Роль пигментов в фотосинтезе

Из физики известно следующее: 1) только поглощенный свет может производить химическое действие; 2) поглощенный квант света активирует лишь одну молекулу пигмента; 3) вся энергия кванта поглощается только.

одним электроном, который в результате поднимается на более высокий энергетический уровень; на основном уровне остается электронная дырка (электронная недостаточность). Такое состояние молекулы пигмента называется возбужденным; при этом поглощенная энергия запасается в виде энергии электронного возбуждения. В тексте или на рисунке около названия или формулы возбужденной молекулы ставят звездочку (*).

Известно два основных типа возбужденных состояний — синглетное (S) и триплетное (Г). Они отличаются по энергии и состоянию спина электрона. В синглетном возбужденном состоянии спины электронов на основном и возбужденном уровнях остаются антипараллельными, при переходе в триплетное состояние происходит поворот спина возбужденного электрона с образованием бирадикальной системы. При поглощении кванта молекула хлорофилла переходит из основного состояния (5₀) в одно из возбужденных состояний — S_{ или S₂, что сопровождается переходом электрона на возбужденный уровень с более высокой энергией (рис. 4.7), но направление спина сохраняется.

Рис. 4.7. Переходы между возбужденными состояниями хлорофилла после поглощения кванта красного или синего света^1.

Возбужденное состояние S₂ — очень нестабильно. Электрой быстро, в течение 10-10—к) —¹² с, теряет часть энергии в виде тепла и опускается на нижний колебательный уровень 5j, где может находиться в течение 10^-9 с. Затем он теряет поглощенную энергию и возвращается на свое место или переходит к другому веществу, при этом поглощенная энергия может выделиться в виде света (флуоресценция, фосфоресценция), в виде тепла или использоваться в фотохимической реакции (для синтеза АТФ из АДФ). В последнем случае мы говорим, что световая энергия превратилась в химическую. В состоянии S_{ может произойти поворот спина возбужденного электрона и переход его в триплетное состояние Т_х, энергия которого ниже Зеленые и желтые пигменты играют в фотосинтезе разную роль. Еще в 1932 г. Р. Эмерсон (США) разделил фотосинтетические пигменты на две группы: пигменты-сборщики и пигменты-ловушки. Пигменты-сбор- ^1[1]

тики — это пигменты, которые поглощают свет и передают поглощенную энергию квантов пигменту-ловушке. Пигмент-ловушка — это пигмент, который, получив энергию, может потерять электрон, что приводит к разделению зарядов:

В результате молекула пигмента-ловушки окисляется. Разделение зарядов является функцией реакционного центра. Реакционный центр (РЦ) представляет собой пигмент-белковый комплекс, содержащий пигментловушку.

Разделение зарядов в РЦ включает три стадии:

• 1) первичное разделение зарядов;
• 2) фотоокисление пигмента;
• 3) восстановление пигмента.

При оптимальном освещении этот процесс происходит 100—200 раз в 1 с.

У высших растений выделено два основных реакционных центра, включающих пигменты П₇₀₀ или П₆₈₀. П₇₀₀(Р₇₀₀) и П_Г)80(Р₆₈₀) — это пигментыловушки, на долю которых приходится около 1% всех фотосинтетических пигментов. Они представляют собой особые формы хлорофилла а. П (Р) — это первая буква русского (или латинского) слова «пигмент» (pigmentum), а цифра около буквы показывает, что максимум поглощения света приходится у пигмента на длину волны 700 или 680 нм. Этим пигментам принадлежит главная роль в фотосинтезе. В результате первичного разделения зарядов в РЦ энергия возбужденного состояния хлорофилла преобразуется в химическую энергию.

Выше было сказано, что молекулы пигментов образуют комплексы с белками и липидами. Образование комплекса влияет на поглощение света пигментом. В результате для хлорофилла а известно 10 спектрально различных форм. Из них четыре формы с максимумами поглощения в красной части спектра считаются универсальными: 661, 670, 678 и 683 нм. Для каротиноидов известно несколько различных состояний одной и той же структуры. Например, максимум поглощения мономерного (3-каротина — 450 нм, каротина в комплексе с белком — 455—460 нм, кристаллического — 540 нм. В итоге формируется мощная светопоглощающая система с большим набором различных спектральных форм. Это приводит к поглощению большей части видимого спектра (от 400 до 800 нм) — так называемой фотосинтетически активной радиации (ФАР).

Более коротковолновые формы хлорофилла (661, 670, 678 нм) участвуют главным образом в поглощении энергии, более длинноволновые формы (683 нм) — в процессах ее миграции, а пигменты реакционных центров (П_б80, П₇₀₀) — в процессах превращения энергии.

