Физиология растений и животных. Скопичев В. Г. Физиология растений и животных Направление подготовки 020400 биология Профиль подготовки Биоэкология

• Название: Скопичев В. Г. Физиология растений и животных Направление подготовки 020400 биология Профиль подготовки Биоэкология
• Анкор: Физиология растений и животных.doc
• Дата: 13.12.2017
• Размер: 35.41 Mb.
• Имя файла: Физиология растений и животных.doc
• Тип: Документы; #11309
• страница: 20 из 89

ПИГМЕНТЫ ЛИСТА

Для того чтобы свет мог оказывать влияние на растительный организм и, в частности, быть использованным в процессе фотосинтеза, необходимо его поглощение фоторецепторами-пигментами. Пигменты — вещества, имеющие окраску. Видимая часть спект­ра представлена длинами воли от 400 до 800 им. Органические ве­щества, поглощающие свет с длиной волны менее 400 им, кажутся бесцветными.

ХЛОРОФИЛЛЫ

Выделенное из листьев зеленое вещество назвали хлорофиллом (от греч. «хлорос» — зеленый и «филлон» — лист). В настоящее вре­мя известно около 10 хлорофиллов. Они отличаются по химическому строению, окраске, распространению среди живых организмов. У всех высших зеленых растений содержатся хлорофиллы а и b. Хлорофилл с содержится в диатомовых водорослях, хлорофилл d — в красных водорослях. Кроме того, известны четыре бактериохлорофилла (а, b, сиd), содержащиеся в клетках фотосинтезирующих бактерий., В клетках зеленых бактерий содержатся бактериохлорофиллы с и d. В клетках пурпурных бактерий — бактериохлорофиллы а и b. Основ­ными пигментами, без которых фотосинтез не идет, являются хлорофилл а для зеленых растений и бактериохлорофилл для бактерий. Впервые точное представление о пигментах зеленого листа было получено благодаря работам крупнейшего русского ботаника М. С. Цвета. Он выделил пигменты листа в чистом виде и разработал новый хроматографический метод разделения веществ. Хлорофиллы а и Ъ различаются по цвету. Хлорофилл а имеет сине-зеленый оттенок, а хлорофилл Ъ — желто-зеленый. Содержание хлорофилла а в листе примерно в три раза больше по сравнению с хлорофиллом Ъ.

Химические свойства хлорофилла

По химическому строению хлорофилл — это сложный эфир дикарбоновой органической кислоты — хлорофиллина и двух остатков спиртов — фитола и метилового. Хлорофиллин представляет собой азотсодержащее металлорганическое соединение, относящееся к магний-порфиринам. В центре молекулы хлорофилла расположен атом магния, кото­рый соединен с четырьмя азотами пиррольных группировок. В пиррольных группировках хлорофилла имеется система чередующихся двойных и простых связей. Это и есть хромофорная группа хлоро­филла, обусловливающая его окраску.

Расстояние между атомами азота пиррольных группировок в ядре хлорофилла составляет 0,25 нм. Интересно, что диаметр атома маг­ния равен 0,24 нм. Таким образом, магний почти полностью заполня­ет пространство между атомами азота пиррольных группировок. Это придает ядру молекулы хлорофилла дополнительную прочность. Еще К. А. Тимирязев обратил внимание на близость химического строения двух важнейших пигментов: зеленого — хлорофилла листьев и крас­ного — гемина крови. Действительно, если хлорофилл относится к магний-порфиринам, то гемин — к железопорфиринам. Сходство это не случайно и служит еще одним доказательством единства всего органического мира.

Одной из специфических черт строения хлорофилла является на­личие в его молекуле, помимо четырех гетероциклов, еще одной ци­клической группировки из пяти углеродных атомов — циклопентанона. В циклопептанонном кольце содержится кетогруппа, обладаю­щая большой реакционной способностью. Есть данные, что в результате процесса эполизации по месту этой кетогруппы к молекуле хло­рофилла присоединяется вода.

Извлеченный из листа хлорофилл легко реагирует как с кислота­ми, так и со щелочами. При взаимодействии со щелочью происходит омыление хлорофилла, в результате чего образуются два спирта и щелочная соль хлорофиллина. В интактном живом листе от хлоро­филла может отщепляться фитол под воздействием фермента хлорофиллазы. При взаимодействии со слабой кислотой извлеченный хлорофилл теряет зеленый цвет, образуется соединение феофитин, у которого атом магния в центре молекулы замещен на два атома водорода.

