Светочувствительные пигменты клетки

Светочувствительные пигменты клетки
Cветочувствительные пигменты клетки - это окрашенные вещества, содержащиеся в клетке, которые
способны поглощать, запасать [показать], передавать [показать] и преобразовывать энергию солнечного
света определенной длины волны (см световую стадию фотосинтеза).
Пигменты делятся на два класса:
1. тетрапиррольные соединения (хлорофиллы (магнийпорфирины) - пигменты высших растений и
фикобилины – пигменты водорослей)
2. полиизопреноидные соединения - разнообразные каротиноиды
В каждой из этих групп пигментов путем модификации основной структуры образуется несколько химически
различных структур, имеющих максимумы поглощения в разных частях видимой области электромагнитного
спектра. Известно 10 различных структурных форм хлорофиллов (хлорофиллы а, b, с, d, е,
бактериохлорофиллы а, b,с, d и протохлорофилл), несколько форм фикобилинов, более 100 различных
модификаций каротиноидов.
Кроме того, одна и та же химическая структура в живом листе в комплексе с белками и липидами образует
целую серию так называемых "нативных" форм. Так, для хлорофилла а известно около 10 таких спектрально
различных форм, из них 4 формы с максимумами поглощения в красной части спектра считаются
универсальными - 661, 670, 678, 683 нм. Для каротиноидов известно несколько различных состояний одной и
той же структуры: например, максимум поглощения β-каротина мономерного - 450 нм, в комплексе с белком 455 - 460 нм, кристаллического - 540 нм. В итоге формируется мощная фоторецепторная система с большим
набором различных спектральных форм. Это определяет поглощение большей части видимой области
спектра (от 400 до 800 нм) - так называемую фотосинтетически активную радиацию (ФАР) с энергией квантов
от 1 до 3 эВ, и высокую эффективность миграции энергии в пигмент-белковых комплексах хлоропластов.
Из большого числа разнообразных пигментов только две структуры - хлорофилл а и бактериохлорофилл а способны осуществлять преобразование энергии, все остальные пигменты участвуют в процессах
поглощения и миграции энергии.
Хлорофиллы
Из пигментов данного класса наиболее важны хлорофилл а и хлорофилл b. Основным функциональным
пигментом из них является хлорофилл а, который обнаружен у всех фотосинтезирующих организмов (кроме
бактерий), тогда как хлорофилл b представлен у высших растений, у зеленых водорослей и эвгленовых. У
бурых и диатомовых водорослей вместо хлорофилла b присутствует хлорофилл с, а у многих красных
водорослей - хлорофилл d. Хлорофилл а служит непосредственным донором энергии для фотосинтетических
реакций. Остальные пигменты, лишь передают поглощенную энергию хлорофиллу а.
По химической природе хлорофиллы а и b – сложные эфиры дикарбоновой кислоты хлорофиллина и двух
спиртов – метилового спирта (СН3OH) и фитола (C20H39OH). Эмпирическая формула - С55H72O5N4Mg.
Хлорофилл представляет собой азотсодержащее металлоорганическое соединение, относящееся к
магнийпорфиринам (рис.1.).
Хлорофилл b отличается от хлорофилла а лишь тем, что у третьего углеродного атома во втором
пиррольном кольце его молекулы метильная группа (-СН3) заменена на альдегидную (-СНО).
К числу основных элементов структуры хлорофиллов относятся:




центральный атом магния[показать]
циклическая 18-членная система сопряженных связей [показать]
циклопентанное кольцо[показать]
фитол (у бактериохлорофиллов с и d - фарнезол) [показать]
В центре молекулы хлорофилла расположен атом магния, который соединен с четырьмя пирольными
кольцами через 4 атома азота. Пирольное кольцо, состоящее из 4-х атомов углерода и атома азота, является
хромофором, способным поглощать энергию инфракрасной области спектра и обеспечивать окраску.
Замыкание пиррольных колец метиновыми мостиками (α, β, γ, δ) в тетрапиррольную структуру образует
порфириновое ядро хлорофилла - сложную систему из 9 пар конъюгированных (сопряженных) чередующихся
двойных и одинарных связей с общим π-электронным облаком, объединяющим 4 пиррольных кольца в
единый цикл. Такая система допускает возможность различных перестроек и проявление разнообразных
свойств простых и двойных связей кольцевой структуры. Это резонансная система, которая описывает
различные пути перераспределения внешних π-электронов, которые принадлежат всей системе, а не
относятся к какому-либо одному атому или одной связи, без сдвига в положении какого-либо из образующих
ее атомов. Для перехода таких π-электронов на внешнюю орбиталь нужно лишь небольшое количество
энергии.
