С.С. Медведев - Физиология растений (PDF) (1134225), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Хлорофилл а имеетголубовато-зеленый цвет, хлорофилл Ь - желтовато-зеленый. У высших растений и водорослей обнаружены хлорофиллы а, Ь, с. Почти все фотосинтезирующие организмы(включая водоросли и цианобактерии) содержат хлорофилл а (см. табл.2.1).
Хлорофилл Ь содержат все высшие растения, зеленые и эвгленовые водоросли. У бурых идиато!\ЮВЫх водорослей, а также у криптофитов и динофлагеллят вместо хлорофиллаЬ содержится хлорофилл с.Физико-химические свойства хлорофилла. Впервые выделили зеленое вещество из листьев и назвали его хлорофиллом (от греч.французские хи!\шки-фармацевты Ж . Пельтьев1817 г.chlor6s- зеленый(J.
Pelletier)иphyllon - лист)(J. Caventou)и Ж . КавантуЭто открытие было ими сделано случайно в процессе поиска новых лекарственных средств из различных растений . В кристаллическом виде хлорофилл бьш впервыеполучен русским физиологом и ботаником И . П . Бородиным в1882 г.Польские биохимики Марцелл Ненцкий (М. Nencki) и Леон Мархлевекий(L. Marchlewski) в 1887 г. показали, что основу молекулы хлорофилла, как и гема гемоглобина, составляет порфириновое -х;олъцо. Элементный химический состав хлорофиллаа(CssH12N40 5 Mg)и хлорофилла Ь(Cs 5 H7 oN406Mg) был определен в 1914 г.(R.
Willstiitter). Он не только выделилким химиком Рихардом Вильштеттеромнемецхлорофилл а и хлорофилл Ь и установил их химический состав, но также доказал, что увсех растений , независимо от условий их обитания, хлорофилл совершенно одинаков.За эти исследования Р. Вильштеттер в1915г.
был удостоен Нобелевской премии похимии.Структурная формула хлорофиллов а и Ь была установлена к1940г. немецкимхимиком Гансом ФишеИ2М (Н. Fischer), который в 1930 г. получил Нобелевскую премиюза расшифровку {;"руктуры ге.м.а и выявил, что гемоглобин состоит из белка глобинаи красителя гема.В1960г.
химики-органики Р. Б. Вудворд(R. В. Woodward,США) и М. Штрель(М. Strбll, ФРГ) завершили полный синтез молекулы хлорофилла и подтвердили правильиость структурной формулы, установленной Г. Фишером. Следует отметить, чтоРоберт Бёрнс Вудворд расшифровал также структуры ряда антибиотиков ( стрептомицина, тетрациклина и др.), что принесло ему в1965г. Нобелевскую премию.:Молекула хлорофилла состоит из порфириновоi1 <<голов?Си » и фитолъиого <<хвоста».При этом порфирмновая часть молекулы находится на поверхности мембраны тилакоида и связана с белками, а жирорастворимая фитольмая цепь погружена в липидныйслой . Хлорофилл представляет собой сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллииа, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком .метиловогоспирта, а вторая - остатком спирта фитола:33СООСНз1МgN4ОНзоСз2\СООС2оНзgПри разрыве сложноэфирной связи и отщеплении фитала образуется соединение,называемое хлорофиллидо.м.
Четыре пиррольных кольца (A~D) соединены между собой метиновыми мостиками, формируя порфирнновое ядро (см . рис.2.2.).Атомы азота пиррольных колец соединяются двумя координационными связями с атомомMg.В структуре порфирннового ядра имеется также циклалентановое кольцо (Е) . Еслив молекуле хлорофилла атомMgзамещен на два атома водорода, образуется соединение буро-оливкового цвета- феофитии, выполняющий функции первичного акцептораэлектронов в фотосистемеII.Хлорофиллы имеют два максимума логлощения света- в синей ( 430~460 нм) и красной (650~700 нм) областях спектра (см . рис.2.3).Сине-фиолетовый максимум логлощения хлорофиллов обеспечивается резонансной структурой порфирннового кольца .
Поглощение света в красной области спектра связано с наличием ыагния и гидрированиемдвойной связи в положении СгСв D-пиррольного ядра. Поэтому у феофитина (из-запотери атомаMg) красный максимум выражен слабее. Следует отметить, что положение максимумов поглощения света хлорофиллом зависит от природы растворителя,взаимодействия молекул лигментов друг с другоы, с липидами и белками . Хлорофиллы ассоциированы с гидрофобными белками и встроены в липидную фазу мембранытилакоида .Энергетические состояния молекулы хлорофилла. Время пребывания молекулы в возбужденном состоянии зависит от ее химического строения .
В молекулах ,атомы которых соединены одинарными ковалентными связяi\IИ, для возбуждения электронов требуются кванты высокой энергии , например ультрафиолетовое излучение илирентгеновские лучи . Время жизни возбужденного состояния в этом случае очень малои составляет в среднем 10~ 14 с .В молекулах с сопряженными двойными связями каждый те-электрон делокализован , и поэтому для их возбуждения требуются кванты тем меньшей энергии , чем болеепротяженной является система сопряженных двойных связей .
