Хлорофилл: его свойства и биосинтез

Введение Белки – высокомолекулярные азотосодержащие органические вещества , молекулы которых построены из остатков аминокислот . Белки составляют до половины и более сухой массы живой клетки. Состав белков по химическим элементам : C , O , H , N , иногда S . В белках встречаются также элементы Fe , Cu , Zn и др . Но не химические элементы являю тся «буквами алфавита» , из которых складывается всё многообразие «слов» – молекул белков . Такими структурными элементами белков природа выбрала простые соединения -- -аминокислоты. Все белки состоят в основном из 20 -аминокислот. По составу белки делятся на простые и сложные . Простые состоят только из аминокислотных остатков . Сложные белки отличаются от простых наличием пр остетической группы . Сложный белок , утративший простетическую группу , называют анобелком . Сложные белки подразделяют на классы в зависимости от состава и структуры простетической группы название сложных белков простетиче ская группа металлопротеины атомы металлов гемопротеины железопорфирин фосфопротеины фосф атные группы гликопротеины алигосахариды , простые сахара протеогликаны полисахариды лигопротеины липиды нуклеопротены ДНК или РНК Белки относятся к высокомолекулярным соединения , в состав которых входят сотни и даже тысячи аминокислотных остатков , объединённых в макромо лекулярную структуру . Молекулярная масса белков колеблется от 6000 до 1000000 дальтон и выше в зависимости от количества отдельных полипептидных цепей в составе единой молекулярной структуры белка . Такие полипептидные цепи получили название субъединиц . Их молекулярная масса варьируется в широких пределах : от 6000 до 100000 и более дальтон . Хлорофилл Хлорофилл относится к классу белков . Хлорофилл представляет собой «одно из интереснейших веществ на земной поверхности» (Ч . Дарвин ), так как бл агодаря ему возможен синтез органических веществ из неорганических C и . Важнейшую роль в процессе фотосинтеза играет зе лёный пигмент – хлорофилл . Французские учёные Пелетье и Кавенту (1818) выделили из листьев зелёное вещество и назвали его хлорофиллом (от греч . «хлорос» – зелёный и «филлон» – лист ). В настоящее время известно около 10 хлорофиллов . Они отличаются по химич е скому строению , окраске , распространению среди живых организмов . У всех высших растений содержатся хлорофиллы а и b . Хлорофилл с содержится в диатомовых водорослях , хлорофилл d – в красных водорослях . Кроме того , известны четыре бактериохлорофилла , содержа щиеся в клетках фотосинтезирующих бактерий . В клетках зелёных бактерий содержатся бактериохлорофиллы с и d . В клетках пурпурных бактерий – бактериохлорофиилы а и b . Основными пигментами , без которых фотосинтез не идёт , являются хлорофилл а для зелёных раст ений и бактериохлорофилл для бактерий. В первые точное представление и пигментах зелёного листа было получено благодаря работам крупнейшего русского ботаника М . С . Цвета . Он выделил пигменты листа в чистом виде и разработал новый хроматографический ме тод разделения веществ . Метод этот в дальнейшем получил широкое применение , как в биохимии , так и в чисто химических исследованиях. Хлорофиллы а и b различаются по цвету . Хлорофилл а имеет сине-зелённый оттенок , а хлорофилл b – жёлто-зелёный . Содержан ие хлорофилла а в листе примерно в три раза больше по сравнению с хлорофиллом b . Условия образования хлорофилла. Образование хлорофилла осуществляется в 2 фазы : первая фаза – темновая , во время которой образуется предшественник хлорофилла – протохлор офилл , а вторая – световая , при которой из протохлорофилла на свету образуется хлорофилл . Для образования хлорофилла необходимо наличие железа . При недостатке железа получаются растения , характеризующиеся бледными полосами и слабой зелёной окраской листье в . Образование хлорофилла зависит от температуры . Оптимальная температура для накопления хлорофилла 26-30 С . Как и следовало ожидать , от температуры зависит лишь образование протохлорофилла (темновая фаза ). При наличии уже образовавшихся протохлорофиллов п р оцесс зеленения (световая фаза ) идёт с одинаковой скоростью независимо от температуры . На скорость образования хлорофилла оказывает влияние содержания воды . Сильное обезвоживание проростков приводит к полному прекращению образования хлорофилла . Особенно ч у вствительно к обезвоживанию образование протохлорофилла . Ещё В . И . Палладин обратил внимание на необходимость углеводов для протекания процесса зеленения . Именно с этим связано то , что зеленение проростков на свету зависит от их возраста . После 7-9-д невного 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 количества железа . При недостатке железа даже листья взрослых растений теряют окраску . Это яв ление названо хлорозом . Железо – необходимый катализатор образования хлорофилла . Оно необходимо на этапе синтеза д -аминолевулиновой кислоты из глицерина и сукцинил-КоА , а также синтеза протопорфирина . Большое значение для обеспечения синтеза хлорофилла и меет 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 хлоро ф иллом и соответствующими белками. Исследования