Хлорофилл в живой интактной клетке обладает способностью к обратимому окислению и восстановлению. Способность к окислитель­но-восстановительным реакциям связана с наличием в молекуле хло рофилла сопряженных двойных связей. Эти связи фиксированы не прочно, и при их перемещении азот пиррольных ядер может окис­ляться (отдавать электрон) или присоединять электрон (восстанав­ливаться).

Молекула хлорофилла полярна, ее порфириновое ядро обладает гидрофильными свойствами, а фитольный конец — гидрофобными. Это свойство молекулы хлорофилла обусловливает определенное рас­положение ее в мембранах хлоропластов. Исследования показали, что свойства хлорофилла, находящегося в листе и извлеченного из листа, различны, так как в листе он на­ходится в комплексном соединении с белком подобно гемоглобину крови. Это доказывается следующими данными: 1. Спектр поглоще­ния хлорофилла, находящегося в листе, иной по сравнению с извле­ченным хлорофиллом. 2. Хлорофилл невозможно извлечь абсолютным спиртом из сухих листьев. Экстракция протекает успешно, только если листья увлажнить или к спирту добавить воды. 3. Выделенный из листа хлорофилл легко подвергается разрушению под влиянием самых разнообразных воздействий (повышенная кислотность, кисло­род и даже свет). Между тем в листе хлорофилл достаточно устой­чив ко всем перечисленным факторам. Следует заметить, что связь между хлорофиллом и белком несколько иного характера, чем между гемином и белком. Установлено, что для гемоглобина характерно по­стоянное соотношение — на 1 молекулу белка приходится 4 молекулы гемина. Между тем соотношение между хлорофиллом и белком раз­лично (от 3 до 10 молекул хлорофилла на 1 молекулу белка). Это соотношение претерпевает изменения в зависимости от типа расте­ний, фазы их развития, условий среды. Связь между молекулами белка и хлорофиллом осу­ществляется путем нестойких комплексов, образующихся при взаимо­действии кислых групп белковых молекул и азота пиррольных колец. Чем выше содержание дикарбоновых аминокислот в белке, тем луч­ше идет их комплексирование с хлорофиллом. Блокирование карбок­сильных групп в белке сильно уменьшает его способность к связыва­нию с хлорофиллом. Белки, связанные с хлорофиллом, характеризу­ются низкой изоэлектрической точкой (3,7—4,9). Молекулярная мас­са этих белков порядка 68 тыс.

Важным свойством молекул хлорофилла является их способность к взаимодействию друг с другом. В результате этого происходит их переход из мономерной в агрегированную форму, которая может воз­никнуть в результате взаимодействия двух и более молекул при их близком расположении друг к другу. В процессе образования хлорофилла его состояние в живой клетке закономерно меняется. При этом и происходит его агрегация.

Физические свойства хлорофилла

Хлорофилл способен к избирательному поглощению света и к флюоресценции. Спектр поглощения данного соединения определяет­ся его способностью поглощать свет определенной длины волны (определенного цвета). Для того чтобы получить спектр поглощения, К. А. Тимирязев пропускал луч света сначала через раствор хлоро­филла, а затем через призму. В этом случае часть лучей поглощалась. Было показано, что хлорофилл в той же концентрации, как в листе, имеет две основные линии поглощения в красных и сине-фиолетовых лучах. При этом хлорофилл а в растворе имеет максиму­мы поглощения 429 и 660 нм, тогда как хлорофилл b — 453 и 642 нм. Однако необходимо учитывать, что в листе спектры поглощения хло­рофилла меняются в зависимости от его состояния, степени агрега­ции, адсорбции на определенных белках. В настоящее время показа­но, что есть формы хлорофилла, поглощающие свет с длиной волны 700, 710 и даже до 720 нм. Формы хлорофилла, поглощающие свет с большой длиной волны, имеют особенно важное значение в про­цессе фотосинтеза. Хлорофилл обладает способностью к флюоресцен­ции. Флюоресценция представляет собой свечение тел, возбуждаемое освещением и продолжающееся очень короткий промежуток времени (10^-8—10^-9 с). Свет, испускаемый при флюоресценции, имеет всегда большую длину волны по сравнению с поглощенным. Это связано с тем, что часть поглощенной энергии выделяется в виде тепла. Хло­рофилл обладает красной флюоресценцией.

