3.3.2. Хлорофиллы

3.3.2.1. Основные элементы структуры и их значение в поглощении и преобразовании энергии.

Из большого числа разнообразных пигментов только две структуры – хлорофилл а и бактериохлорофилл а способны осуществлять процесс преобразования энергии, все остальные пигменты участвуют в процессах поглощения и миграции энергии. Анализ химического строения молекулы хлорофилла а показывает, что данная структура прекрасно приспособлена для выполнения трех основных функций в фотосинтезе – поглощения, запасания и преобразования энергии.

Основные функции хлорофиллов (магний-порфиринов) определены спецификой химического строения молекулы, ее физико-химическими свойствами, природой электронно-колебательных спектров. Функции Mg-порфиринов формировались в процессе эволюции в тесной связи с эволюцией фоторецепторных структур. Структурной основой молекулы Mg-порфирина является тетрапиррольная структура порфина, включающая 4 пиррольных кольца, соединенных метиновыми мостиками (рис. 3.8). Структурная единица порфина – пиррольное кольцо, состоящее из 4-х атомов углерода и атома азота, - является хромофором, способным поглощать энергию инфракрасной области спектра. Замыкание 4-х пиррольных колец в тетрапиррольную структуру порфина, химически более устойчивую, имело решающее значение в эволюции хлорофиллов как первичных фоторецепторов. Благодаря формированию циклической системы и эффекту сопряжения появляются интенсивные полосы поглощения в видимой области спектра с более высокой энергией квантов.

Образующиеся в процессе эволюции порфирины представляют собой сложную систему с общим π-электронным облаком, объединяющим 4 пиррольных кольца в единый цикл.

Порфириновый макроцикл уже обладает всеми свойствами, необходимыми для выполнения важнейших функций в фотосинтезе:

имеет определенный спектр поглощения в зеленой области (порфирины красного цвета);

проявляет активную красную флуоресценцию, что свидетельствует о фотохимической активности порфиринов;

является хелатообразователем, способным включать Mg, что позволяет осуществлять реакции, идущие с запасанием энергии;

обладает способностью к обратимым окислительно-восстановительным превращениям – фотовостановлению (может служить акцептором электрона, т.е. осуществлять фотоокисление органических веществ в отсутствие О₂) и фотоокислению (электрон-донорная функция при включении Mg).

В процессе эволюции пигментов изменяются их свойства полярности. Формируются порфирины, различающиеся по числу СООН-групп от уропорфирина (8 СООН-) и копропорфирина (4 СООН-) до протопорфирина, содержащего только 2 СООН-группы, появляется гидрофобный радикал – фитол. Возникновение менее полярных, более гидрофобных порфиринов обеспечило возможность включения их в мембранные структуры и образования пигмент-белковых комплексов с более длинноволновыми максимумами поглощения, а также определенную ориентацию пигментов, что необходимо для активных процессов поглощения и миграции энергии.

Дальнейшая эволюция пигментов шла по пути все большего усложнения их структуры. Изменяется степень восстановления пигментов. Различают три основные системы: порфин, дигидропорфин (хлорин) и терагидропорфин (бактериохлорин) (рис. 3.8). Изменение уровня восстановленности Mg-порфиринов, связанное с гидрированием двух полуизолированных связей (3=4 и 7=8) имело большое значение для формирования оптимальной электронной структуры молекулы и сопровождалось изменением спектральных и электрон-донорных свойств. Дополнительное гидрирование порфиринового макроцикла у хлорофилла и бактериохлорофилла привело к уменьшению потенциала ионизации и снижению количества энергии, необходимой для фотоокисления пигментов, что имело решающее значение для процесса преобразования энергии в реакционных центрах.

Усложнение общей структуры молекулы Mg-порфирина связанно с формированием пятого циклопентанного кольца с образованием системы «форбина» (рис. 3.9). Структура форбина характерна для всех представителей группы хлорофилла.

