С.С. Медведев - Физиология растений (DJVU) (1134223), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Из листьев пигменты зкстрагирутот спиртом или другими органическими растворителями. Из спиртового экстракта отдельные пигменты можно выделить методом хроматографии. Впервые зто на колонке с сорбентом 1толченый мел, сахарная пудра) проделал в 1903 г. русский ученый М. С. Цвет.
Он изобрел принципиалыю новый метод для разделения пигментов, который позволил ему выделить хлорофилл и, хлорофилл Ь и получить три фракции желтых пигментов. Метод адсорбционной ярамапюзрафии, который был разработан М. С. Пветом для изучения пигментов фотосинтеза, произвел революцию в аналитиче- ' ской химии и стал основным методом разделения веществ, используемым в современных научных исследованиях и промышленности.
Растительные организмы содержат несколько видов пигментов, каждый из которых выполняет определенные функции. Обычно в пластидах высших растений и водорослей встречаются пигменты трех основных классов — хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины. Хлорофиллы и каротиноиды нерастворимы в воде, а фикобилины растворимы. Пигменты пластид связаны с белками.
Фикобилины связаны с белками (апопротеинами) кока'тентно и образуют фикобилипротеины. Хлорофиллы и каротиноиды ассоциированы с соответствующими белками с помощью ионных, гидрофобных и координационных связей. Пигмент-белковые комплексы обеспечивают упорядоченную ориентацию хромофорных групп и повьппают эффективность их функционирования. Структура и спектры поглощения ряда фотосинтетических пигментов приведены на рис. 2.2 и 2.3, В табл. 2 1 показано распространение пигментов у различных типов фотосинтезирующих организмов.
Таолвна й.ь Рэспрострвнение пигментов у эукэриотических фотосинтеэирующих организмов Н, Х 2 сн с н сн Н,,э 2 сн с н нс н, Нэ Сиэ Хлорофилл о Рис. 2.2. Строение молекул хлорофиллов а и Ь. о и э о у к о О 400 500 500 Длина волны, нм Рис.2.3. Спектры поглощения некоторых фопкинтетичееких пигментов (Лхегэ, 1955). 2 — хлорофилл а, и — хлорофилл ь, Я вЂ” л-кэреэих, 4 — фикоэритробилии. Сиг 1 о-с 1 о 1 сн 1 сн Ь с — сн, 1 Огг 2 1 сн 1 нс — сн, 1 Гнг сн, сн, 1 Сггэ 1 сн, 1 а22 Огг ОЭ сн, сн, Оиииэ 1 о с 1 О «"эг 1 Ь с-сн 1 сн 1 сн, 1 нс — сн э СН2 1 сн, 1 Сиг нс-сн 1 2 сн 1 сн Сиэ Снэ Хлорофилл 0 2.2.1.
Хлорофилл К. А. Тимирязев писал, что «зерно хлорофилла — тот фокус, та точка в мировом пространстве, в которой живая сила солнечного луча, превращаясь в химическое напряжение, слагается, накопляется для того, чтобы впоследствии исподволь освобождаться в тех разнообразных проявлениях движения, которые нам представляют организмы, как растительные, так и животные. Таким образом, зерно хлорофилла — исходная точка всякого органического движения. всего того, что мы разумеем под словом "жизнь"». Именно хлорофиллы придают растениям характерный зеленый цвет.
Они нерастворимы в воде, но хорошо расгворимы в органических растворителях. Хлорофилл а имеет голубовато-зеленый цвет, хлорофилл 6 — желтовато-зеленый. У высших растений и водорослей обнаружены хлорофиллы а, 6, с. Почти все фотосинтезирующие организмы (включая водоросли и цианобактерии) содержат хлорофилл а (см. табл.2.1). Хлорофилл 6 содержат все высшие растения, зеленые и эвгленовые водоросли. У бурых и диатомовых водорослей, а также у криптофитов и динофлагеллят вместо хлорофилла 6 содержится хлорофилл с. Физико-химические свойства хлорофилла.
Впервые выделили зеленое вещество из листьев и назвали его хлорофиллам (от греч. сЫбгог — зеленый и р11у11оп — лист) французские химики-фармацевты Ж. Пельтье (1. Ре11ейег) и Ж. Кавэлту (Д. Санеп$оп) в 1817 г. Это открытие было ими сделано случайно в процессе поиска новых лекарственных средств из различных растений. В кристаллическом виде хлорофилл был впервые получен русским физиологом и ботаником И. П. Бородиным в 1882 г. Польские биохимики Марцелл Ненцкий (М.
1ч»епс(п) и Леон Мархлевский (1,. МагсЫеж~г1п) в 1887 г. показали, что основу»юлекулы хлорофилла, как и тема гемоглобина, составляет порфириновое кольцо. Элементный химический состав хлорофилла а (СггНтгХ«ОвМ8) и хлорофилла 6 (СггНтеК«ОвМ8) был определен в 1914 г. немецким химиком Рихардом Вильштеттером (Н. %111зга11ег). Он не только выделил хлорофилл а и хлорофилл 6 и установил их химический состав, но также доказал, что у всех растений, независимо от условий их обитания, хлорофилл совершенно одинаков. За эти исследования Р.
Вильштеттер в 1915 г. был удостоен Нобелевской премии по Структурная формула хлорофиллов а и 6 была установлена к 1940 г. немецким химиком Гансом Фишером (Н. Е1гспег), который в 1930 г. получил Нобелевскую премию за расшифровку структуры гема и выявил, что гемоглобин состоит из белка глобина и красителя тема. В 1960 г. химики-органики Р.Б.Вудворд (В В.ЪУоос1кап), США) и М.Штрель (М. 81го11, ФРГ) завершили полный синтез молекулы хлорофилла и подтвердили правильность структурной формулы, установленной Г. Фишером. Следует отметить, что Роберт Бернс Вудворд расшифровал также структуры ряда антибиотиков (стрептомипина, тетрациклина и др.), что принесло ему в 1965 г.