В структуре молекулы хлорофилла помимо порфиринового ядра имеется циклическая группировка из пяти
углеродных атомов - циклопентанона. В циклопентановом кольце содержится кетогруппа, обладающая
большой реакционной способностью. Есть данные, что в результате процесса энолизации по месту этой
кетогруппы к молекуле хлорофилла присоединяется вода.
Структура, состоящая из тетрапиррольного и циклопентанового колец, получила название форбина.
Боковая цепь IV пиррольного кольца включает в себя пропионовую кислоту, связанную сложноэфирной
связью с полиизопреновым непредельным спиртом фитолом (С20H39OH). Структура хлорофилла лишенная
фитола, называется хлорофиллидом. При замещении атома магния протонами в молекуле хлорофилла
образуется соответствующие феофетины.
У 1, 5 и 8-го углеродов пириновых колец имеются метильные группы, у 3 - хлорофилл а имеет метильную
группу, хлорофилл b - формильную группу. У 2-го углерода - винильная, у 4-го - этильная группа.
Флуоресценция хлорофилла
Флуоресценция – испускание возбужденной молекулой хлорофилла света. Суть ее состоит в следующем.
При комнатной температуре и в темноте молекула хлорофилла находится в основном состоянии, т.е. энергия
ее соответствует нижнему синглетному уровню (So). Поглощение кванта света сопровождается переходом
одного из пи-электронов на более высокий энергетический уровень. В результате возникает синглетное
электронно-возбужденное состояние молекулы.
Синглетным называется такое возбужденное состояние, при котором переход электрона на более высокий
энергетический уровень не сопровождается изменением знака спина. В спектрах поглощения ему
соответствует одна линия. Если при этом поглощается квант красного света, то электрон переходит на
первый синглетный уровень (S1) с энергией 1,7 эв и временем жизни 10–8–10–9с. В случае захвата кванта
синего света электрон оказывается на втором синглетном уровне (S2) с энергией 2,9 эв, а время жизни такого
состояния уменьшается до 10–12–10–13с. Однако независимо от того, в какое электронно-возбужденное
состояние молекула была переведена поглощенным квантом, она, в конечном счете, переходит на низший
колебательный подуровень первого синглетного возбужденного состояния (S1). Энергия этого состояния
может использоваться на осуществление фотохимических процессов, мигрировать от одной молекулы
хлорофилла к другой, растрачиваться в виде тепла или флуоресцентного излучения.
Таким образом, независимо от длины возбуждающего света хлорофилл флуоресцирует только в красной
части спектра. Уменьшение энергии кванта, излученного возбужденной молекулой, по сравнению с энергией
поглощенного кванта получило название стоксового сдвига. Флуоресцируют только хлорофилл а и
хлорофилл b; каротиноиды не обладают этой способностью. В живом листе основным флуоресцирующим
пигментом является хлорофилл а. При этом в листьях флуоресценция выражена гораздо слабее, чем в
растворе, так как часть поглощенной энергии используется на сенсибилизирование фотохимических реакций.
Поэтому возрастание интенсивности фотосинтеза, как правило, влечет за собой ослабление флуоресценции.
Флуоресценция не только дает ценные сведения об использовании энергии в фотохимических процессах, но
и является важной характеристикой взаимодействия молекул различных пигментов в ламеллах тилакоидов
хлоропласта, миграции энергии в фотосистемах и т.д.
Флуоресценцию можно наблюдать в живом листе. Для этого берут элодею канадскую (Elodea canadensis
Michx.), помещают объект на предметный столик микроскопа и освещают сине-фиолетовыми лучами, под
действием которых зеленые пластиды начинают светиться красным светом.
Анализ химического строения молекулы хлорофилла а показывает, что данная структура прекрасно
приспособлена для выполнения трех основных функций в фотосинтезе:
 поглощения энергии
 запасания энергии
 преобразования энергии электронного возбуждения в химическую энергию первичного окислителя и
восстановителя (см световую стадию фотосинтеза).
Фикобилины
По структуре фикобилины (от греч. "phycos" - водоросль и лат. bilis - желчь) относятся к группе желчных
пигментов - билинов (у животных представитель этой группы - билирубин). Это тетрапирролы с открытой
цепью, имеющие систему конъюгированных двойных и одинарных связей. В своем составе они не содержат
атомов магния или других металлов, а также фитола.
