Лекція 9 розділ ФОТОСИНТЕЗ Пластидні пігменти структура і

Лекція 9 розділ ФОТОСИНТЕЗ Пластидні пігменти: структура і функції

• Гетеротрофи • Афтотрофи

Де локалізовані фотосинтетичні пігменти? Чому ми бачимо листок зеленим? Як працюють пігменти під час фотосинтезу?

План лекції 1. Хлорофіли – основні фотосинтетичні пігменти 2. Каротиноїди – допоміжні пігменти фотосинтезу 3. Фікобіліни – пігменти водоростей

де h– постійна Планка Е- енергія с – швидкість світла у вакуумі Променева енергія випромінюється і розповсюджується у вигляді дискретних одиниць – квантів або фотонів. Квант світла володіє енергією, яка прямо пропорційна частоті коливань і обернено пропорційна довжині хвилі.

1901 -1903 рр. М. С. Цвєт відкрив принципово новий метод розділення пігментів на окремі речовини, який він назвав адсорбційною хроматографією.

Всі пігменти, що зустрічаються в листках, поділяють на 3 групи: • Зелені – Mg-порфірини • Жовті – каротиноїди • Фікобіліни – специфічні пігменти водоростей Всі наземні рослини містять хлорофіли та каротиноїди. Хроматограма пігментів листка Фотосинтетичні пігменти містяться в хлоропластах, а саме в тилакоїдах гран та фретах строми.

1. Хлорофіли – основні фотосинтетичні пігменти Хлорофіли – естери дикарбонової кислоти хлорофіліну, в якої одна карбоксильна група етерифікована залишком метилового спирту, інша – залишком спирту фітолу.

• хлорофіл а: Mg. N 4 ОH 30 C 32 • хлорофіл в: CH 3 COOC 20 H 39 СОН Mg. N 4 О 2 H 28 C 32 Ріхард Вільштеттер COOC 20 H 39 1872— 1942 Елементний хімічний склад хлорофілу а (С 55 H 72 N 4 O 5 Mg) і хлорофілу b (C 55 H 70 N 4 O 6 Mg) був визначений нім. вченим Ріхардом Вільштеттером. Він показав, що у всіх рослин хлорофіл однаковий. (У 1915 році отримав Нобелівську премію з хімії).

Структурну формулу хлорофілу розшифровано до 1940 р. нім. хіміком Хансом Фішером, який отримав Нобелівську премію за розшифровку структури гема. Він довів, що гемоглобін складається із білка глобіна і барвника гема. Ханс Фішер 1881 -1945

Найважливішою частиною молекули є цетральне ядро, що складається з 4 -х пірольних кілець, з`єднаних метиновими містками (-СН-).

Порфіринове ядро містить систему 10 кон`югованих зв'язків (-С=С-), що зумовлює делокалізацію подвійних зв'язків і рухливість Π-електронів та забезпечує поглинання світла. Польські вчені Марцел Ненцкий і Леон Мархлевський у 1887 році показали, що основу молекули хлорофілу, як і гему гемоглобіну, складає порфіринове кільце.

В центрі молекули хлорофілу – атом магнію, з`єднаний координаційними та ковалентними звязками з 4 -ма атомами азоту. Зелене забарвлення хлорофілу зумовлює наявність хромофорної групи у порфіриновому ядрі із атомом магнію в центрі. Молекула хлорофілу

Порфіринове ядро, гідрофільні властивості Фітольний залишок, гідрофобні властивості Унікальна властивість хлорофілів – поєднання гідрофільних та гідрофобних властивостей молекули. Порфіринове ядро молекули хлорофілу забезпечує її гідрофільні властивості, довгий вуглецевий залишок фітолу надає гідрофобних властивостей, завдяки чому молекула є полярна, що має важливу роль для локалізації та орієнтації молекул хлорофілу в фотосинтетичній мембрані між білками та ліпідами.

Хлорофіл а Хлорофіл в Бактеріохлорофіл а

Подібність структурної будови молекули хлорофілів та інших природних тетрапіролів Хлорофіл а Феофітин Хлорофіл в Хлорофіл d Гемін в (Fe-порфірин). Вітамін В 12 (Со-порфірин)

Спектр видимого світла Гамма Хпромені УФ ІЧ Мікро хвилі Радіо хвилі Видиме світло Менша довжина хвилі Вища енергія Більша довжина хвилі Нижча енергія Фотосинтез вищих рослин відбувається у видимій ділянці спектру – 400 -700 нм, це фотосинтетично активна радіація (ФАР)

Оптичні властивості хлорофілів Максимуми поглинання: • Хлорофіл а: червона ділянка спетру – 660 -663 нм синьо-фіолетова – 428 -430 нм Довжина хвилі, нм Спектри поглинання хлорофілу а та в • Хлорофіл в червона ділянка спетру – 642 -644 нм синьо-фіолетова – 452 -455 нм.

• Максимум поглинання в синій ділянці зумовлений системою кон`югованих зв'язків у порфіриновому ядрі, • Поглинання у червоній ділянці пов'язане з гідруванням подвійного зв'язку у 4 пірольному кільці та наявністю атому магнію.