Нобелевскую премию. Молекула хлорофилла состоит вз порфириновой «головки» и фитольного «хвостпа». При этом порфириновая часть молекулы находится на поверхности мембраны тилакоида и связала с белками, а жирорастворимая фитольная цепь погружена в липидный слой. Хлорофилл представляет собой сложный эфир дикарбоповой кислоты хлорвфиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта, а вторая — остатком спирта фитола: ЗЗ СООСНз М6Х4ОНзоСзз СООСзвНзэ При разрыве сложноэфирной связи и оттцеплении фитола образуется соединение, называемое хлорафиллидом. Четыре пиррольных кольца (А.-Р) соединены между собой метиновыми мостиками, формируя порфириновое ядро (см.
рис. 2.2.). Атомы азота пиррольных колец соединяются двумя координационными связями с атомом Мя. В структуре порфиринового ядра имеется также циклопентановое кольцо (Е). Если в молекуле хлорофилла атом Мя замещен на два атома водорода, образуется соединение буро-оливкового цвета — феофитик, выполняющий функции первичного акцептора электронов в фотосистеме П. Хлорофиллы имеют два максимума поглощения света — в синей (430 — 460 нм) и красной (650 — 700 нм) областях спектра (см. рис.
2.3). Сине-фиолетовый максимум поглощения хлорофиллов обеспечивается резонансной структурой порфиризювого кольца. Поглощение света в красной области спектра связано с наличием махния и гидрировапием двойной связи в положении Ст-Сз О-пиррольного ядра. Поэтому у феофитина (из-за потери атома М6) красный максимум выражен слабее. Следует отметить, что положение максимумов поглощения света хлорофиллом зависит от природы растворителя, взаимодействия молекул пигментов друг с другом, с липцдами и белками.
Хлорофиллы ассоциированы с гидрофобными белками и встроены в липидпую фазу мембраны тилакоида. Энергетические состояния молекулы хлорофилла. Время пребывания молекулы в возбужденном состоянии зависит от ее химического строения. В люлекулах, атомы которых соединены одинарными ковалентными связями, для возбуждения электронов требуются кванты высокой энергии, например ультрафиолетовое излучение или рентгеновские лучи.
Время жизни возбужденного состояния в этом случае очень мало и составляет в среднем 10 '~ с. В молекулах с сопряженными двойными связями каждый х-электрон делоквлизован, и поэтому для их возбуждения требуются кванты тем мспыпей энергии, чем более протяжешюй является система сопряженных двойных связей. В порфириновом ядре молекулы хлорофилла имеет место чередование одинарных и двойных связей, что служит причиной появления вокруг него 18 делокалнзованных г-электронов, легко переходящих в возбужденное состояние при попадании квантов света видимой части спектра. Время жизни возбужденного состояния у молекул хлорофилла, имеющих систему сопряженных двойных связей, варьирует от 10 'е до 10 эс.
Пикосекундные кинетические исследования, выполненные, например, на хлоропластах СЫогеИа, показали, что время жизни возбужденного состояния хлорофилла составляет 0,6 нс. Наиболее устойчивы те состояния атомов, в которых вэлентные электроны занимают самые низкие энергетические уровни и распределены по ним согласно принципу Паули, который гласит: если атом имеет четное количество электронов, то их спины (векторы магнитных моментов, равные +1/2 или .1,~2) направлены противоположно друг другу и суммарный спин всех электронов атома равен О. Такое состояние нагзывают основным сннглетним (Ь' = О). Если же число электронов в атоме четное, но < спины двух электронов параллельны, то полный спин равен 1 (о = 1) и такое состояние называется тприплеп~ным (рис.
2.4). 1:оболочка Поглощение Тринлетное возбужденное состолние состояние состолние Рис. 2.4. Уровни энергии в атоме гелия (Холл, Рао, 1983). При поглощении кванта света молекулой хлорофилла г.-электроны могут переходить в синглетное возбужденное состояние, в котором спины электронов остаются антипарвллельными. Кслн же прн получении энергии один из двух электронов переходит в триплетное (метастабильное) возбужденное состояние, их спины становятся одинаково направленными. Следует отметить, что прямой переход из основного синглетного в триплетное возбужденное состояние мало вероятен.
Поэтому переход электрона в триплетное состояние осуществляется через синглетное возбужденное состояние (см. рис. 2.4). Возвращение в исходное состояние молекулы хлорофилла, находящейся в возбужденном состоянии под воздействием света, происходит несколькими путями (рис. 2.5). Во-первых„отдав часть энергии в виде тепла и излучив квант света, молеку- нос о и а 4! И 31 Основное состояние Рис. 2.5. Энергетические состовиив молекулы хлорофилла.
ла может перейти в основное состояние. Такое явление называется флроресттенцией Согласно правилу Стокса, длина волны флуорссценции больще соотнетствуюгцпх длин волн поглощения (рис.2.6). Джордж Габриель Стоке (С.С. йенса) — британский физик и математик, который занимался исследованием оптических свойств хлорофилла. Длина Волны Рнс. 2.6. Спектры поглощения н нзлучення молекул. Иной путь расходования энергии наблюдается, когда при возбуждении происходит изменение знака спина электрона и молекула хлорофилла переходит в метаотабильное триплетное состояние, имшощее гораздо большее время жизни (порядка 10 з-10 ~с). Это объясняется тем, что возбужденный электрон приобретает тот же знак спина, что и невозбужденный электрон, оставшийся на основном уровне.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