Известно 10 различных модификаций хлорофилла и бактериохлорофилла:

Хлорофилл а – универсальный пигмент высших растений и водорослей. У некоторых водорослей (сине-зеленых, некоторых красных водорослей) он представляет единственную форму хлорофилла. Максимум поглощения в органических растворителях 660-664 нм.

Хлорофилл b – дополнительный пигмент высших растений и водорослей, впервые появляется у эвгленовых водорослей, заменяя фикобилины. Отличается от хлорофилла а наличием альдегидной группы вместо метильной –СН₃ во II-ом пиррольном кольце. Максимум поглощения в ацетоне 645 нм.

Хлорофилл с – дополнительный пигмент бурых и диатомовых водорослей. Он содержит магний, не этерифицирован фитолом, связь 7=8 не гидрирована, остаток пропионовой кислоты при С₇ имеет двойную связь: -СН=СН-СООН.

Хлорофилл d – дополнительный пигмент красных водорослей, отличается от хлорофилла а наличием альдегидной группы при С₂ вместо -СН=СН₂. Максимум поглощения в органических растворителях 686 нм.

У фотосинтезирующих бактерий главным пигментом является бактериохлорофилл а с максимумом поглощения 770-780 нм (рис. 3.9).

Предшественником хлорофиллов является протохлорофилл или его безфитольная форма протохлорофиллид. У протохлорофилла в отличие от хлорофилла а двойная связь 7=8 в IV пиррольном кольце не гидрирована, восстановление ее осуществляется фотохимическим путем на заключительных стадиях биосинтеза хлорофилла.

Все рассмотренные модификации затрагивают лишь боковые группы, центральная часть молекулы остается неизменной. К числу основных элементов структуры относятся: 1) циклическая 8-ми членная система сопряженных связей, 2) центральный атом магния, 3) циклопентанное кольцо, 4) фитол (у бактериохлорофиллов с и d – фарнезол). Исследования последних лет позволяют раскрыть функциональное значение отдельных элементов структуры.

Конъюгированная система сопряженных связей у всех хлорофиллов представляет собой основную хромофорную группу, ответственную за избирательное поглощение световой энергии. Циклическая система сопряженных двойных связей, образующая делокализованную p-орбиту, имеет ряд дополнительных сопряжений: винильную группу в I кольце, полуизолированная связь во II кольце, С=О группа в V колце. В результате возникает сложно-разветвленная конъюгированная система, которая обеспечивает высокую поглощающую способность Mg-порфиринов. Спектры поглощения магний-порфиринов имеют два хорошо выраженных максимума поглощения в сине-фиолетовой (полоса Соре) и красной областях спектра (рис. 3.10). У хлорофилла b оба максимума расположены между максимумами поглощения хлорофилла а, что увеличивает области поглощаемой энергии хлоропластами высших растений.

Центральный атом магния определяет важнейшие физические и химические свойства молекулы магнийпорфирина. Включение магния в тетрапиррольную структуру значительно изменяет спектральные свойства хлорофилла. Влияние магния осуществляется через атомы азота пиррольных колец – двух третичных (-N=) и двух иминных (=NH). В щелочной среде два протона от иминных атомов азота замещаются на магний, образующий с двумя атомами иминного азота электровалентные связи. Два третичных атома азота стабилизируют это соединения за счет неподеленных пар электронов посредством координационной связи. При образовании комплексного соединения порфиринов с металлом электронная плотность по всем пиррольным кольцам выравнивается и они становятся эквивалентными. В результате этого изменяется симметрия молекулы, что сопровождается изменением ее спектральных характеристик.

Центральный атом магния определяет уникальные функции молекулы хлорофилла в фотосинтезе, связанные с поглощением, запасанием и преобразованием энергии. Д. Мозеролл (1974) считает, что использование магния первичными фототрофными организмами для построения фоторецепторных систем обусловлено определенными физико-химическими свойствами этого элемента. Магний отличается наиболее низкой величиной электроотрицательности (по Полингу, Mg=1,3; Zn=1,6; Cu=1,9), а магний-хелат порфирина имеет наиболее низкое значение редокс-потенциала, т.е. отличается наименьшей способностью удерживать электроны. При включении магния в тетрапиррольную структур снижается также величина потенциала ионизации. Поэтому, магний-производные порфирина являются сильными восстанавливающими агентами и в возбужденном состоянии способны восстанавливать соединения с высоким восстановительным потенциалом (-0,9 В).