В порфирнновом ядремолекулы хлорофилла имеет место чередование одинарных и двойных связей , что служит причиной появления вокруг него-18 делокализованных те-электронов, легко перехо-дящих 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~ 10 до 10~ 9 с . Пикосекундные кинетическиеисследования , выполненные, например , на хлоропластахжизни возбужденного состояния хлорофилла составляетChlorella, показали,0,6 не .что времяНаиболее устойчивы те состояния атомов, в которых валентные электроны занимают самые низкие энергетические уровни и распределены по ним согласно принципуПаули, который гласит : если атом имеет четное количество электронов , то их спиныf' (векторы магнитных моментов , равные +1 / 2 или ~ 1 /2) наnравлены противоположно1\ друг другу и суммарный спин всех электронов атома равен О.
Такое состояние на'-..{ зывают основным сииглетии.м (S = О) . Если же число электронов в атоме четное, носпины двух электронов параллельны, то полный спин равен 1 ( S = 1) и такое состояниеназывается триплетии.м (рис . 2.4).34L- оболочкаЛоглощение----~кванта светаК-оболочка~или~основноевозбужденноеТриплетноевозбужденноесостояниесостояниесостояниеСинглетноеРис .,.12.4.СинглетноеУровни энергии в атоме гелия (Холл , Рао ,1983).При поглощении кванта света молекулой хлорофилла те-электроны могут переходить в синглетное возбужденное состояние, в котором спины электронов остаются антипараллельными .
Если же при получении энергии один из двух электронов переходитв триплетное (метастабильное) возбужденное состояние, их спины становятся одинаково направленными. Следует отметить, что прямой переход из основного синглетногов триплетное возбужденное состояние мало вероятен. Поэтому переход электрона вТриплетное 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.----Во-первых,отдавчастьэнергииввидетеплаиизлучивквантсвета,2.5).молеку-Второе возбужденноесинглетное состояние65"'\)=u8"'~а~Первое возбужденноеЕ-синглетное состояние~:ж::s:u~:s:~"'\)=u:ж::s::ж:S"оа~о :ж:~Ео1::Е оо"'~=:f;~=rТеплота~.., "'а~uр..gоЕ-<о~Е-состояние~'u~~§ ~'еоТриплетное:ж:о..,o&=r-:.::u~"':rЕ-<:s: о:s:~ "'р..~\О-Основное состояниеРис .2.5.Энергетические состояния молекулы хлорофилла.ла может перейти в основное состояние.
Такое явление называется флуоресv,ен:цией. Согласно правилу Стокса, длина волны флуоресценции больше со~твуюЩilх длин волн поглощения (рис. 2.6). Джордж Габриель Стоке (G. G. Stokes) - британский физик и математик, который занимался исследованием оптических свойствхлорофилла.35ФлуоресценцияПоглощение(излучение)Длина волныРис .2 .6.Спектры поглощения и излучения молекул .Иной путь расходования энергии наблюдается, когда при возбуждении происходитизменение знака спина электрона и молекула хлорофилла переходит в метастабильноетриплетнее состояние, имеющее гораздо большее время жизни (порядка 10- 3- lo- 2 c) .·Это объясняется тем, что возбужденный электрон приобретает тот же знак спина, чтои невозбужденный электрон, оставшийся на основном уровне . Согласно принципу Паули , на одном энергетическом уровне не может быть двух электронов с одинаковымиспинами .
Это не позволяет возбужденному электрону в триплетнем состоянии занятьэлектронную <<дырку» на основном энергетическом уровне до тех пор, пока не произойдет обратная смена знака спина.Из триплетиого состояния молекула может вернуться в основное энергетическое состояние, излучив квант света более длинноволновый, чем при флуоресценции . Такоесвечение называют фосфоресценцие-й (см. рис.2.5).Однако более важной особенностьюмолекул в триплетнmr состоянии является способность участвовать в фотохимическихпревращениях, поскольку продолжительность их жизни сопоставима со скоростями химических процессов .
В результате становится возможным превращение световой энергии в химическую; при этом резко возрастает вероятность того, что молекула хлорофилла, находясь в возбужденном состоянии, успеет прореагировать с дРУГОЙ молекулой . Общепринятые представления о том, что у молекулы хлорофилла фотохимическиактивным является именно долгоживущее триплетвое состояние, впервые было обосновано в1943г.
А. Н . Терениным. Он выявил, что молекула хлорофилла <<сконструирована» таким образом, что способна удерживать энергию кванта света в триплетнемвозбужденном состоянии в течение времени, достаточного для совершения химическойработы .Структура хлорофилла очень хорошо Приспособлена для того, чтобы служить посредником в фотохимических процессах в ходе фотосинтеза. Возбужденная светоммолекула хлорофилла приобретает способность участвовать в окислительно-восстановительных процессах, т. е.
отдавать или принимать электроны. Хлорофилл являетсяхорошим сенсибилизаторо.м - легко возбуждается при логлощении света и обладаетспособностью передавать энергию (служить донором энергии) дРУГИМ молекулам (акцепторам энергии) . Передача энергии возможна лишь при условии, что спектр флуоресценции пигмента-донора перекрывается со спектром логлощения пигмента-акцепто-36с оонСООН1СН12снz1CHNH 21СООН1------/1СН122С=О1CH 7 NH 2/Глутаr.rnноваякислотаСН5-аминолевулиноваякислота/НООС~СООН----N1нПорфобилиноген\СООНСООНПротопорфиринСН 3NADPH,\IXсветПротохлорофWLЛuдоксидоредуктазасн 3соонсн3соосн 3 оХлорафиллид аМоновинилпротохлорофиллид аХлорофиллаРис.2.7.Биосинтез молекулы хлорофилла.37ра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
