Биогенез хлоропластов подвергается кон­тролю и регуляции со стороны внешних и внутренних факторов. Выделяют световую (фоторегуляция), гормональную и генетическую регуляции

Для транспорта в хлоропласты на N-конце белков должен находиться сиг­нальный пептид, состоящий из 40 — 50 аминокислот. Белок транс­портируется в строму хлоропластов в местах «слипания» их мембран. Транс­порт требует энергии в виде АТФ.

Белки кодируемые в пластидном геноме

Хлоропласты высших растений содержат около 40 генов, кодирующие «ра­бочие» белки пластид. У разных организмов набор генов хлоропластного гено­ма может быть различным. В целом можно отметить следующую закономер­ность: функциональные белки фотосинтетического аппарата чаще кодируются в геноме хлоропластов, тогда как регуляторные или «дополнительные» — в ядерном геноме. Например, в хлоропластом геноме кодируются основные белки реакционных центров обеих фотосистем, апопротеины цитохромов и ά и β-субъединицы АТФ-синтазы, большая (каталитическая) субъединица рибулезобисфосфаткарбоксилазы (Рубиско). Под ядерным генетическим контролем находится весь спектр антенных хлорофиллсвязывающих белков, малая (регуляторная) субъединица Rubisco.

ТРАНСПОРТ ЦИТОЗОЛЬНЫХ БЕЛКОВ В ПЛАСТИДЫ

Если белок должен остаться в строме, то довольно сложный комплекс шаперонов, составленный из больших (Hsp60, мол. масса 60 кДа) и малых (10 кДа) субъединиц, обеспечивает его сворачивание в АТФ-зависимом про­цессе. Наоборот, белки, которые предназначены для люмена тилакоидов либо их мембран, поддерживаются шаперонами в развернутой форме, что необхо­димо для их дальнейшего транспорта. Белки, направляемые к внешней мемб­ране, не транспортируются в строму, а попадают в мембрану непосредственно из цитозоля.

Белки, предназначенные для тилакоидов, содержат два сигнальных пепти­да («стромальный» и «люменальный), расположенных последовательно один за другим. Первый пептид направляет белок в строму хлоропласта. В строме протеаза удаляет «стромаль­ный» пептид, что «открывает» второй лидерный пептид, который обеспечива­ет дальнейший транспорт белка через мембрану тилакоида. В люмене тилакоида второй сигнальный пептид отщепляется протеазой, и белок либо остается в люмене, либо встраивается в мембрану тилакоида.

БИОГЕНЕЗ ХЛОРОПЛАСТОВ

Основные этапы образования хлоропластов. Предшественники хлоропла­стов — пропластиды. Они образуются из инициальных частиц с зачатков, содержащихся в меристематических клетках. Их образование свя­зано с разрастанием внутренней мембраны оболочки и образованием из нее нескольких складок, направленных внутрь. Формирование хлоропласта может осуществляться двумя путями: непо­средственно из пропластид и опосредованно, через образование этиопластов.

Первый путь биогенеза хлоропластов — непосредственное преобразование про­пластид в хлоропласты — реализуется при росте растений в условиях нормаль­ного соотношения дня и ночи. Пропластиды меристематических клеток листа превращаются в хлоропласты параллельно с ростом и дифференцировкой кле­ток листа. Биогенез хлоропластов сопровождается формированием тилакоидных мембран хлоропластов при участии внутренней мембраны оболочки про­пластиды.

Второй путь — образование хлоропластов из этиопластов. Этиопласты — органеллы клеток растения, растущего в отсутствие света (этиолированного расте­ния). Они образуются из пропластид и имеют некоторые особенности внутрен­него строения: содержат проламелярное тело, сформированное в результате скопления ограниченных мембраной пузырьков и разветвленных трубчатых структур. Мембраны проламелярного тела содержат небольшие количества каротиноидов и предшественника хлорофилла — протохлорофиллида. Формиро­вание тилакоидных мембран хлоропластов в этиопластах происходит при уча­стии мембран проламелярного тела в ответ на освещение.