Магний определяет ряд химических свойств хлорофилла. Обладая координационным числом 6, магний способен дополнительно образовать две координационные связи с атомами кислорода и азота. Благодаря этому, магний участвует в образовании ассоциатов молекулы хлорофилла с другими молекулами пигментов (при образовании димеров в реакционных центрах), с белками, липидами, фосфолипидами и другими компонентами хлоропласта. Образование ассоциатов обуславливает сильное смещение абсорбционного максимума в длинноволновую область. В результате этого (по данным Френча (1972) и Ф.Ф.Литвина (1973)) образуется серия так называемых «нативных» спектральных форм хлорофилла, выполняющих различные функции. Более коротковолновые формы (661, 670, 678 нм) участвуют главным образом в процессах поглощения энергии, более длинноволновые формы (683 нм) в процессах ее миграции, а пигменты реакционных центров (П680, П700) – в процессах преобразования энергии.

Дополнительное циклопентанное кольцо. Значение V кольца хлорофилла определяется наличием в нем двух полярных групп – кетогруппы ⁹C=О при 9-том атоме углерода и кетоэфирной группы при С¹⁰. Кетогруппа при ⁹С участвует в образовании водородной связи хлорофилла и молекулы воды. Через атом кислорода вода может образовать координационную связь с магнием одной молекулы хлорофилла и одновременно водородную связь с С=О группой другой молекулы. В результате образуются структуры Mg…О(Н)-Н…О=С. В данном случае воде принадлежит очень важная роль в образовании высокоорганизованных структур антенных комплексов. Неподеленные электроны атома кислорода ⁹С=О группы V кольца могут участвовать в поглощении световой энергии и возбуждаться с переходом на p-орбиту, обуславливая так называемые nàp^*переходы.

Большое значение в образовании светпоглощающих структур хлоропластов принадлежит кетоэфироной группе V кольца. В отличие от ⁹С=О группы, которая образует дополнительное сопряжение с p-электронной системой макроцикла, кетоэфирная группа при ¹⁰С не конъюгирует с циклической p-электронной системой, вследствие чего образует более прочную связь с молекулой воды. Кроме того, кетоэфирная группа находится в транс-положении по отношению к плоскости порфинного кольца. Это позволило предположить участие кетоэфирной группы в образовании димеров П700 и П680 в реакционных центрах фотосистем. Согласно модели Ф.Фонга (1974) образование симметричного димера в реакционном центре ФСI осуществляется при участии центральных атомов магния, кетоэфирных групп двух молекул хлорофилла а и двух молекул Н₂О с образованием структур типа (хл. а – Н₂О)₂ (рис. 3.11). Результаты работ японских ученых показали, что П700 представляет собой димер хлорофилла а и хлорофилла а^’, у которого кетоэфирная группа находится в цис-положении относительно плоскости молекулы (Watanabe et al., 1985). Таким образом, магний и кетоэфирная группа являются главными компонентами в молекуле хлорофилла для формирования димерных структур пигментов реакционного центра.

Фитол представляет собой полиизопреноидную цепь, состоящую из 20 углеродных атомов (спирт фитол – С₂₀Н₃₉ОН) и является гидрофобным радикалом молекулы хлорофилла. Фитольная цепь не находится в электронном сопряжении с макроциклом и поэтому практически не влияет на электронную структуру хлорофилла в возбужденных состояниях S₁^* и S₂^*. В нативной системе взаимодействие фитола с гидрофобными белками позволяет регулировать положение макроцикла по отношению к свету и, таким образом, изменять активность светопоглощения молекулой хлорофилла.