Биосинтез хлорофилла

Синтез хлорофилла происходит в две фазы: темновую — до протохлорофиллида и световую — образование из протохлорофиллида хлорофилла. Для превращения протохлорофиллида в хлорофиллид необходимо его связывание с белком голохромом и присо­единение двух атомов водорода. Именно последняя реакция для боль­шинства растений протекает с использованием энергии света (фо­товосстановление). Водороды присоединяются к 7-му и 8-му атомам углерода. На послед­нем этапе к хлорофиллиду присоединяется спирт фитол. Поскольку синтез хлорофилла — процесс многоэтапный, в нем участвуют различные ферменты, составляющие, по-видимому, поли­ферментный комплекс. Интересно заметить, что образование многих белков-ферментов ускоряется на свету. Содержание хлорофилла в листе колеблется незначительно. Это связано с тем, что идет непрерывный процесс разрушения старых молекул и образование но­вых молекул хлорофилла. Причем эти два процесса уравновешивают друг друга. При этом предполагается, что вновь образовавшиеся мо­лекулы хлорофилла не смешиваются со старыми и имеют несколько иные свойства.

Условия образования хлорофилла

Проростки, выросшие в отсутствии света, называют этиолирован­ными. Такие проростки, как правило, характеризуются измененной формой (вытянутые стебли, неразвившиеся листья) и слабой желтой окраской (хлорофилла в них нет). Известно, что в некоторых случаях хлорофилл образуется и в отсутствии света. Способность образовывать хлорофилл в темноте ха­рактерна для растений, стоящих на нижней ступени эволюционного процесса. Так, при благоприятных условиях питания некоторые бак­терии могут синтезировать в темноте желто-зеленый пигмент — бактериохлорофилл. Сине-зеленые водоросли при достаточном снаб­жении органическим веществом растут и образуют пигменты в тем­ноте.

Способность к образованию хлорофилла в темноте обнаружена и у таких высокоорганизованных водорослей, как харовые. Лиственные и печеночные мхи сохраняют способность образовывать хлорофилл в темноте. Почти у всех видов хвойных при прорастании семян в тем­ноте семядоли зеленеют. Более развита эта способность у теневынос­ливых пород хвойных деревьев. По мере роста проростков в темноте образовавшийся хлорофилл разрушается, и на 35—40-й день пророст­ки в отсутствии света погибают. Интересно заметить, что проростки хвойных, выращенные из изолированных зародышей в темноте, хло­рофилла не образуют. Однако достаточно присутствия небольшого кусочка нераздробленного эндосперма, чтобы проростки начинали зеленеть. Зеленение происходит даже в том случае, если зародыш сопри­касается с эндоспермом другого вида хвойных деревьев. При этом на­блюдается прямая корреляция между величиной окислительно-вос­становительного потенциала эндосперма и способностью проростков зеленеть в темноте.

В целом рассмотрение этого вопроса приводит к заключению, что в эволюционном плане хлорофилл первоначально образовался как побочный продукт процесса темнового обмена. Однако в дальней­шем на свету растения, обладающие хлорофиллом, получили большее преимущество благодаря возможности использовать энергию сол­нечного света, и эта особенность была закреплена естественным отбором.

Исследования влияния света на накопление хлорофилла в этиоли­рованных проростках показали, что первым в процессе зеленения появляется хлорофилл а. Нормальное соотношение хлорофилла а к хлорофиллу b (3:1) наступает только через несколько часов после начала освещения, при этом, хлорофилл b образуется из хлорофилла а.

Спектрографический анализ показывает, что процесс образования хлорофилла идет очень быстро. Так, уже через 1 мин после начала освещения выделенный из этиолированных проростков пигмент име­ет спектр поглощения, совпадающий со спектром поглощения хлоро­филла а.

При исследовании влияния качества света на образование хлоро­филла в большинстве случаев проявилась положительная роль крас­ного света. Большее значение имеет интенсивность освещения. Оказалось, что освещение электрической лампой мощ­ностью 10 Вт на расстоянии 400 см было пределом, ниже которого образование хлорофилла прекращалось. Существует и верхний пре­дел освещенности, выше которого образование хлорофилла тормо­зится.

Целый ряд исследований показывает, что образование хлорофил­ла идет интенсивнее на прерывистом свете. Это подтверждает, что в образовании хлорофилла имеется темновая и световая фазы. При этом световая фаза значительно короче темновой.

Образование хлорофилла зависит от температуры. Оптимальная температура для накопления хлорофилла 26—30°С. Как и следовало ожидать, от температуры зависит лишь образование предшественни­ков хлорофилла (темновая фаза). При наличии уже образовавшихся предшественников хлорофилла процесс зеленения (световая фаза) идет с одинаковой скоростью независимо от температуры.

