Жизнь на Земле возможна благодаря световой (главным образом, солнечной) энергии, которая преобразуется в энергию химических связей органических веществ, образующихся в процессе фотосинтеза. Фотосинтезом обладают все растения и некоторые прокариоты (фотосинтезирующие бактерии и синезеленые водоросли - цианобактерии). Организмы, способные к фотосинтезу, называются фототрофами.
У высших растений побег развился как орган воздушного питания. Поэтому, наряду с размножением, его основной функцией является обеспечение всего растительного организма органическими веществами, образованными в процессе фотосинтеза (греч. phos, photos - свет и synthesis - соединение, сочетание, составление). Этот процесс представляет собой сложную цепь реакций, в результате которых из углерода и водорода, полученных из неорганических источников, образуются органические соединения. Для нормального течения этих реакций необходима энергия. Растения получают ее от падающего света, что и дало название всему процессу. Свет улавливается особыми молекулами, которые получили название фотосинтетических пигментов (лат. pigmentum - краска). О них следует рассказать подробнее.
Они представлены молекулами, способными поглощать кванты (нем. Quantum - количество, лат. quantum - сколько) света. Поскольку при этом поглощается свет лишь определенной длины волны, часть световых волн не поглощается, а отражается. В зависимости от спектрального состава отраженного света пигменты приобретают окраску - зеленую, желтую, красную и др. В настоящее время различают три класса фотосинтетических пигментов - хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины.
Самым распространенным и наиболее важным фотосинтетическим пигментом является хлорофилл (греч. chloros - зеленоватый и phyllon - лист), который имеется практически у всех фототрофов (напоминаем, что фототрофами называются автотрофные организмы, способные к фотосинтезу). Хлорофилл неоднороден, насчитывается свыше десятка зеленых пигментов, отличающихся друг от друга атомными группами, присоединенными к пиррольным структурам порфиринового кольца, а также по некоторым другим характеристикам. Поэтому целесообразно начать с химической характеристики хлорофилла и других фотосинтетических пигментов.
Химически хлорофилл представляет собой сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина с двумя спиртами - фитолом и метанолом. Пространственная структура молекулы определяет свойства хлорофилла. Основой является плоское порфириновое ядро, образованное четырьмя пиррольными кольцами, соединенными между собой метановыми мостиками, с атомом магния в центре (рис. 161). В порфириновом ядре, кроме собственно пиррола, содержатся также его изомер — пирроленин и продукт неполного восстановления пиррола - пирролин (рис. 162). Поскольку в этих циклических соединениях, помимо атомов углерода, присутствует гетероатом (греч. heteros - другой) - азот, они называются гетероциклическими. Наличие двойных связей позволяет отнести их к ненасыщенным гетероциклам. Атомы углерода, расположенные в гетероцикле рядом с гетероатомом - азотом, обозначаются как α-атомы, а удаленные от него - β-атомы. Поскольку все связи α-углеродных атомов в молекуле хлорофилла заняты в формировании порфиринового кольца, они не определяют специфику различных видов хлорофилла, эту функцию выполняют β-углеродные атомы. Сами атомы азота взаимодействуют с расположенным в центре ядра атомом металла - магнием (отметим, что у близкого по строению гема, входящего в состав гемоглобина, миоглобина или цитохрома, в центре ядра находится атом железа). Так как в порфириновом ядре имеются многочисленные двойные связи, там присутствуют делокализованные (более подвижные) π-электроны, которых в ядре насчитывается 18. Позднее мы расскажем о значении таких электронов для фотосинтеза.
Рис. 161. Строение хлорофилла a:
1, 2, 3, 4- пиррольные кольца; серым выделено порфириновое ядро с делокализованными π-электронами (пояснения в тексте)
Фитол относится к дитерпенам (рис. 163), основу которых составляют остатки изопрена (рис. 164).
Такая структура молекулы определяет свойства хлорофилла - гидрофобный фитольный «хвост» надежно удерживает молекулу в гидрофобной части мембраны тилакоида хлоропласта, а гидрофильное порфириновое ядро обращено к строме хлоропласта. При этом само ядро ориентировано параллельно мембране, в которой находится хлорофилл.