Таким образом, формирование хлоропласта происходит только на свету.

Выделяют три этапа фотоморфогенеза хлоропластов из этиопластов.

На первом этапе из трубчатых элементов проламелярных тел образуются крупные пузырьки, располагающиеся по радиусу. Этот процесс сопровож­дается образованием хлорофилла из имеющегося в этиопластах протохлорофиллида.

На втором этапе происходит накопление белков, липидов, пигментов и само­сборка мембран тилакоидов. Свет активирует синтез белков внутренних мемб­ран хлоропластов и фотосинтетических пигментов. Самосборка мембран идет на основе белковых компонетов, синтезируемых как в хлоропластах, так и в цитозоле, при скоординированной работе их белоксинтезирующих систем и транспорте белковых компонентов из цитоплазмы в хлоропласт. В основе само­сборки мембран лежат физико-химические процессы (гидрофобные и элект­ростатические взаимодействия), а также «молекулярное узнавание», обуслов­ленное конформационными взаимодействиями.

На третьем этапе происходит формирование гран. Эта стадия совпадает с интенсивным синтезом хлорофилла. Для формирования гран необходим высо­кий уровень содержания хлорофиллов в хлоропластах, при этом особенно важ­на концентрация хлорофилла b. Хлорофилл b входит главным образом в состав CCKII — антенного комплекса ФСП. Сборка ССК2 в мембранах определяет возможность образования гран в хлоропластах.

Белки CCKII, связывающие хлорофилл Ь, кодируются генами ядра, их экс­прессия регулируется светом.

Фоторегуляция связана с активацией светом синтеза пигментов и белков, входящих в светособирающие комплексы. Контроль синтеза фотосинтетиче­ских пигментов (хлорофиллов и каротиноидов) основан на регуляции светом активности осуществляющих его ферментов. Фо­торегуляция синтеза белков хлоропластов осуществляется на генетическом уровне. В регуляции биогенеза хлоропластов участвуют сигнальные фоторецепторные системы — фитохромная система и рецепторы синего света.

Гормональная регуляция связана с влиянием на синтез пигментов и белков хлоропластов ряда фитогормонов. Так, цитокинины, активируя синтез хлоро­филлов, способствуют формированию структуры хлоропла­ста. Этилен, напротив, ингибирует развитие листьев и дифференцировку хло­ропластов в этиолированных проростках .

Генетическая регуляция включает реализацию генетической информации, включая транскрипцию, транс­ляцию, процессинг, транспорт белков, сборку мультипептидных комплексов. Обнаружена регуляция экспрессии ряда генов ядерной ДНК, обслуживающих хлоропласт светом, гормонами, продуктами фотосинтеза.

ПИГМЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ

Хлорофиллы

Из­вестно 10 различных структурных форм хлорофиллов (хлорофиллы а, b, с, d, е, бактериохлорофиллы а, Ь, 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. В итоге формируется мощная фоторецепторная система с боль­шим набором различных спектральных форм.

Рассмотрим важнейшие из них. Хлорофилл а — универсальный пигмент высших растений и водорослей. У не­которых водорослей (синезеленых, некоторых красных) он представляет един­ственную форму хлорофилла. Максимум поглощения в органических раство­рителях в красной области спектра находится при длинах волн 660 — 664 нм.

Хлорофилл в — дополнительный пигмент высших растений и водорослей, впервые появляется у эвгленовых водорослей, заменяя фикобилины. Отлича­ется от хлорофилла а наличием альдегидной группы вместо метальной —СН₃ во II пиррольном кольце. Красный максимум поглощения в ацетоне 645 нм.

Хлорофилл с — дополнительный пигмент бурых и диатомовых водорослей. Он содержит магний, не этерифицирован фитолом, связь 7=8 не гидрирована, остаток пропионовой кислоты при С₇ имеет двойную связь: —СН=СН—СООН.

Хлорофилл d — дополнительный пигмент красных водорослей, отличается от хлорофилла а наличием альдегидной группы при С₂ вместо —СН=СН₂. Красный максимум поглощения в органических растворителях 686 нм.