Коефіцієнт поглинання Спектри поглинання хлорофілів Довжина хвилі, нм

Флуоресценція розчину хлорофілів у полярному розчиннику Схема електронних переходів для магній-порфіринів у полярному розчиннику Можливі шляхи трансформації енергії першого збудженого синглетного стану хлорофілу

Основні етапи біосинтезу хлорофілів глутамат Глутаміл-т. РНК Глутамат-1 -семіальдегід δ-амінолевулінова кислота Протопорфірин IX Mg-протопорфірин IX Ме Протохлорофілід а Хлорофіл а

Біосинтез хлорофілів глутамін гемін Хлорофіл а Хлорофіл в

Вперше хлорофіл штучно синтезували Р. Вудворт і М. Штрель, за що отримали Нобелівську премію у 1960 р. Підтвердили правильність структурної формули Г. Фішера. Роберт Вудворд 1917 -1979

• Вміст хлорофілів становить 0, 6 -1, 2% сухої ваги листка і визначається балансом між синтезом нових молекул та розпадом відпрацьованих. Хлорофілу а є в 3 рази більше, ніж хлорофілу в. Нестача хлорофілу викликає хлороз – пожовтіння листків.

Функції хлорофілів: • поглинання світла; • передача енергії збудження з одних молекул на інші; • первинний розподіл зарядів у фотосинтетичній мембрані. Хлорофіли в мембрані знаходяться у зв’язаному стані з білками і ліпідами. На 1 молекулу білка (17 к. Да) припадає 3 -10 молекул хлорофілу і 1525 молекул ліпідів.

2. Каротиноїди – допоміжні пігменти фотосинтезу За хімічною будовою каротиноїди – симетричні октаізопрени (8 залишків С 5 Н 7), що містять 40 атомів вуглецю, що мають жовте, оранжеве, червоне забарвлення. У хлоропластах вищих рослин є – Каротини (С 40 Н 56), не містять кисню – Ксантофіли (С 40 Н 56 Ох), містять кисень

Каротиноїди мають гідрофобні властивості, саме тому вони локалізовані в ліпідній фазі мембран тилакоїдів. Вони можуть бути • Ациклічні, не містять іононового кільця • Моноциклічні, містять одне кільце • Біциклічні, містять два кільця

Основними каротиноїдами пластид (98%) є: • • в-каротин, лютеїн, віолаксантин, неоксантин

Зв’язок між каротинами та ксантофілами β-каротин a-каротин зеаксантин Іононове кільце лютеїн віолаксантин

β-каротин, С 40 Н 56 Лютеїн, С 40 Н 56 О 2 Неоксантин, С 40 Н 56 О 4 флавоксантин, С 40 Н 56 О 3 Зеаксантин, С 40 Н 56 О 2

Оптичне поглинання (відн. од. ) Спектри поглинання каротиноїдів β-каротин лютеїн неоксантин віолаксантин зеаксантин Довжина хвилі, (нм) Максимум поглинання каротиноїдів зосереджений у синій ділянці спектру – 380 -450 нм, пов’язаний із делокалізацією П-електронів у системі кон`югованих зв'язків поліізопреноїдного ланцюга.

Функції каротиноїдів • Поглинання світла в синій ділянці спектру (додаткові пігменти) • Передача енергії збудженого стану на хлорофіл; • Утворення і видалення синглетного кисню; • Гасіння триплетного збудженого стану хлорофілу; • Фотопротекторна функція – захист хлорофілу від фотоокислення при надмірному освітленні.

Віолаксантиновий цикл Існує регульована світлом ферментативна система, яка підтримує на певному рівні вміст лютеїну і віолаксантину (за Сапожніковим). На світлі відбувається перетворення віолаксантину в лютеїн, в темноті – лютеїну у віолаксантин. Деепоксидаза, світло Віолаксантин Лютеїн Епоксидаза, темрява

Біосинтез каротиноїдів у вищих рослин Вихідною сполукою для біосинтезу є ацетат, який перетворюється в активну форму за допомогою ацетилкоензиму –А-синтетази.

• Зелених пігментів є в 3 -4 рази більше, ніж жовтих • Ксантофілів у 2 рази більше, ніж каротинів Пігменти листка поширені окисно-відновними парами: • Хлорофіл а – хлорофіл в • Каротин – ксантофіл

3. Фікобіліни – пігменти водоростей Фікобіліни (від гр. phýkos – водорость і лат. bilis – жовч), пігменти червоних і синьо-зелених водоростей Хромофорні групи фікоціанінів і фікоеритринів

Фікоеритрин (480…. 570 нм) Фікоціанін (550… 650 нм) Модель типової фікобілісоми ціанобактерій: 1 — мембрана тилакоїда; 2 — алофікоціанінове ядро; 3 — фікоціанін; 4 — фікоеритрин; 5 — білок, що забезпеує кріплення фікобілісоми до тилакоїдної мембрани Основна функція фікобіліпротеїнів – допоміжні пігменти фотосинтезу

Фікоеритробілін у сполученні з білком називають фікоеритрином. Він добре розчинний у воді, поглинає кванти зеленої частини спектра (500. . . 568 нм) Фікоеритробіліни (C 34 H 47 N 4 O 8) трапляються переважно у червоних водоростей, де й визначають їхнє забарвлення, адже фікоеритрини — білки червоного кольору. Фікоеритрин Родіменія червона водорость

Спектри поглинання фікобілінів Фікоціанін Фікоеритроціанін Алофікоціанін Коефіцієнт поглинання Фікоеритрин Довжина хвилі, нм

Спектральні характеристики пігментів

ФОТОСИНТЕЗ

ДЯКУЮ ЗА УВАГУ!

Явище флуоресценції хлорофілу Збуджений стан Виділення тепла Квант світла Виділення світла (флуоресценція) Основний стан Флуоресценція розчину хлорофілу

Регуляція біосинтезу хлорофілу глутамат Глутаміл-т. РНК Глутамат-1 -семіальдегід δ-амінолевулінова кислота Протопорфірин IX Mg-протопорфірин IX Ме Протохлорофілід а Хлорофіл а