Синтез хлорофилла довольно сложен и включает в себя 15 реакций, которые можно разделить на три этапа. Исходными веществами для синтеза хлорофилла являются глицин и ацетат. На первом этапе образуется δ-аминоле-вулиновая кислота. На втором этапе происходит синтез одной молекулы протопорфирина из четырех пиррольных колец. Третий этап представляет собой образование и превращение магний-порфиринов.
Все низшие и высшие растения, а также цианобактерии содержат различные хлорофиллы типа а. У высших растений, зеленых и эвгленовых водорослей имеется хлорофилл b (он образуется из хлорофилла а), который отличается от хлорофилла а присутствием формильной группы -СНО, вместо метильной (—СН3) у третьего атома углерода. Бурые и диатомовые водоросли вместо хлорофилла b содержат хлорофилл с, не имеющий остатка фитола, а красные водоросли — хлорофилл d, который отличается от хлорофилла а тем, что при углеродном атоме 2 порфиринового кольца вместо винильной группы имеется формильный радикал (рис. 165). Хлорофиллы бактерий имеют некоторые специфические особенности и называются бактериохлорофиллами (рис. 166).
Молекулы хлорофиллов способны, взаимодействуя друг с другом и молекулами белков, создавать агрегированные формы, различающиеся по длине волн поглощенного света. Хлорофилл а имеет два четко выраженных максимума поглощения - 660 - 663 нм и 428 - 430 нм. Хлорофилл b поглощает более короткие волны в красной части спектра и более длинные в синей. Его максимумы поглощения будут 642 - 644 нм и 452 - 455 нм соответственно. Все хлорофиллы слабо поглощают желтый и оранжевый свет, а зеленый они отражают, что и определяет зеленую окраску этого класса пигментов (рис. 167).
Рис. 167. Спектры поглощения пигментов хлоропластов:
1 - хлорофилл а; 2 - хлорофилл b; 3 - β-каротин; 4 - фикобелины
Бактериохлорофиллы отличаются от прочих типов хлорофиллов тем, что способны поглощать красный свет гораздо большей длины, чем хлорофиллы растений. Так, бактериохлорофилл зеленых бактерий утилизирует волны длиной 850 нм, бактериохлорофилл a пурпурных бактерий до 900 нм, а бактериохлорофилл b пурпурных бактерий - до 1100 нм (рис. 168). Это обстоятельство позволяет бактериям, особенно пурпурным, активно расти при наличии лишь не видимых человеческим глазом инфракрасных лучей.
Другую обязательную группу фотосинтетических пигментов образуют каротиноиды (лат. carota - морковь). Эти жирорастворимые пигменты могут иметь различную окраску - от желтой до красной. Они содержатся во всех окрашенных пластидах (хлоропластах и хромопластах) растений. Причем в зеленых частях растений хлорофилл маскирует каротиноиды, делая их незаметными до наступления холодов. Осенью зеленые пигменты разрушаются, и каротиноиды становятся хорошо заметными, определяя окраску осенних листьев.
Кроме растений, каротиноиды синтезируют фототрофные бактерии и, как это ни странно, грибы, которые по своей природе являются типичными гетеротрофами. Животные используют некоторые каротиноиды, однако, будучи не в состоянии производить их самостоятельно, нуждаются в поступлении этих соединений извне.
Рис. 168. Спектры поглощения клеток водорослей (Chlorella), зеленых и пурпурных бактерий
Каротиноиды подразделяют на две группы. В первую входят каротины, имеющие оранжевую или красную окраску. Вторую группу образуют ксантофиллы, окрашенные в желтый цвет. Химически все каротиноиды представляют собой производные изопрена (см. рис. 164). Молекулы часто имеют симметрию или близки к ней. Структура молекул может быть ациклической (т. е. не иметь замкнутых колец), моноциклической и бициклической (рис. 169). Эта характеристика интересна с точки зрения систематики. Так, у пурпурных бактерий имеются только ациклические каротиноиды, у зеленых бактерий, в основном, моноциклические, а у высших растений — только бициклические.
Рис. 169. Структурные формулы каротиноидов:
I - бициклические (fi-каротин): II - моноциклические (хпоробактин); III - ациклические (ликопин)
Полагают, что каротиноиды в растительном организме выполняют ряд функций, среди которых наиболее очевидными являются следующие: участие в фотосинтезе в качестве дополнительных пигментов антенных комплексов. Они способны поглощать свет, не доступный для других пигментов, и передавать его хлорофиллам. Кроме того, каротиноиды ослабляют фотоокисление хлорофилла в присутствии кислорода.