Бактериохлорофилл а — главный пигмент у фотосинтезирующих бактерий. Красный максимум поглощения — 770—780 нм. Центральный атом магния определяет важнейшие физические и химические свой­ства молекулы магнийпорфирина. Включение магния в тетрапиррольную струк­туру значительно изменяет спектральные свойства хлорофилла.

Магний и кетоэфирная группа в молекуле хлорофилла являются глав­ными компонентами для формирования димерных структур пигментов реак­ционного центра.

Фитол представляет собой полиизопреноидную цепь, состоящую из 20 уг­леродных атомов (спирт фитол — С₂оН₃₉ОН), и является гидрофобным ради­калом молекулы хлорофилла. Фитольная цепь не находится в электронном со­пряжении с макроциклом и поэтому практически не влияет на электронную структуру хлорофилла в возбужденных состояниях S1 и S₂. В нативной системе взаимодействие фитола с гидрофобными белками позволяет регулировать по­ложение макроцикла по отношению к свету и, таким образом, изменять ак­тивность светопоглощения молекулой хлорофилла.

Поглощение фотона (hv) обусловлено переходом системы в различные энер­гетические состояния. В молекуле в отличие от атома возможны электронные, колебательные и вращательные движения, и общая энергия молекулы равна сумме этих видов энергий. Основной показатель энергии поглощающей систе­мы — уровень ее электронной энергии, определяется энергией внешних элек­тронов на орбите. Согласно принципу Паули, на внешней орбите находятся два электрона с противоположно направленными спинами, в результате чего образуется устойчивая система спаренных электронов. Поглощение энергии света сопровождается переходом одного из электронов на более высокую ор­биту с запасанием поглощенной энергии в виде энергии электронного воз­буждения. Важнейшая характеристика поглощающих систем — избирательность поглощения, определяемая электронной конфигурацией молекулы. В сложной органической молекуле есть определенный набор свободных орбит, на кото­рые возможен переход электрона при поглощении квантов света. Согласно «пра­вилу частот» Бора, частота поглощаемого или испускаемого излучения дол­жна строго соответствовать разности энергий между уровнями.

Каждый электронный переход соответствует определенной полосе погло­щения. Таким образом, электронная структура молекулы определяет характер электронно-колебательных спектров.

Запасание поглощенной энергии связано с возникновением электронновозбужденных состояний пигментов. Известно два основных типа воз­бужденных состояний — синглетные и триплетные. 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 фото­на молекула хлорофилла переходит из основного (S_Q) в одно из возбужденных синглетных состояний — S_{ или S₂, что сопровождается переходом электрона на возбужденный уровень с более высокой энергией. Возбужденное состояние S₂ очень нестабильно. Электрон быстро (в течение 10-¹² с) теряет часть энергии в виде тепла и опускается на нижний колебательный уровень где может находиться в течение 10-⁹ с. В состоянии S₁ может произойти обращение спина электрона и переход в триплетное состояние Т1 энергия которого ниже S1. Возможно несколько путей дезактивации возбужденных состояний: — превращение энергии возбуждения в тепло;

Рис. 3.7. Схема электронных переходов для магнийпорфиринов в полярном растворителе:

— излучение фотона с переходом системы в основное состояние (флуорес­ценция или фосфоресценция);

— перенос энергии на другую молекулу;

— использование энергии возбуждения в фотохимической реакции.

Миграция энергии между молекулами пигментов может осуществляться по следующим механизмам. Индуктивно-резонансный механизм (механизм Фёрстера) возможен при условии, когда переход электрона оптически разрешен и обмен энергией осуществляется по экситонному механизму. Перенос энергии от возбужденной молекулы пигмента к другой молекуле осуществляется путем безызлучательного переноса энергии возбуж­дения. Электрон в возбужденном состоянии представляет собой осциллиру­ющий диполь. Образующееся при этом переменное электрическое поле может вызвать аналогичные колебания электрона в другой молекуле пигмента при выполнении условий индукции, определяющих достаточно силь­ное взаимодействие между молекулами (расстояние не более 10 нм).