У фикоцианобилина пиррольные кольца соединены между собой метиновыми мостиками. I и IV пирролы
имеют по одной карбонильной группе. Пиррольные кольца содержат следующие боковые радикалы: четыре
метИльных (у С1, 3, 6, 7), винильную (у С2), этильную (у С8) и два остатка пропионовой кислоты (у С4 и С5).
Фикобилины являются хромофорными группами фикобилипротеинов - глобулиновых белков, с которыми в
отличие от хлорофиллов они связаны прочными ковалентными связями. Фикобилипротеины делятся на три
основные группы:
1. фикоэритрины - белки красного цвета с максимумом поглощения от 498 до 568 нм,
2. фикоцианины - сине-голубые белки с максимумами поглощения от 585 до 630 нм,
3. аллофикоцианины - синие белки с максимумами поглощения от 585 до 650 нм.
Все эти хромопротеины обладают флуоресценцией с максимумами 575-578, 635-647 и 660 нм
соответственно.
Максимумы поглощения света у фикобилинов находятся между двумя максимумами поглощения у
хлорофилла: в оранжевой, желтой и зеленой частях спектра (см. рис. 3). Значение такого распределения
максимумов поглощения становится понятным, если вспомнить оптические свойства воды, которая
поглощает прежде всего длинноволновые лучи. На глубине 34 м в морях и океанах полностью исчезают
красные лучи, на глубине 177 м - желтые, на глубине 322 м - зеленые и, наконец, на глубину свыше 500 м не
проникают даже синие и фиолетовые лучи. В связи с таким изменением качественного состава света в
верхних слоях морей и океанов обитают преимущественно зеленые водоросли, глубже - синезеленые и еще
глубже - водоросли с красной окраской.
В.Т. Энгельман назвал это явление хроматической комплементарной адаптацией водорослей. По его
наблюдениям (1881-1884), наиболее интенсивная ассимиляция СО2 у водорослей с различной окраской
соответствует максимумам поглощения света пигментными системами этих водорослей.
Русский исследователь Н. М. Гайдуков (1903) экспериментально показал, что если культуру синезеленой
водоросли Oscillaria sancta выращивать на свету разного спектрального состава, то у нее развивается
дополнительная (комплементарная) окраска. При освещении зеленым светом водоросли становятся
оранжево-красными, а при действии красных лучей - зелеными. В настоящее время известно, что эти
изменения цвета клеток связаны с изменениями в синтезе фикобилинов, принимающих участие в процессе
фотосинтеза.
Таким образом, у водорослей фикобилины - дополнительные пигменты, выполняющие вместо хлорофилла b
функции светособирающего комплекса. Около 90% энергии света, поглощенного фикобилинами, передается
на хлорофиллы а. Явление хроматической комплементарной адаптации обнаружено далеко не у всех видов
синезеленых и красных водорослей. У многих из них адаптация к изменяющемуся спектральному составу
света обеспечивается изменением количества и состава хлорофиллов а.
Кроме фикобилинов, участвующих в фотосинтезе у водорослей, у всех растений имеется другой фикобилин фитохром, являющийся фоторецептором для восприятия красного и дальнего красного света и выполняющий
регуляторные функции [показать]
Каротиноиды
Каротиноиды - жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого, красного цвета - присутствуют в
хлоропластах всех растений. Они входят также в состав хромопластов в незеленых частях растений,
например в корнеплодах моркови, от латинского наименования которой (Daucus carota L.) они и получили
свое название. В зелёных листьях каротиноиды обычно незаметны из-за присутствия хлорофилла, но
осенью, когда хлорофилл разрушается, именно каротиноиды придают листьям характерную желтую и
оранжевую окраску. Каротиноиды синтезируются также бактериями и грибами, но не животными
организмами. В настоящее время известно около 400 пигментов, относящихся к этой группе.
К каротиноидам относятся три группы соединений:
1. оранжевые или красные пигменты каротины - непредельные углеводороды с эмпирической
формулой С40Н56. По своей химической структуре они являются ациклическими, моноциклическими
и бициклическими соединениями. При этом в циклических каротинах шестичленные кольца
представлены двумя типами: β-иононовыми и α-иононовыми. В фотосинтезирующих организмах эта
группа желтых пигментов представлена ликопином, β-каротином, α-каротином и γ-каротином. У
высших растений основным каротином является β-каротин.
2. желтые ксантофиллы - кислородсодержащие производные каротинов, включающие в себя лютеин
(С40Н56О2), зеаксантин (C40Н56O4), виолаксантин (С40Н56О4), неоксантин (C40H5604) (рис. 2a.). Среди
названных ксантофиллов преобладает лютеин, который по химической структype очень близок к βкаротину, но в отличие от него является двухатомным спиртом, т.е. в каждом иононовом кольце,
один атом водорода замещен на гидроксильную группу.