Третьей группой фотосинтетических пигментов являются фикобилины (греч. phykos - водоросль и лат. bills - желчь), которые присутствуют у некоторых водорослей (красных) и цианобактерий. Отдельными молекулами фикобилины, как правило, не представлены, а образуют комплексы с белками, с которыми они, в отличие от хлорофиллов, связаны прочными ковалентными связями. Комплексы таких пигментов с белками называются фикобилипротеидами (хромопротеидами), в которых пигменты представляют хромофорные группы, образованные тетрапирролами (но здесь, в отличие от хлорофиллов, четыре пиррола не образуют замкнутого кольца, а расположены линейно, кроме того, в молекуле отсутствует магний) (рис. 170).
Рис. 170. Структурные формулы фикобилинов:
I - фикоцианобилин; II - фикоэритробипин
Фикобилипротеиды делят на три группы. Первую образуют фикоэритрины (греч. phykos - водоросль и erythros - красный) - красные белки, поглощающие свет с длиной волны 498 - 568 нм. Вторую - фикоцианины (греч. phykos - водоросль и kyanos - лазурный), имеющие синеватый цвет; они поглощают свет с длиной волны 585 - 630 нм. В третью группу включены синие хромопротеиды - аллофикоцианины, поглощающие свет с длиной волны 585 - 650 нм.
Фикобилины, вместо хлорофилла b, входят в состав пигментов светособирающего комплекса, где поглощают свет и передают энергию хлорофиллу реакционных центров (подробнее об этом будет рассказано ниже). Удобство использования в этом качестве фикобилинов очевидно, потому что они поглощают оранжевые, желтые и зеленые лучи, которые хлорофилл поглощает слабо или не поглощает вовсе. Особенно это важно для водорослей, поскольку длинноволновый свет не способен проникать сквозь толщу воды даже на небольшую глубину (например, в морской воде красные лучи полностью исчезают на глубине 34 м).
Таким образом, сообща различные пигменты поглощают практически весь спектр световых лучей.
Рассмотрим возможные пути передачи энергии. Напомним, что согласно первому закону термодинамики энергия не может исчезать или возникать ниоткуда - она может лишь переходить из одного состояния в другое. Согласно второму закону термодинамики часть энергии в процессе такого перехода теряется в виде тепла из-за энтропии, причем величина энтропии возрастает при необратимых процессах (например, теплопроводность, диффузия) и остается постоянной при обратимых. Поэтому при межмолекулярной передаче молекула всегда отдает большее количество энергии, чем ее в итоге получает молекула-акцептор.
Величина энергии электрона определяет расстояние от него до ядра - чем меньше энергия электрона, тем ближе он к ядру, и наоборот. Любому энергетическому состоянию электрона соответствует определенный энергетический уровень (квантовый слой), характеризуемый главным квантовым числом n, которое имеет значения от единицы до бесконечности. Соответственно электрон, будучи на первом уровне, обладает минимальной энергией и максимально близок к ядру, а находясь на наиболее удаленном уровне, обладает максимальной энергией. При переходе на более далекий уровень электрон поглощает энергию, а при возврате на более близкий - выделяет в виде порций (квантов).
Согласно сказанному выше электроны молекул пигментов, поглотив энергию, переходят на более высокий энергетический уровень, т. е. становятся возбужденными. Однако рано или поздно они возвращаются на свой исходный (стационарный) уровень, выделив энергию, полученную ранее при возбуждении. При этом возможно три пути (рис. 171). В первом случае электрон, возвращаясь на стационарный уровень, отдает энергию в виде тепла, повышая тем самым уровень энтропии.