ФИКОБИЛИНЫ

Фикобилины фикоцианин, фикоэритрин и аллофикоцианин входят в состав пигментных систем цианобактерий и красных водорослей, где вместе с хлоро­филлом а выполняют функции фоторецепторов в фотосинтезе. Фикобилины представляют группу тетрапиррольных пигментов с открытой цепью. Они не содержат металла, отдельные пиррольные кольца соединены метиновыми (—СН=) и метиленовыми (—СН₂—) мостиками и включают различные радикалы в форме метильных (—СН₃), винильных (—СН=СН₂), этильных (—СН₂—СН₃) групп, а также два остатка пропионовой кислоты (-СН₂-СН₂-СООН).

Фикоцианин (синего цвета) представляет со­бой комплекс фикоцианобилина (простетическая группа пигмента) с белком и является, таким образом, фикобилипротеидом с молекулярной массой 273 кДа.

Фикоэритрии (красного цвета) — комплекс фикоэритробилина с белком (молекулярная масса 226 кДа).

Аллофикоцыаиин — синий пигмент с молекуляр­ной массой 134 кДа, состоящий из трех субъединиц.

Простетическая группа пигментов при участии двух свободных карбоксиль­ных групп образует прочную ковалентную связь с белком, разрываемую толь­ко при нагревании с НС1. Пигментные комплексы водорастворимы и могут быть извлечены из клеток водорослей горячей водой.

Хромофорной группой фикобилинов является система сопряженных связей, которая образуется при участии атомов углерода и азота пиррольных колец и —СН-мостиков. В клетках водорослей фикобилины находятся в специальных гранулах — фикобилисомах, расположенных на поверхности мембран (рис. 3.16). Пигменты в грануле образуют последовательный ряд функционально связанных пигмент­ных комплексов. На поверхности фикобилисомы расположены коротковол­новые пигменты (фикоэритрин, 570 нм), ближе к мембране — пигменты с более длинноволновым максимумом (фикоцианин, 630 нм; аллофикоцианин, 650 нм ). Такое расположение пигментов в фикобилисоме позволяет с высокой скоростью и эффективностью осуществлять процессы миграции энергии, поглощаемой фикобилинами, на хлорофилл а, локализованный в мембране.

90 % энергии, поглощенной фикобилинами, мигрирует на хлорофилл а и ис­пользуется в фотохимических реакциях. Для понимания физиологической роли данной группы пигментов большое значение имеет явление хроматической адаптации, исследованное в работах Н.М.Гайдукова, А.А.Рихтера, Т.Энгельмана и др. Было установлено, что содержание и состояние пигментов у водо­рослей зависят от условий освещения. При изменении спектрального соста­ва света изменяется пигментный состав, увеличивается количество пигмен­тов, поглощающих дополнительный по отношению к падающему свет. Про­цесс хроматической

Структурные формулы фикобилинов

Фикобилины функционируют как дополнительные пигменты в составе фо­тосистемы II

0,7

адаптации позволяет водорослям оптимально использо­вать световую энергию, проникающую через толщу воды. В процессе эволю­ции, начиная с эвгленовых водорослей, фикобилины как дополнительные пигменты были заменены на хлорофилл Ь, циклическая структура которого более устойчива по сравнению с открытой цепью фикобилинов, и дальней­ший путь эволюции фотоавтотрофных организмов происходил на основе циклических тетрапирролов —хлорофиллов .

КАРОТИНОИДЫ

Каротиноиды — большая и разнообразная группа желтых, оранжевых, крас­ных пигментов, поглощающих коротковолновую часть видимой области спект­ра (400—550 нм) и выполняющих ряд очень важных функции в фотосинтезе.

По химической природе каротиноиды представляют собой полиизопреноидную цепь, состоящую из 40 атомов углерода, которая у большинства кароти­ноидов замыкается по концам в два иононовых кольца. Центральная часть мо­лекулы, состоящая из 18 атомов углерода, представляет собой систему сопря­женных связей, образуя основную хромофорную группу молекулы пигмента.