3. каротиноидные кислоты - продукты окисления каротиноидов с укороченной цепочкой
карбоксильными группами (например, С20Н24О4 - кроцетин, имеющий две карбоксильные группы)
и
Все каротиноиды - полиеновые соединения. Каротиноиды первых двух групп состоят из восьми остатков
изопрена, которые образуют цепь конъюгированных двойных связей. Каротиноиды могут быть ациклическими
(алифатическими), моно- и бициклическими. Циклы на концах молекул каротиноидов являются производными
ионона (рис. 2а.). Примером ациклического каротиноида может служить ликопин (С 40Н56) - основной каротин
некоторых плодов (в частности, томатов) и пурпурных бактерий.
β-Каротин имеет два β-иононовых кольца (двойная связь между С5 и С6). При гидролизе β-каротина по
центральной двойной связи образуются две молекулы витамина А (ретинола). α-каротин отличается от βкаротина тем, что у него одно кольцо β-иононовое, а второе - ε-иононовое (двойная связь между С4 и С5).
Ксантофилл лютеин - производное α-каротина, а зеаксантин — β-каротина. Эти ксантофиллы имеют по одной
гидроксильной группе в каждом иононовом кольце. Дополнительное включение в молекулу зеаксантина двух
атомов кислорода по двойным связям С5—С6 (эпоксидные группы) приводит к образованию виолаксантина.
Название "виолаксантин" связано с выделением этого соединения из лепестков желтых анютиных глазок
(Viola tricolor). Зеаксантин впервые получен из зерновок кукурузы (Zea mays). Лютеин (от лат. luteus —
желтый) содержится, в частности, в желтке куриных яиц. К наиболее окисленным изомерам лютеина
относится фукоксантин (С40Н56О6) — главный ксантофилл бурых водорослей.
Основные каротиноиды пластид высших растений и водорослей — β-каротин, лютеин, виолаксантин и
неоксантин.
Функции каротиноидов:
 являются дополнительными пигментами;
 защищают молекулы хлорофилла от фотоокисления;
 играют роль в кислородном обмене при фотосинтезе
Оптические свойства пигментов
Поверхности Земли достигает солнечный свет широкого спектра. Однако живые организмы не могут
поглотить весь спектр излучения, достигающий Земли, в силу того, что каждый пигмент имеет свой
характерный спектр поглощения, который зависит от химической структуры молекулы пигмента. Пластидные
пигменты избирательно поглощают свет в пределах видимой части спектра (380-720 нм):
 спектр поглощения хлорофилла а и b имеет два ярко выраженных максимума - в красной области –
соответственно 640 и 660 нм и в сине-фиолетовой – 430 и 450 нм. Минимум поглощения лежит в
зоне зеленых лучей. Этим и объясняется зеленая окраска пигментов. Необходимо помнить, что в
живом листе, где химическая структура молекулы хлорофилла отличается от химической структуры
выделенного хлорофилла за счет связей с другими веществами (белками, липидами), максимумы
поглощения отличны от мaксимумов поглощения в растворах. В листе также более широкие и
выровненные спектры поглощения.
 Спектры поглощения каротиноидов характеризуются двумя полосами в фиолетово-синей и синей
области от 400 до 500 нм. Количество и положение максимумов поглощения зависят от
растворителя. Этот спектр поглощения определяется системой конъюгированных двойных связей.
При увеличении числа таких связей максимумы поглощения смещаются в длинноволновую область
спектра.
 Спектры поглощения фикобилинов имеют, как правило, один главный максимум, расположенный в
желто-зеленой области спектра, лучи которого наиболее глубоко проникают в толщу воды. В клетках
водорослей фикобилины образуют последовательный ряд функционально связанных пигментных
комплексов, включающих коротковолновые пигменты (фикоэритрин, 570 нм) и пигменты с более
длинноволновым максимумом (фикоцианин, 630 нм; аллофикоцианин, 650 нм и аллофикоцианин В,
670 нм). Такое расположение пигментов позволяет с высокой скоростью и эффективностью
осуществлять процессы миграции энергии, поглощаемой фикобилинами, на хлорофилл с.
Для фикобилипротеидов характерна яркая флуоресценция: у фикоэритина - оранжевая с
максимумом около 575 нм, у аллофикоцианина - красная с максимумом 660 нм. При денатурации
белка и нарушении связей простетические группы фикобилинов теряют способность
флуоресцировать.
Для установления спектра поглощения пигментов используют спектроскоп.