Рис. 171. Три возможных пути возвращения активированного хлорофилла (молекулы, содержащей высокоэнергетический электрон) в исходное невозбужденное состояние:
I - возбуждение; II - IV - пути возвращения в исходное состояние [II - лучистая энергия, поглощенная изолированной молекулой хлорофилла, полностью высвобождается в виде света (флуоресценция) и тепла; при фотосинтезе хлорофилл передает свою энергию другой молекуле в антенном комплексе (Іll - резонансная передача энергии) или отдает возбужденный электрон в реакционном центре (IV - последовательная передача электрона)]; 1 - электрон; 2 - невозбужденная молекула хлорофилла; 3 - возбужденная молекула хлорофилла; 4 - соседняя молекула хлорофилла; 5 - донор электрона; 6 - акцептор электрона; 7 - окисленный хлорофилл; 8 - восстановленный акцептор; 9 - окисленный донор (по Б. Албертсу и совет., с изменениями и дополнениями)
Результатом этого будет усиление теплового движения молекул. Во втором случае испускаемая возбужденным электроном энергия поглощается рядом расположенным (на расстоянии до 10 нм) электроном, который, поглотив эту энергию, тоже возбуждается и переходит на более высокий уровень, отдаляясь от ядра атома. Этот процесс получил название резонансной передачи энергии (см. рис. 171-III). Напоминаем, что согласно второму закону термодинамики энергетический уровень возбужденного соседнего электрона, получившего энергию посредством резонансной передачи, всегда будет ниже того уровня, на котором находился электрон, отдавший энергию при возвращении на стационарный уровень. Наконец в третьем случае возбужденный электрон оказывается столь далеко от ядра атома, что связь между ними становится непрочной, и электрон покидает эту молекулу, переходя на другую (рис. 171-IV).
Понятно, что первый путь для фотосинтеза не имеет значения, поскольку он ведет к полной потере полученной энергии в виде тепла, тогда как второй и третий пути представляют собой два способа полезного переноса энергии. Все фотосинтетические пигменты обладают способностью к резонансной передаче энергии, поэтому они являются вспомогательными пигментами, и только электроны хлорофилла способны, возбуждаясь, переходить на другую молекулу-акцептор. При этом источником энергии, которая переводит электроны в возбужденное состояние, является свет, поэтому всю совокупность процессов, основанных на энергии возбужденного светом электрона, называют фотосинтезом.
Известно, что свет представляет собой поток квантов в виде волн определенной длины. От частоты колебания электромагнитных волн зависит величина их энергии, которая максимальна у коротких волн и минимальна у длинных (табл. 2). Как мы уже говорили, молекула хлорофилла, поглотив порцию (квант) света, переходит в несколько иное по сравнению с обычным состояние, которое называют возбужденным. Это состояние отличается от тепловой активации молекул, поскольку каждый квант возбуждает лишь одну молекулу хлорофилла, передавая ей свою энергию.
Таблица 2
Длины волн и энергии фотонов различных участков спектра
|
Длина волны, нм |
Энергия фотонов |
|
|
кДж |
эВ (электрон-вольты) |
|
|
350 |
342,06 |
3,54 |
|
400 |
299,36 |
3,10 |
|
450 |
265,86 |
2,76 |
|
500 |
239,48 |
2,48 |
|
550 |
217,71 |
2,25 |
|
600 |
199,71 |
2,07 |
|
650 |
184,22 |
1,91 |
|
700 |
170,82 |
1,77 |
При этом квант поглощается не всей молекулой хлорофилла, а лишь одним из ее электронов, причем наиболее легко активируются электроны, находящиеся в порфириновом кольце хлорофилла. Поглотивший квант света электрон временно переходит со своего основного энергетического уровня на более высокий. При этом на основном уровне место перешедшего электрона остается вакантным (появляется электронная «дырка») и вся молекула становится возбужденной.
Время нахождения электрона на верхнем энергетическом уровне очень ограничено и зависит от некоторых обстоятельств. Прежде всего от знака спина электрона и характера ковалентных связей между атомами в молекуле. Напомним, что спин (англ, spin - вращаться) показывает механический момент вращения электрона вокруг собственной оси и обозначается спиновым квантовым числом ms, которое может иметь значение -1/2 и +1/2. При этом электроны, имеющие одинаковое направление спина, называются параллельными, а разное - антипараллельными.
В тех случаях, когда атомы связаны одинарными ковалентными связями (такие молекулы называются насыщенными), для активации электронов необходимы кванты с высоким уровнем энергии - ультрафиолетовые лучи или лучи Рентгена. Это происходит потому, что одинарные ковалентные связи образуют два s-электрона, формирующих высокую электронную плотность по линии связи (рис. 172), - это σ-связи. Если при этом возбудившийся электрон не изменяет свой спин, время его нахождения на высоком энергетическом уровне составляет всего 10-14 сек., после чего электрон вновь возвращается на свой исходный основной уровень.
