П. Зитте, Э.В. Вайлер, Й.В. Кадерайт, А. Брезински, К. Кернер - Ботаника. Учебник для вузов. Том 2. Физиология растений (1134216), страница 31
Текст из файла (страница 31)
В органических молекулах такие процессы ведут к появлению более илименее широких пиков поглощения вместо спектра, состоящего из узких полос, который характерендля атомов. На схеме показаны спины электронов в возбужденных синглетном и триплетном состояниях в сравнении с основным состоянием, а также часть спектра поглощения хлорофилла а, обусловленная переходом S0 —> S16.4. Фотосинтез. Световые реакции |яние, S°). После поглощения фотона электронзанимает более высокий энергетический уровень, сохраняя свое направление спина (возбужденное синглетное состояние S1, S2 и т.д.,в зависимости от поглощенной энергии).
Электроны в таком возбужденном состоянии черезкороткий промежуток времени снова переходят в свое основное состояние, отдав энергиювозбуждения, или же происходит поворот спина возбужденного электрона (триплетное состояние). Таким образом, у неспаренных электронов направления спина будут параллельны (см.рис. 6.48). Поворот спина может произойти тогда, когда электрон находится в возбужденномсинглетном состоянии более длительный промежуток времени, чем требуется для процессаоборота спина (около 10~9 с).Возбужденное состояние, важное дляхлорофилла, — это первое синглетное состояние (соответствует поглощению кванта красного света), второе синглетное состояние (поглощение кванта синего света) и первое триплетное состояние, которое достигается только с S'-уровня, так какдлительность его существования достаточно велика (около 15 • Ю-6 с).
Возбужденное82-состояние оказывается слишком короткоживущим (Ю-12 с) для оборота спина.Как показывает рисунок 6.48, отдачапоглощенной энергии возбужденного хлорофилла происходит различными способами. Только часть этих процессов можноиспользовать для производства химическойработы. Это связано с переходом S' —> S0.В данном случае может произойти переходэнергии (перенос экситонов) без излучения от одной молекулы хлорофилла к другой, если они находятся достаточно близко друг к другу (расстояние менее 10 нм)и если максимум поглощения второй молекулы пигмента ниже (более длинноволновая форма), чем способность отдаватьэнергию у первой возбужденной молекулы (более коротковолновая форма).
Этотмеханизм особенно важен для направленного транспорта поглощенной энергииквантов света внутрь комплекса антенн идля перехода энергии на хлорофилл а реакционного центра. Спектр поглощениямолекулы пигмента зависит от ее окружения (в случае хлорофиллов это белковоеокружение), поэтому в комплексе антенн,содержащих хлорофилл с различными по-Ю1глощающими свойствами, экситоны направляются к молекулам пигмента, которые могут поглощать свет более длинныхволн, т.е. происходит перенос от молекулхлорофилла Ъ на молекулы хлорофилла а,внутри этой группы — на формы хлорофилла а, поглощающие свет в более длинноволновой области.
Конечным пунктомпереноса экситонов является хлорофилл ареакционного центра, который окруженособыми белками. Его строение можнопредставить в виде димера (специальнаяпара — от англ. special pair, Хл а2), причемон обладает самой низкой энергией возбуждения во всем комплексе. Хлорофилл вреакционном центре чрезвычайно редковозбуждается под действием прямого поглощения фотона, чаще всего это происходит благодаря переносу экситона от расположенных рядом антенн.В отличие от хлорофиллов антенн димер хлорофилла а реакционных центровпередает свою энергию возбуждения несразу; сначала в возбужденном состояниион теряет электрон, образуя положительно заряженный радикал (Хл a f ) .
При получении электрона он снова переходит восновное состояние (рис. 6.49). При оптимальном освещении этот процесс идетпримерно 100 — 200 раз в секунду.Процесс первичного разделения зарядовХла 2 — А Е и л и 1 " ) Х л а Г + е +является решающим этапом фотосинтеза.Кратковременная энергия возбужденияфотонов переводится в значительно болеедолгоживущий электрический потенциал,Экситонили фотон-. хл а |Хла 2е-.1^Ч^_^ ^Рис. 6.49. Разделение зарядов после возбуждения димерного хлорофилла а (Хл а2) в реакционных центрах фотосистем и переход в основное состояние при присоединении электрона.При оптимальном освещении этот цикл происходит 100 — 200 раз в 1 с102| ГЛАВА 6. ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВа он может использоваться в химическойработе.
