплекса пигментов с белком и их упоря- сти мембраны: доченная организация в мембране имеют 0 — и«р«кои Юр-+ Б~, '12„— и«р«хои большое значение для первичных процессов и, +я сск — «и«тособираииций комфотосинтеза.
плекс 149 3.4.2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПИГМЕНТ-БЕЛКОВЫХ КОМПЛЕКСОВ В настоящее время выделено 4 главных типа светособирающих (антенных) комплексов. Два из них, локализованные в реакционных центрах ФС1 и ФСП, связывают только молекулы хлорофилла а и 13-каротин; два других — белки внешних светособирающих комплексов — связывают хлорофиллы а и о и каротиноиды. Фотосистсма 1 включает центральный комплекс 1(ядро колтлекса), содержащий димер хлорофилла а (Пхо), 2 молекулы 1)-каротина и около 100 молекул хлорофилла а, расположенных вокруг электрон-транспортной пепи реакционного центра (внутренняя антенна). Внешний светособирающий комплекс ССК! (1.НС 1) содержит 80 — 120 молекул хлорофиллов а и Ь, каротиноцды и состоит из 4 субъединиц: упса 1, ьпса 2, 1.пса 3 и 1.пса 4 — с молекулярными массами 17 — 24 кДа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
