Сущность и значение фотосинтеза Пигментные системы

Лекция 3
Сущность и значение
фотосинтеза
Пигментные системы
фотосинтетического аппарата
Вопросы
1. Основные стадии фотосинтеза.
2. Структурная организация
фотосинтетического аппарата.
3. Хлорофиллы, их строение, химические,
физические свойства и функции.
4. Биосинтез хлорофилла.
5. Каротиноиды, билихромопротеины
(фикобилины), их строение, классификация и
функции.
6. Электронно-возбужденное состояние
пигментов и типы дезактивации
возбужденных состояний.
Фотосинтез
процесс создания
органических веществ из
неорганических с помощью
световой энергии
Откуда берется выделяемый при
фотосинтезе О2:
из СО2 или Н2О?
энергия
СО2 +
2Н218О
света
(СН2О) + 18О2 + Н2О
Схема общего хода фотосинтеза
световая энергия
используется на
разложение воды
выделяется
кислород
образуется
«водород»
(восстановительная которая тратится:
1) на восстановление
сила)
СО2 до конечного
продукта фотосинтеза
(СН2О)
2) на образование
новой молекулы
воды
Основные стадии фотосинтеза
Световые и темновые реакции
Световые реакции:
Темновые реакции:
Зависят от света
Не зависят от света
Не зависят от температуры
Зависят от температуры
Быстрые < 10 -5с
Медленные ~ 10 -2 с
Протекают на мембранах
Протекают в строме Хл
Структурная организация
фотосинтетического
аппарата
Лист как орган фотосинтеза

Выполнение листом этой функции
связано с содержанием в хлоропластах
фотосинтетических пигментов.
Отклонения от типичного строения
листа, связанные с генетическими
различиями
Структурные особенности С4-растений:
поперечный разрез листа кукурузы:
1 – эпидермис; 2 – межклетники; 3 – мезофилл;
4 – проводящий пучок; 5 – клетки обкладки
(С4-растения)
кукуруза, сахарный тростник
каждый проводящий пучок окружен
одним слоем крупных клеток
хлорофиллоносной паренхимы,
образующих обкладку проводящего
пучка.
 Фотосинтез идет и в клетках

мезофилла и в клетках обкладки
проводящего пучка
Хлоропласт-органелла фотосинтеза
Пигменты



это вещества, избирательно поглощающие свет в
видимой части спектра.
При освещении белым светом их цвет определяется
только лучами, которые они отражают или пропускают.
Способность пигментов поглощать свет, связана:
1. наличие в молекулах правильно чередующихся
двойных и одинарных связей - сопряженные или
коньюгированные связи.
2. между двумя атомами, связанными двойными
связями, находится 4 электрона - половина этих
электронов может свободно перемещаться вдоль
системы (делокализованные электроны).

Поглотив квант света, электрон может оторваться
от молекулы пигмента, т. е. становится донором
электронов для восстановления веществ.
е-
хл
А (акцептор)
+
«дырка»
h
высшие растения содержат
2 формы зеленых пигментов
хла
хлb


2 формы желтых пигментов
(каротиноиды):
каротины

ксантофиллы
Фикобилины
Криптофитовые
Красные
Сине-зеленые водоросли
Суммарный химический состав
молекулы хлорофилла :
хл а
 хл b



С55Н72О5N4Mg – сине-зеленый
С55Н70О6 N4Mg – желто-зеленый
По химической природе хлорофилл –
сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина,
в одном карбоксиле которой водород замещен
остатком метанола, а в другом – фитола:
С32Н30ON4Mg
COOCH3
COOC20H39
остаток хлорофиллина
остаток метанола
остаток фитола
H2C=CH
1
2
3
I
II
Mg
N
H3C
8
III
1
(CH2)2
10
V

5
6
9
COOCH3
COOC20H39

C2H5
H
Хл в
Хл а
IV
7
4
N
N
C
N
H3C
O
CH3
-OC20H39-остаток спирта фитола
-OCH3- остаток метилового спирта
O
CH3
1,3,5,8-тетраметил2-винил-4-этил-9-оксо10-метакарбокси7-фитилпропионовой
кислоты –
Mg-комплексный эфир
форбин








Молекулу хлорофилла делят на 2 части:
порфириновое ядро и
фитольный хвост
Фитольный хвост в два раза длиннее ядра.
Порфириновое ядро благодаря наличию атомов
кислорода и азота гидрофильно - размещается в
гидрофильной части мембраны тилакоида;
содержит коньюгированные связи -поглощает свет
Фитольный хвост – это углеводородная, а значит
гидрофобная часть молекулы хлорофилла –
роль якоря, который удерживает молекулу хлорофилла
в гидрофобной части мембраны тилакоида
Растворимость пигмента в бензине, его гидрофобность
обусловлена остатком фитола.
Атом Mg также влияет на поглощение света молекулой
хлорофилла
-
Этапы биосинтеза хлорофилла:
2 молекулы
Глутаминовая к-та → δ-Аминолевулиновая к-та →
4 молекулы
т
 Порфобилиноген →
Ферменты
е
 Уропорфириноген I и III →
биосинтеза
 копропорфириноген III →
м
хлорофилла
локализованы
 протопорфириноген IХ →
н
Mg
в хлоропластах
 протопорфирин IХ →
о
 Mg-протопорфирин IХ →
т
 метиловый эфир
а
Mg-протопорфирина →
 протохлорофиллид →
с
 протохлорофиллид голохром →
в
е
 хлорофиллид а голохром →
фитол
т
 хлорофиллид а →
 хлорофилл
Каротиноиды







жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого и
красного цветов.
входят в состав хлоропластов и хромопластов, незеленых
частей растений (цветов, плодов, корнеплодов).
В зеленых листьях их окраска маскируется хлорофиллом.
Разрушение хлорофилла осенью или при воздействии
неблагоприятных факторов приводит к пожелтению
листьев.
Каротиноиды являются тетратерпеноидами
(8 остатков изопрена) и содержат 40 атомов С.
представляют собой цепи, которые имеют, как и
хлорофилл, двойные сопряженные связи. На одном или
двух концах цепи находятся иононовые кольца.
Каротиноиды делят на две группы: каротины и
ксантофиллы.
Каротины, например α-каротин (С40Н56) представляет
собой чистые углеводороды (тетратерпены):
H 3C
CH3
H
CH3
CH3


H3C
H
H
H
CH3
H
H
H
H
H
H
H 3C
Н
H
H
CH3
H
CH3
H
H 3C
CH3
-каротин
α-Каротин имеет одно β-иононовое кольцо
(двойные связи между С5 и С6), а второе –
ε-иононовое (двойные связи между С4 и С5).
β-Каротин - имеет 2 β-иононовых кольца.
CH3
H
CH3
CH3
H
Иононовое кольцо
H
H
CH3
H
H
H
H
H
H
CH3
H
H
H
CH3
H3C
H
H3C
-каротин
изопреновая цепь
Иононовое кольцо
CH3
ксантофиллы: лютеин С40Н56О2 и виолоксантин
С40Н56О4 являются окисленными соединениями.
H3C
H
CH3
H
CH3
HO
H 3C
CH3
H
O
HO
CH3
CH3
H
CH3
H
H
H
H
H
H
CH3
H
H
CH3
H3C
H
OH
CH3
Лютеин
CH3
H
H
H3C
H
H
H
CH3
H
H
H
H
H
H
CH3
H
H
H
CH3
H 3C
OH
O
H
H 3C
В иолаксантин
Каротины имеют оранжевую или красную окраску,
ксантофиллы – желтую.
CH3
Законы поглощения света




Пигменты зеленого листа поглощают
свет:
1. Только свет, который поглощается,
может производить химическое действие.
2. Каждый квант активирует только одну
молекулу.
3. Вся энергия кванта поглощается одним
электроном, который подымается на более
высокий энергетический уровень.
Поглощение света
одноквантовый,
одноэлектронный
физический процесс
Спектры поглощения
1- хл а
2- хл в
3- β-каротин;
4- фикоэритробилин
2
4
1
3
1
2
Спектры поглощения некоторых
фотосинтетических пигментов (Avers, 1985):

Весь спин атома или молекулы является векторной
суммой спинов всех электронов.
Спин = h/2π
+1/2 -1/2

Величина полного спина обозначается символом S.

Cпиновая мультиплентность


количество возможных ориентаций электронного
состояния в пространстве спина или молекулы ––
выражается формулой 2S + 1, где S – величина полного
спина целого атома или молекулы.
если S = 0 (спин =+1/2+ (-1/2)=0),
проекция спинов всех электронов на направление
магнитного поля взаимно умножается и
2S + 1=2·0+1=1
Состояние Хл, когда полный спин S=0 - синглетное
(single-один, единственный).

когда
S
=
1, то такое положение называется
триплетным (2S + 1 = 3).
Принцип Паули



Наиболее устойчивы те состояния атомов, в
которых валентные электроны занимают самые
низкие энергетические уровни и распределены
по ним согласно принципу Паули:
Если атом имеет четное количество электронов,
то их спины (векторы магнитных моментов,
равные +1/2 или –1/2) направлены
противоположно друг другу и суммарный спин
всех электронов атома равен 0. Синглетное
состояние (S=0)
Если же число электронов в атоме четное, но
спины двух электронов параллельны, то полный
спин равен 1 (S=1). Триплетное состояние.
Энергетические состояния
молекулы Хл
41 S*1
, ккал/моль
квантов
65 S*2
теплота
31
S0
430
hυ
680
hυ
T
Дезактивация электронного
возбуждения






Время нахождения электрона на верхнем уровне, в
возбужденном состоянии очень мало. При возвращении из
возбужденного в основное состояние (дезактивация
электронного возбуждения) энергия может выделяться
1) в виде тепла (безизлучательные переходы),
2) в виде света (флуоресценция, фосфоресценция) (излучательные переходы),
3) затрачиваться на фотохимическую работу (фотохимическая
дезактивация)
4) передаваться другим молекулам, которые перейдут, в свою
очередь, в возбужденное состояние (передача возбуждения).
Время, необходимое для реакции дезактивации
возбужденного состояния, выражают через время жизни.