В зависимости от содержания кислорода в молекуле каротиноида различают каротины (например, β-каротин), не содержащие кислорода, и ксантофиллы — содержащие кислород в форме гидрокси-группы —ОН или эпокси-группы

У высших растений главными представителями ксантофиллов являются лютеин, виолаксантин, зеаксантин и неоксантин.Каротиноиды присутствуют в мембранах у всех фотосинтезирующих организ­мов, где они выполняют ряд важнейших функций в процессе фотосинтеза — антенную (дополнительные пигменты в процессе поглощения солнечной энер­гии), защитную (тушители триплетного хлорофилла и синглетного кислорода) и фотопротекторную (предохраняют реакционный центр от мощных по­токов энергии при высоких интенсивностях света и стабилизируют липидную фазу тилакоидных мембран, защищая ее от переокисления.

Антенная функция каротиноидов

Антенная функция предполагает энергетическое взаимодействие каротино­идов и хлорофиллов. Антенная функция имеет место в ССК. Возможность миграции энергии в пигмент-белковом комплексе от возбужденных каротиноидов к хлорофиллу доказана экспериментально. Таким образом, главная функция каротино­идов в ССК — поглощение энергии и перенос ее на хлорофилл.

Каротиноиды характеризуются спектром поглощения в синезеленой области (400—550 нм). Хромофорная группа различных ка­ротиноидов может включать от 9 до 13 двойных связей, что определяет поло­жение максимумов, энергию возбуждения и общий вид спектра поглощения. У большинства каротиноидов спектр поглощения имеет главный максимум и два более или менее выраженных «плеча».

Защитная функция каротиноидов

Каротиноиды в антенном комплексе и реакционном центре выполняют уникальную «защитную» функцию, и связана с тушением возбужденных триплетных состояний хлоро­филла и синглетного кислорода (¹0₂). Механизм фотоповреждения фотосинте­тического аппарата в случае оксигенного фотосинтеза обусловлен фотоде­структивным действием активных форм кислорода, главным образом синглет­ного кислорода ¹0₂, образующегося при взаимодействии основной формы кислорода в атмосфере 0₂ с триплетно-возбужденным пигментом хлорофиллом. Образующийся синглетный кислород является сильным окислителем и вызывает фотоокисление окружающих структур. Особенно активно эти про­цессы протекают в реакционных центрах, где образование триплетного хлоро­филла (³Хл) происходит в результате возможного возврата богатого энергией электрона от первичного акцептора к пигментам реакционного центра или П₇₀₀ Каротиноиды, содержащие 9 и более двойных связей, могут эффек­тивно тушить триплетное состояние хлорофилла и образовавшийся синглет­ный кислород. Механизм защитного действия p-каротина в реакционном цент­ре включает перенос энергии от ³Хл или '0₂ к β-каротину и диссипацию энер­гии образующегося триплетного каротина через ре­лаксацию в тепло с переходом p-каротина в состояние S0.

Фотопротекторная функция каротиноидов

Фотопротекторная функция каротиноидов состоит в защите фотосинтети­ческого аппарата от излишка энергии возбуждения при высокой интенсивно­сти света. Эта функция связана с каротиноидами, образующими так называе­мый «ксантофилловый цикл». У высших растений и зеленых водорослей ксантофилловый цикл включает энзиматическое превращение виолаксантина в зеаксантин. Процесс катализируется ферментом деэпоксидазой, требует участия аскорбата и кислой среды (оптимум действия фермента при рН 5,0). Такие условия рН создаются в люмене при освещении хлоропластов. В темноте протекает обратная реакция превращения зеаксантина в виолаксантин, которая катализируется эпоксидазой.

ОРГАНИЗАЦИЯ ПИГМЕНТОВ

В ХЛОРОПЛАСТАХ

Дата добавления: 2014-02-28; просмотров: 1365; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!