Сборщиками являются 99% всех пигментов; это вспомогательные пигменты, образующие светособирающие (антенные) комплексы (ССК), и только 1% находится в РЦ и непосредственно участвует в преобразовании энергии. Каждый ССК содержит несколько сотен молекул хлорофиллов и каротиноидов. Пигменты-сборщики передают поглощенную ими энергию с помощью резонанса пигменту-ловушке. Передача энергии происходит от каротиноидов к хлорофиллу и от одной молекулы хлорофилла к другой; от пигментов, поглощающих свет меньшей длины волны, к пигментам, поглощающим свет большей длины, т. е. от коротковолновых пигментов к более длинноволновым.

Хлорофилл b в реакционном центре очень редко возбуждается под действием прямого поглощения кванта света, чаще всего это происходит благодаря получению энергии от расположенных рядом пигментов. Каротиноиды относительно плохо передают энергию. Время передачи энергии от одной молекулы хлорофилла к другой равняется 1—2 10 ¹² с, от молекулы каротиноида к хлорофиллу — 4 • 10~¹⁰ с.

Для того чтобы энергия возбуждения одного пигмента могла передаться молекуле другого, они должны располагаться в определенной последовательности и между ними должны быть очень маленькие расстояния (1,15 нм). Это возможно благодаря тому, что пигменты-сборщики располагаются в мембранах тилакоидов. В светособирающем комплексе молекулы пигментов ориентированы определенным образом относительно мембраны хлоропласта и друг друга. Пигменты-сборщики, передавая поглощенную энергию ловушке, способствуют использованию для фотосинтеза тех лучей, которые самим пигментом-ловушкой не поглощаются.

В процессе передачи часть энергии теряется в виде тепла. Потеря энергии приводит к превращению квантов в более мелкие, т. е. с большей длиной волны. Именно поэтому пигменты-ловушки П₇₀₀ и П₆₈₀ являются более длинноволновыми. Перенос энергии в обратном направлении невозможен.

Итак, функция пигментов ССК — поглощение и передача энергии квантов в реакционные центры П₆₈₀ и П₇₀₀, которые осуществляют фотохимические реакции. Фотохимические процессы в реакционных центрах приводят к быстрому запасанию энергии квантов света в форме лабильных химических соединений с высоким энергетическим потенциалом. Дальнейшие реакции фотосинтеза направлены на преобразование энергии света в более стабильную форму восстановленного НЛДФ и ЛТФ, которые затем используются для синтеза углеводов и других стабильных органических соединений в темповой фазе фотосинтеза.

Каротиноиды не только передают поглощенную световую энергию хлорофиллу (функция антенны), но и выполняют защитную (фотопротекторную) функцию. Поглотившая квант света молекула хлорофилла способна прореагировать с кислородом атмосферы, в результате чего молекула хлорофилла переходит в основное состояние и образуется активный кислород, который может вызвать повреждение хлорофиллов и мембран. Каротиноиды защищают клетку от образования активного кислорода: забирают энергию от хлорофилла и выделяют ее в виде тепла (см. параграф 4.6). У растений-мутантов, не имеющих каротиноидов, в аэробных условиях хлорофилл быстро разрушается, и они погибают.

В последнее время появилась информация о том, что ксантофиллы не переносят энергию возбуждения на хлорофилл а, что их главная функция — предотвратить образование крайне опасных форм активного кислорода.

Контрольные вопросы

• 1. Что такое пигмент?
• 2. Какие пигменты участвуют в фотосинтезе высших растений?
• 3. Что представляет собой хлорофилл по химической природе?
• 4. Чем отличается хлорофилл а от хлорофилла №
• 5. Какими химическими и физическими свойствами обладает хлорофилл?
• 6. На какие части делят молекулу хлорофилла по свойствам? Какую функцию выполняет каждая часть молекулы?
• 7. Какой свет хлорофиллы поглощают максимально?
• 8. Что такое флуоресценция? Что она доказывает?
• 9. Как синтезируется хлорофилл? От каких условий зависит его синтез?
• 10. Па какие группы делятся каротиноиды? Что они представляют собой по химической природе? Какими свойствами они обладают?
• 11. Как и в каких условиях синтезируются каротиноиды?
• 12. Какие лучи света каротиноиды поглощают максимально?
• 13. Какие законы поглощения света вы знаете?
• 14. Какая молекула считается возбужденной?
• 15. Что происходит с молекулой хлорофилла, поглотившей квант света?
• 16. На что может быть израсходована энергия поглощенного кванта?
• 17. Чем отличается пигмент-ловушка от пигмснта-свстосборщика?
• 18. Как поглощенная энергия передастся от одного пигмента к другому?
• 19. Чем отличается роль в фотосинтезе хлорофилла а от роли хлорофилла Ы
• 20. Что такое П₇₀₀ и П_г>80?
• 21. Какую роль играют в фотосинтезе каротиноиды?
• 22. Что такое светособирающий комплекс?

• [1] Цит. по: Либберт Э. Физиология растений. М.: Мир, 1976. С. 161.