процесса накопления хлорофилла у растений в течение вегетационного периода показало , что максимальное содержание хлорофилла приурочено к началу цветения . Есть даже мнение , что повышение образования хлороф илла 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 . Во з можно , что влияние корневой системы связано с тем , что там образуются гормоны (цитокинины ). У двудомных растений большим содержанием хлорофилла характеризуются листья женских особей . Химические свойства хлорофилла. По химическому составу хлорофилл предста вляет сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофинилла . Хлорофинилл представляет собой азотосодержащее металлоорганическое соединение , относящееся к магний-порфиринам . В центре молекуле хлорофилла расположен атом магния , который соединён с четырьмя азотами п иррольных группировок . В пиррольных группировках хлорофилла имеется система чередующихся двойных и простых связей . Это и есть хромофорная группа хлорофилла , обуславливающая его окраску. Наличие магния обнаруживается легко . Стоит только подействовать н а спиртовую вытяжку хлорофилла слабым раствором соляной или какой-нибудь другой кислоты , чтобы определить магний . При этом произойдёт изменение окраски – вытяжка приобретает жёлто-бурый оттенок . Хлорофилл без магния получил название феофитина : В молекуле феофитина сравнительно легко ввести обратно какой-нибудь металл и восстановить металлоорганическую связь . Для этого к раствору феофитина прибавляют уксуснокислую медь или уксуснокислый цинк и нагревают . Цинк или медь входят в молекулу хлорофилла , и вытяжка становится опять зелёного цвета. Химическая формула была установлена в 1913 году немецкими биохимиками Р . Вильштеттером и А . Штоллем . Им удалось её установить , последовательно отщ епляя от молекулы хлорофилла отдельные её части действием кислот и щелочей , а в дальнейшем и нагреванием под давлением . До этих работ в физиологии растений считалось , что хлорофилл содержит железо , а не магний . Они же окончательно доказали и наличие двух х лорофиллов – а и b . Эти же работы сделали образование кристаллического хлорофилла . Вильштеттер и Штолль показали , что имеющийся в зелёных листьях фермент хлорофиллаза отщепляет спирт фитол и на его место становится остаток этилового или метилового сп ирта . Такие соединения получили название хлорофиллидов . Если фитол замещается остатком этилового спирта , то полученное соединение называется этилхлорофиллидом. Оптические свойства хлорофилла. Хлорофилл поглощает солнечную энергию и направляет её на хи мические реакции , которые не могут протекать без энергии , получаемой извне . Раствор хлорофилла в проходящем свете имеет зелёный цвет , но при увеличении толщины слоя или концентрации хлорофилла он приобретает красный цвет. Хлорофилл поглощает свет не с плошь , а избирательно . При пропускании из семи видимых цветов , которые постепенно переходят друг в друга . При пропускании белого света через призму и раствор хлорофилла на полученном спектре наиболее интенсивное поглощение будет в красных и сине-фиолетовы х лучах . Зелёные лучи поглощаются мало , поэтому в тонком слое хлорофилл имеет в проходящем свете зелёный цвет . Однако с увеличением концентрации хлорофилла полосы поглощения расширяются (значительная часть зелёных лучей также поглощается ) и без поглощения п роходит только часть крайних красных . Спектры поглощения хлорофилла а и b очень близки . В отражённом свете хлорофилл , кажется вишнёво-красным , так как он излучает поглощённый свет с изменением длины его волны . Это свойство хлорофилла называется флюор есценцией. Биосинтез хлорофилла Исходными для синтеза хлорофилла субстратами являются очень простые органические соединения – ацетат и глицин . Процесс синтеза хлорофилла принято подразделять на три этапа. Первый этап состоит из следующих реакций : 1. Об разование ацетилкофермента А , в котором принимает участие ацетат , кофермент А и АТФ . Реакция катализируется ацилкофермент А-синтетазой. 2. Образование сукцинилкофермента А из двух молек ул ацетилкофермента А . Считается не менее вероятным другой путь : вовлечение ацетата в цикл Кребса и образование в нём сукцината и затем сукцинилкофермента А . Некоторые исследователи считают исходным субстратом биосинтеза хлорофилла именно сукцинилкофермен т А , не рассматривая реакции его образования (как не специфичные , осуществляющиеся в связи и с другими метаболическими цепочками ). 3. Образование -амино- -кетоадипиновой кислоты из сукцинилкофермента А и глицина , катализируемого так же , как и следующая реакция , ферментом синтетазой -аминолевулиновой кислоты : 4. Из -амино- -кетоадипиновой кислоты путём декарбоксилирования образуется -аминолевулиновая кислота : 5. Синтез из д вух молекул -аминолевулиновой кислоты пирроленинового кольца и затем изомеризация его в пиррольное кольцо с образованием порфобилиногена . Реакция катализируется ферментом дегидразой -аминолевулиновой кислоты. Второй этап включает реакции синтеза из четырёх пиррольных колец одной молекулы протопорфирина . 6. Из четырех молекул порфобилиногема под влиянием фермента порфобилино ге-дезаминазы синтезируется цепочка тетрапиррана. 