Усвоенная энергия частично теряется в виде тепла. Это верно для переходаS2 —> S1, так как для переноса экситонавремя жизни состояния S2 слишком мало.Поэтому в экспериментах по изучениюфотосинтеза достаточно воздействоватькрасным светом, чтобы произвести переход S°—> S'. Энергия возбужденного S1-состояния может также полностью терятьсяв виде тепла или же излучаться в виде света флуоресценции. Хлорофилл в триплетном состоянии не играет большой роли.Всегда лишь одна молекула хлорофилла из10 млн находится в триплетном состояниипри освещении растения.1 При переходе восновное состояние, который происходиточень медленно из-за необходимого в этотмомент оборота спина (длительность жизни Т1 -состояния — 10^—10~2 с), можеттакже излучаться свет (фосфоресценция).Однако хлорофилл в триплетном состоянии может стимулировать переход кислорода в синглетное состояние. Кислород вэтой форме химически очень активен иможет повредить клетку, поэтому в процессе эволюции возникли разнообразныезащитные механизмы (см.
ниже каротиноиды, а также 6.48).Каротиноиды считаются дополнительными фотосинтетическими пигментами,которые поглощают свет в голубой и зелено-голубой областях спектра и тем самымсужают «зеленый провал» в спектре поглощения хлорофиллов (см. рис. 6.46; 6.47).Существует две группы каротиноидов: каротины (чистые углеводороды, наиболееизвестен р-каротин2) и окисленные каротины (ксантофиллы), основным представителем которых у высших растений и зеленых водорослей является лютеин. Харак1Образование триплетных состояний зависит от интенсивности освещения, доступностиСО2 и (косвенно) от обеспечения водой.
В экстремальных условиях триплетных возбужденныхмолекул хлорофилла будет больше, чем в нормальных физиологических условиях. Чрезмерное образование триплетов хлорофилла можетпривести к фотодеструкции (см. далее). — Примеч. ред.2Впервые выделен из корнеплодов моркови (Daucus carota). — Примеч. ред.терная окраска бурых и диатомовых водорослей обусловливается ксантофиллом фукоксантином; ликопин1 можно встретитьу пурпурных бактерий (рис.
6.50). Каротиноиды относительно плохо переносят энергию, их активность соответствует примерно 20 — 50% эффективности хлорофиллов(этот показатель лишь у фукоксантина бурых водорослей достигает 80 %). По этойпричине в области поглощения, присущейкаротиноидам (примерно 460 — 500 нм),возникает также явное несоответствие между поглощением света и спектром действияфотосинтеза (см. рис. 6.46). Ксантофиллызеленых водорослей и высших растений непереносят энергию возбуждения на хлорофилл а. Их главная функция в антеннахсостоит в том, чтобы предотвратить образование триплетного состояния хлорофилла и тем самым предотвратить образование крайне опасного синглетного кислорода.
Каротиноиды — это терпеноиды, такие, как фитол, однако в их состав входят40 атомов углерода и поэтому они относятся к группе тетратерпенов (см. 6.12.2).Поглощение света в видимой областиобусловливается большим числом сопряженных двойных связей, л-электроны которых образуют единую молекулярную орбиталь, где электроны сильно делокализированы и легко переходят в возбужденное состояние.Фикобилипротеиды являются дополнительными фотосинтетическими пигментами цианобактерий, красных водорослей иCryptophyta. Фикоцианы (голубые пигменты) и фикоэритрины (красные пигменты)присутствуют в этих группах в различныхколичественных соотношениях и преобладают над хлорофиллом.
Светопоглощающиеструктуры (хромофоры) фикобилинов —это тетрапирролы с открытой цепью (рис.6.51), подобные желчным ферментам, которые возникают при разрушении гемоглобина (отсюда и название от греч. bilis —желчь). Через виниловую группу у кольца Атетрапиррола хромофоры ковалентно связаны с остатком цистеина белков-носителей (тиоэфирная связь). Фикоцианобилин1Впервые выделен из плодов томатов(Lycopersicon). — Примеч. ред.6.4.