На скорость образования хлорофилла оказывает влияние содержа­ние воды. Сильное обезвоживание проростков приводит к полному прекращению образования хлорофилла. Особенно чувствительно к обезвоживанию образование протохлорофиллида. Показана необходимость углево­дов для протекания процесса зеленения. Именно с этим связано то, что зеленение этиолированных проростков на свету зависит от их возраста. После 7—9-дневного возраста способность к образованию хлорофилла у таких проростков резко падает. При опрыскивании са­харозой проростки снова начинают интенсивно зеленеть.

Важнейшее значение для образования хлорофилла имеют усло­вия минерального питания. Прежде всего, необходимо достаточное количество железа. При недостатке железа даже листья взрослых растений теряют окраску. Это явление названо хлорозом. Железо — необходимый катализатор образования хлорофилла. Оно необходимо на этапе синтеза σ-аминолевулиповой кислоты из глицина и сукцинил-КоА, а также синтеза протопорфирина. Большое значение для обеспечения синтеза хлорофилла имеет нормальное снабжение расте­ний азотом и магнием, так как оба эти элемента входят в состав хло­рофилла. При недостатке меди хлорофилл легко разрушается. Это, по-видимому, связано с тем, что медь способствует образованию устойчивых комплексов между хлорофиллом и соответствующими бел­ками.

Исследование процесса накопления хлорофилла у растений в те­чение вегетационного периода показало, что максимальное содержа­ние хлорофилла приурочено к началу цветения. Есть даже мнение, что повышение образования хлорофилла может быть использовано как индикатор, указывающий на готовность растений к цветению. Синтез хлорофилла зависит от деятельности корневой системы. Так, при прививках содержание хлорофилла в листьях привоя зависит от свойств корневой системы подвоя. Возможно, что влияние корневой системы связано с тем, что там образуются гормоны (цитокинины). У двудомных растений большим содержанием хлорофилла характери­зуются листья женских особей.

КАРОТИНОИДЫ

Наряду с зелеными пигментами в хлоропластах и хроматофорах содержатся пигменты, относящиеся к группе каротиноидов. Каротиноиды — это желтые и оранжевые пигменты алифатического строе­ния, производные изопрена. Каротиноиды содержатся во всех выс­ших растениях и у многих микроорганизмов. Это самые распростра­ненные пигменты с разнообразными функциями. Каротиноиды, содержащие кислород, получили название ксантофиллов. Основными представителями каротиноидов у высших растений являются два пиг­мента —β-каротин (оранжевый) С₄₀Н₅₆ и ксантофилл (желтый) С₄₀Н₅₆О₂. Каротин состоит из 8 изопреновых остатков. При разрыве углеродной цепочки пополам и образовании на конце спирто­вой группы, каротин превращается в 2 молекулы витамина А. Обра­щает на себя внимание сходство в структуре фитола — спирта, входя­щего в состав хлорофилла, и углеродной цепочки, соединяющей циклогексениловые кольца каротина. Предполагается, что фитол возни­кает как продукт гидрирования этой части молекулы каротиноидов. Каротиноиды имеют большое количество конъюгированных двойных связей, поэтому они способны к окислительно-восстановительным реакциям. Поглощение света каротиноидами, а, следовательно, их окраска также обусловлены наличием конъюгированных двойных связей, β-каротин имеет два максимума поглощения, соответствую­щие длинам волн 482 и 452 нм. Красные лучи, поглощаемые хлорофиллами, каротиноиды не поглощают. Каротиноиды, в отличие от хлорофилла, не обладают способностью к флюоресценции. Подобно хлорофиллу каротиноиды в хлоропластах вступают во взаимодейст­вие с белками.

Физиологическая роль каротиноидов. Уже тот факт, что кароти­ноиды всегда присутствуют в хлоропластах, позволяет считать, что они принимают участие в процессе фотосинтеза. Однако не отмече­но ни одного случая, когда в отсутствии хлорофилла этот процесс осуществляется, поэтому считают, что роль каротиноидов вспомога­тельная.

В настоящее время предполагается, что каротиноиды, поглощая определенные участки солнечного спектра, передают энергию этих лучей на молекулы хлорофилла. Тем самым они способствуют ис­пользованию лучей, которые хлорофиллом не поглощаются.

Физиологическая роль каротиноидов не ограничивается их уча­стием в передаче энергии на молекулы хлорофилла. На свету происходит вза­имопревращение ксантофиллов (виолоксантин превращается в зеаксантин), что сопровождается выделением кислорода. Спектр действия этой реакции совпадает со спектром поглощения хлорофилла, что позволило высказать предположение об ее участии в процессе фото­синтеза.