7. Наименее изучен механизм реакции замыкания открытой цепи тетрапиррана в уропорфириноген III . 8. В результате декарбоксилирования всех четырёх остатков ацетата из уропорфириногена III образуется копропорфириноген III , фермент – уропорфириногендекарбоксилаза. 9. Происходит декарбоксилирование и дегидрирование двух из четырёх пр опионатных остатков , что приводит к появлению винильных радикалов в кольцах и образованию протопорфириногена IX , фермент – копропорфириногендекарбоксилаза. 10. В результате дегидрирования протопорфириногена IX появляется протопорфирин IX . Третий этап характеризуется образованием и превращением магнийпорфиринов. 11. Протопорфирин , взаимодействуя с магнием , превращается в магнийпрото порфирин . 12. Далее следует ферментативная этерификация метилом пропионатного остатка и образование монометилового эфира магний про топорфирина. 13. Последний превращается в протохлорофиллид в серии реакций , включающих преобразование метильного производного пр опионата. 14. Превращение протохлорофиллида в хлорофиллид , заключающееся в гидрировании одной из двух двойных связей кольца , осущес твляется , как правило , при участии света (в ходе фотохимической реакции ). Лишь у некоторых низших и голосеменных растений эта реакция может протекать ферментативно в темноте . В хлорофиллид превращается не свободная форма протохлорофиллида , а связанная с белком в единый комплекс – так называемый протохлорофиллидголохром. 15. Последняя реакция – ферментативная этерификация хлорофиллида фитолом , в результате чего образуется хлорофилл а . Поскольку синтез хлорофилла – многоэтапный , в нём участвуют раз личные ферменты , составляющие , по-видимому , полиферментный комплекс . Интересно заметить , что образование многих из этих белков-ферментов ускоряется на свету . Содержание хлорофилла в листе колеблется незначительно . Это связано с тем , что идёт непрерывный п р оцесс разрушения старых молекул и образование новых молекул хлорофилла . Причём эти два процесса уравновешивают друг друга . При этом предполагается , что вновь образовавшиеся молекулы хлорофилла не смешиваются со старыми и имеют несколько иные свойства. Раз личные виды хлорофилла. Различные виды хлорофилла отличаются , как правило , природой заместителей при -атомах углерода в пиррольных кольцах порфиринов . Все связи -углеродных атомов заняты в формировании порфиринового кольца и поэтому не м огут определять специфику отдельных видов хлорофилла . Хлорофиллы бактерий называют бактериохлорофиллами . Их известно четыре . Большинство пурпурных бактерий содержит бактериохлорофилл а , который и обуславливает их способность к фотосинтезу : Этот пигмент представляет собой порфирин , у которого -углерод ные атомы имеют следующих заместителей в положениях : 1 – метил , 2 – ацетил , 3 – метил , 4 – этил , 5 – метил , 6-й атом углерода участвует в образовании насыщенного циклопентанового кольца , 7 – сложный эфир пропионовой кислоты и высокомолекулярного ненасыщен н ого спирта фитола , 8 – метил . Кольца В и D имеют лишь по одной двойной связи . В циклопентановом кольце в положении 9 – кетогруппа , а в 10 – карбоксиметильный радикал . Фитол может рассматриваться как производное изопрена или дитерпена с одной двойной связью. Бактериохлорофиллы с и d зелёных бактерий отличаются от бактериохлорофилла а рядом особенностей . Они не имеют циклопентановного кольца . Карбоксиметильный радикал при атоме 10 отсутствует , а атомы 9 и 10 входят в состав пропила . Вместо фитольного остатка содержат фарнезильный -- . При вт ором углеродном атоме порфирин имеется вместо ацетильного оксиэтильный радикал . У некоторых зелёных бактерий имеется несколько процентов (до 10) бактериохлорофилла а. Все другие фотосин тезирующие организмы содержат в качестве основного зелёного пигмента хлорофилл а . От бактериохлорофилла а он отличается тем , что в положении 2 имеет винильный радикал , а кольцо В имеет ещё одну двойную связь (за счёт того , что содержит на 2 атома водорода меньше ). Кроме хлорофилла а , все высшие растения и большинство водорослей (за исключением сине-зелёных и красных ) содержат хлорофилл . Он отличается от хлорофилла а тем , что при уг леродном атоме 3 вместо метильной имеется формильная группа СНО. У бурых и хризофитовых водорослей , а также динофлагеллят обнаружен хлорофилл с , не имеющий остатка фитола. Красные водоросли имеют хлорофилл , который отличается от хлорофилла а тем, что вместо винильной группы при углеродном атоме 2 имеется формильный радикал. Распознавание различных видов хлорофилла осуществляется с помощью спектральных характеристик . Обычно изучают спектр поглощения растворов пигментов , реже – спектр люминесце нции . хлорофилл а хлорофилл b Хлорофилл d Хлорофилл а Хлорофилл b Министерство высшего и профессионального образования Российск ой Федерации Тверской Государственный Технический Университет Кафедра информатики и прикладной математики Курсовая работа «Хлорофилл : его свойства и биосинтез» Выполнил : студентка группы БТ -111 Н иколаева Е . С . Проверил : Семёнов А . В . Принял : Семёнов А . В . Тверь , 2001