Фотосинтез. Световые реакции |103— Каротины -£j""W' ^ N '''Ч* '<S**T'- " Ч ^i--^5**--ЛикопинQг-^Ч-«• ^ * ! V -"*S%^'^SS'"^f •^s-^яо(3 - КаротинКсантофиллыФукоксантинРис. 6.50. Строение фотосинтетических пигментов каротиноидов.Каротины не содержат кислород, ксантофиллы являются кислородсодержащими молекулами. В формулах выделена система делокализированных я-электроновявляется составной частью фикоцианина иаллофикоцианина, фикоэритробилин — частью фикоэритрина. Фикобилипротеидывходят в состав высокоорганизованных светособирающих структур — фикобилисом (см.рис. 2.89; 6.53). Фикобилисомы лежат на тойстороне мембран тилакоидов, которая контактирует с цитоплазмой, и как антенныочень активно абсорбируют свет.
Поглощенная энергия возбуждения передаетсяна хлорофилл а реакционных центровпрактически на 95 % по экситонному ме-ханизму. Благодаря этой особенности ипоглощающим свойствам фикобилипротеидов (см. рис. 6.47) голубые и красные водоросли способны осуществлять фотосинтез в глубокой толще воды. У этого явления есть своя «цена»: до 40 % общего весаклеточных белков и до 30 % сухой массыклеток приходится на фикобилисомы.При выращивании цианобактерий икрасных водорослей в условиях освещенияволнами различного спектрального состава наблюдается адаптация к ним фикоби-1 0 4| ГЛАВА 6 Ф И З И О Л О Г И Я ОБМЕНА ВЕЩЕСТВCysн3сх /н,ссн н3ссоосооСНтIIсн2сн2СНоСН-;IСН2с н 3 Н3СннФикоцианобилин связанный с белкомCysНэС./СНн,ссоосн2сн2соо(рн2сн2 сн 3 н3ссн 2снФикоэритробилин связанный с белкомРис. 6 .
5 1 . Строение фикоцианобилина и фик о э р и т р о б и л и н а (по G Richter)В формулах выделена с и с т е м а д е л о к а л и з и р о ванных 71-электронов Х р о м о ф о р ы ковалентносвязаны с о с т а т к о м цистеина а п о п р о т е и н алинов — хроматическая адаптация Вероятнее всего, она обусловлена различнойтранскрипционной активностью (см 7 2 2)генов белковой части различных фикобилинов Несмотря на то что такая адаптациякажется рациональной, с физиологической точки зрения непонятно, существуетли она в естественных условиях и насколько широко распространенаЭффективность использования света вразличных областях спектра, а следовательно, и вклад различных пигментов в фотосинтез можно выяснить, сравнив спектрпоглощения фотосинтетически активныхорганизмов или органов и спектр действияфотосинтеза У зеленых растений (см рис6 46) существует значительное расхождение между спектрами поглощения и действия в области, где находятся максимумы поглощения каротиноидов, так каккаротиноиды, как упоминалось ранее, обладают ограниченными возможностямипереносить энергию на хлорофилл То, чтоспектр поглощения неповрежденных клеток или тканей имеет такие же широкиеабсорбционные полосы, как и выделенныепигменты (см рис 6 46), объясняется изменением поглощающей способности пигментов вследствие их связи с белками светособирающих комплексов Благодаря этому же сужается так называемый «зеленыйпровал» в спектре поглощения Тонкие различия в спектрах поглощения фотосинтетических пигментов, возникающие из-занаходящихся рядом белков, являются основой для направленного переноса экситонов внутри антеннПри сравнении спектров поглощенияи отражения листовых пластинок (рис 6 52)видно, что абсорбция при отражении нетолько снижается в зеленой области, но исильно падает в инфракрасной между 700и 2 000 нм, в то время как поглощение здесьмаксимально Так как листовые пластинкиотражают в инфракрасной области сильнее, чем иглы хвои, можно легко отличить лиственный лес от хвойного с помощью аэрофотосъемки в инфракрасных лучах Поскольку излучение в инфракраснойобласти не содержит большого количестваэнергии, пригодной для фотосинтеза, а сдругой стороны, почти половина энергииСолнца, поступающей на поверхность Земли, рассеивается, то использование этойВидимаяобластьИнфракраснаяобласть100%80-050 6 0 7 0 8 1020 40100Длина волны (1 мкм-1 000 нм)Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