Имеются данные, что каротиноиды выполняют защитную функ­цию, предохраняя различные органические вещества, в первую оче­редь молекулы хлорофилла, от разрушения на свету в процессе фото­окисления. Опыты, проведенные на мутантах кукурузы и подсолнеч­ника, показали, что они содержат протохлорофиллид (темновой пред­шественник хлорофилла), который на свету переходит в хлоро­филл а, но разрушается. Последнее связано с отсутствием способно­сти исследованных мутантов к образованию каротиноидов.

Ряд исследователей указывает, что каротиноиды играют опреде­ленную роль в половом процессе у растений. Известно, что в период цветения высших растений содержание каротиноидов в листьях уменьшается. Одновременно оно заметно растет в пыльниках, а так­же в лепестках цветков. Микроспорогенез тесно связан с метаболизмом каротиноидов. Незрелые пыльце­вые зерна имеют белую окраску, а созревшая пыльца — желто-оран­жевую. В половых клетках водорослей наблюдается дифференциро­ванное распределение пигментов. Мужские гаметы имеют желтую окраску и содержат каротиноиды. Женские гаметы содержат хлоро­филл. Высказывается мнение, что именно каротин обусловливает под­вижность сперматозоидов. Материнские клет­ки водоросли хламидомонады образуют половые клетки (гаметы) первоначально без жгутиков, в этот период они еще не могут пере­двигаться в воде. Жгутики образуются только после освещения гамет длинноволновыми лучами, которые улавливаются особым каротиноидом — кроцином.

Образование каротиноидов. Синтез каротиноидов не требует све­та. При формировании листьев каротиноиды образуются и накапли­ваются в пластидах еще в тот период, когда зачаток листа защищен в почке от действия света. При начале освещения образование хлорофилла в этиолированных проростках сопровождается временным падением содержания каротиноидов. Однако затем содержание каро­тиноидов восстанавливается и даже повышается с увеличением интен­сивности освещения. Показана тесная зависимость образования каро­тиноидов от азотного обмена. Установлено, что между содержанием белка и каротиноидов имеется прямая коррелятивная связь. Потеря белка и каротиноидов в срезанных листьях идет параллельно. Обра­зование каротиноидов зависит от источника азотного питания. Более благоприятные результаты по накоплению каротиноидов получены при выращивании растений на нитратном фоне по сравнению с амми­ачным. Недостаток серы резко уменьшает содержание каротиноидов. Большое значение имеет соотношение Са в питательной среде. Относительное увеличение содержания Са приводит к усиленному на­коплению каротиноидов по сравнению с хлорофиллом. Противопо­ложное влияние оказывает увеличение содержания магния.

ФИКОБИЛИНЫ

Фикобилины — красные и синие пигменты, содержащиеся в хроматофорах некоторых водорослей. Исследования показали, что багряные, сине-зеленые водоросли наряду с хлорофиллом а содержат фикобилины. В основе химического строения фикобилинов лежат четыре пиррольные группировки. В отличие от хлорофилла у фикобилинов пиррольные группы расположены в виде открытой цепочки. Фикобилины представлены двумя пигментами: фикоцианином (у сине-зеленых водорослей) и фикоэритрином (красные водоросли). Фикоэритрин — это окисленный фикоцианин. Фикобилины образуют соединения с белками, содержащимися в хроматофорах. При этом связь между фикобилинами и белками очень прочная. Эта связь раз­рушается только кислотой. Предполагается, что карбоксильные груп­пы пигмента связываются с аминогруппами белка. Фикобилины поглощают лучи в зеленой и желтой части солнеч­ного спектра. Это та часть спектра, которая находится между двумя основными линиями поглощения хлорофилла. Фикоэритрин погло­щает лучи с длиной волны 495—565 им, а фикоцианин — 550—615 нм.

Сравнение спектров поглощения фикобилинов со спектром, в котором проходит фотосинтез у водорослей (спектр действия), пока­зывает, что они очень близки. Это позволяет считать, что фикобилины поглощают энергию света и подобно каротиноидам передают ее на молекулу хлорофилла, после чего она используется в процессе фотосинтеза.

Наличие фикобилинов у водорослей является примером приспо­собления в процессе эволюции к поглощению тех участков солнечного спектра, которые проникают сквозь толщу морской воды (явление филогенетической хроматической адаптации). Как известно, крас­ные лучи, соответствующие основной линии поглощения хлорофилла, поглощаются, проходя через толщу морской воды. Наиболее глубо­ко проникают зеленые лучи, которые поглощаются не хлорофиллом, а фикобилинами. Таким образом, наличие фикобилинов позволяет водорослям в процессе фотосинтеза использовать те лучи, которые к ним проникают.