Рис. 172. Перекрывание различных электронных облаков при образовании σ-связи:
А - s-s-облака; Б - s-p-облака; В - р-р-облака; Г - d-d-облака
В ненасыщенных молекулах, имеющих сопряженные двойные связи, кроме σ-электронов, образующих жесткий скелет локализованных связей, присутствуют еще р-электроны (например, в молекуле этилена между атомами углерода образуется одна σ-связь и одна π-связь). В отличие от a-связи, π-связь имеет место в случае перекрывания атомных орбиталей по обе стороны оси, соединяющей ядра связанных атомов (рис. 173). Такие электроны не привязаны к какой-нибудь отдельной связи, а совместно образуют подвижную систему, которая распространяется по всему скелету двойных связей. Они называются делокализованными, их облака пространственно обширнее s-электронов, и поэтому они значительно слабее связаны с ядрами атомов. Для возбуждения делокализованных электронов требуется меньшее количество энергии, причем энергетические затраты еще в большей степени снижаются при повышении длины сопряженных двойных связей или при наличии системы циклически замкнутых сопряженных двойных связей.
Рис. 173. Перекрывание электронных облаков при образовании π-связи:
А - р-р-обпака; В - d-p-облака; В - d-d-облака
Напомним, что в молекуле хлорофилла имеется порфириновое кольцо, образованное девятью парами чередующихся между собой двойных и одинарных связей с восемнадцатью делокализованными π-электронами (см. рис. 161). Эти электроны значительно дольше находятся в возбужденном состоянии и возвращаются на основной энергетический уровень приблизительно через 10 9 сек. Если при этом вдобавок изменится знак спина электрона, последний может задержаться на высоком энергетическом уровне еще дольше - до 0,01 сек. и даже больше. Все объясняется тем, что согласно принципу Паули на одном уровне одновременно не могут находиться два электрона с одинаковым значением спина, поэтому возбужденный электрон не может вернуться «домой», пока не примет прежнее вращение, т. е. ему необходимо восстановить свой знак спина.
Если возбужденный электрон не изменяет спин, его состояние называют синглетным (англ, single - один, единственный), потому что при анализе спектра поглощения такому переходу электрона соответствует одна линия. Такое состояние обозначают символом S*. В случае, когда электрон при переходе на более высокий энергетический уровень изменяет знак спина, его состояние называют триплетным, потому что при анализе в спектре присутствуют три линии, и его принято обозначать символом Т*.
Возврат электрона на исходный уровень сопровождается выделением энергии в виде тепла, или же она высвечивается в виде кванта света с длиной волны всегда большей (правило Стокса), чем у поглощенного кванта света. Напоминаем, что длинные волны обладают меньшей энергией, чем короткие, поэтому хлорофилл поглощает синий и красный свет, а излучает только длинноволновый красный. Свечение хлорофилла, вызванное выделением избыточной энергии при возвращении его на нормальный энергетический уровень, называется флуоресценцией (лат. fluor - течение). Этот процесс имеет место в тех случаях, когда электрон не изменяет свой спин. Если знак спина меняется на противоположный и возбужденная молекула переходит в триплетное состояние, то обретение ею нормального состояния значительно задерживается во времени по причинам, которые были описаны выше. Поскольку уровень Т* расположен несколько ниже S*, этот процесс сопровождается излучением кванта с еще большей длиной волны, чем при флуоресценции. Такое более слабое свечение называется фосфоресценцией (греч. phos - свет и phoros - несущий).
Количество фиксированных молекул углекислого газа в расчете на единицу поглощенной энергии определяет энергетическую эффективность фотосинтеза. Как мы уже говорили, у основного фотосинтетического пигмента хлорофилла имеются два пика поглощения света — в синей и красной, а также частично в инфракрасной частях спектра. Солнце излучает максимальное количество квантов длинноволновой части спектра, и следует отметить, что энергетическая эффективность таких лучей почти вдвое выше, чем синих, потому что при поглощении высоко энергетически насыщенных коротких волн происходит тепловое рассеивание значительной части энергии.
Итак, в основе всех энергетических процессов, которые происходят в живых организмах, лежит энергия возбужденного электрона хлорофилла, которую он получает, поглощая квант света. Теперь настало время проследить путь этого электрона, причем, как мы увидим позже, он в прямом смысле этого слова может быть весьма извилистым.