Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Светозависимый биосинтез хлорофилла

Покупка
Артикул: 629995.02.99
В книге последовательно рассматриваются этапы заключительного этапа биосинтеза хлорофилла от формирования активного протохлорофиллид-ферментного комплекса до путей образования пигментов реакционных центров фотосинтетических систем. Обсуждаются фундаментальные исследования прошлых лет и результаты новейших исследований, осуществленных с помощью современных методов молекулярной биологии. Большое внимание уделено приоритетным исследованиям российских ученых. Для ученых-биофизиков, а также для преподавателей, аспирантов и студентов биологических вузов.
Беляева, О. Б. Светозависимый биосинтез хлорофилла : монография / О. Б. Беляева ; под ред. проф. Ф. Ф. Литвина. - 4-е изд. - Москва : Лаборатория знаний, 2020. - 235 с. - ISBN 978-5-00101-800-1. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1200545 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
СВЕТОЗАВИСИМЫЙ
БИОСИНТЕЗ
ХЛОРОФИЛЛА

О. Б. Беляева

Москва
Лаборатория знаний
2020

4е издание, электронное

УДК 577
ББК 28.57
Б44

Беляева О. Б.
Б44
Светозависимый биосинтез хлорофилла / О. Б. Беляева
;
под
ред.
проф. Ф. Ф. Литвина. — 4-е
изд.,
электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2020. — 235 с. —
Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". —
Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-800-1
В книге последовательно рассматриваются этапы заключительного
этапа
биосинтеза
хлорофилла
от
формирования
активного
протохлорофиллид-ферментного
комплекса
до
путей
образования
пигментов
реакционных
центров
фотосинтетических систем. Обсуждаются фундаментальные
исследования прошлых лет и результаты новейших исследований, осуществленных с помощью современных методов
молекулярной биологии. Большое внимание уделено приоритетным исследованиям российских ученых.
Для ученых-биофизиков, а также для преподавателей,
аспирантов и студентов биологических вузов.
УДК 577
ББК 28.57

Деривативное издание на основе печатного аналога: Светозависимый биосинтез хлорофилла / О. Б. Беляева ; под ред.
проф. Ф. Ф. Литвина. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний,
2009. — 232 с. : ил. — ISBN 978-5-94774-926-7.

В
соответствии
со
ст. 1299
и
1301
ГК
РФ
при
устранении
ограничений, установленных техническими средствами защиты
авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя
возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-800-1
c○ Лаборатория знаний, 2015

2

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Глава I. Протохлорофилл(ид) — предшественник
хлорофилла в листьях растений . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
I.1. Множественность форм предшественника хлорофилла
in vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

I.1.1. Химическая гетерогенность предшественника
хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Протохлорофилл и протохлорофиллид. . . . . . . . . . . . 21
Моновинил- и дивинил-протохлорофилл(ид). . . . . . . . 26
К вопросу о синтезе протохлорофиллида в . . . . . . . . . 29

I.1.2. Спектрально различные формы
протохлорофилла(ида) in vivo и их
фотохимическая активность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Основные формы предшественника хлорофилла . . . . . 42
О двух пулах активной формы
протохлорофиллида Пхлд655/650 . . . . . . . . . . . . . 47

Полосы поглощения и возбуждения
флуоресценции основных форм предшественника
хлорофилла в области 400–600 нм . . . . . . . . . . . . . 49

Спектры фосфоресценции основных форм
предшественника хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Длинноволновые формы протохлорофилла(ида) . . . . . 53

I.2. Активные пигмент-ферментные комплексы
предшественника хлорофилла: строение, функции
и локализация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

I.2.1. Фотофермент НАДФН-протохлорофиллидоксидоредуктаза (ПОР) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Молекулярная структура. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Вторичная структура ПОР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Îãëàâëåíèå

Активный сайт ПОР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Специфичность ПОР к субстрату . . . . . . . . . . . . . . . . 64

I.2.2. Гетерогенность протохлорофиллидоксидоредуктазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

I.2.3. Локализация активного комплекса в пластидах,
связь фотофермента с мембранами . . . . . . . . . . . . . . . 71

Связь ПОР с мембранами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

1.2.4. Роль агрегации протохлорофиллида и ПОР
в образовании фотохимически активного комплекса . . 74

I.2.5. Дополнительные компоненты, ассоциированные
с активным пигмент-ферментным комплексом
этиолированных листьев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Флавины как компонент активного комплекса
биосинтеза хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

О гипотетическом светособирающем
пигмент-белковом комплексе этиопластов . . . . . . . . 81

Роль липидов в образовании активного комплекса
протохлорофиллида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Минорные полипептиды как компоненты нативных
комплексов предшественника хлорофилла. . . . . . . . 85

I.3. Регуляция биогенеза активного комплекса
предшественника хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

I.3.1. Световая регуляция биосинтеза молекулы
протохлорофиллида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

I.3.2. Световая регуляция биосинтеза
протохлорофиллид-оксидоредуктазы (и, как следствие,
активной формы протохлорофиллида) при участии
фитохрома. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Cветовая регуляция транскрипции ПОР. . . . . . . . . . . 89
Регуляция накопления активной формы
предшественника хлорофилла с участием
фитохрома А . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Зависимость экспрессии генов ПОР
от интенсивности света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

I.3.3. Регуляторная роль фитогормонов в формировании
активного комплекса протохлорофиллида . . . . . . . . . . 93

Глава II. Фотохимическая стадия биосинтеза
хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
II.1. Последовательность реакций при зеленении
этиолированных листьев. Общая схема . . . . . . . . . . . . . . . 95

4
Оглавление

II.1.1. О двух последовательных фотохимических
реакциях в процессе биосинтеза хлорофилла . . . . . . . 100

II.1.2. Разветвление цепи реакций биосинтеза
хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

II.1.3 Темновая реакция Хлд690/680 Хлд695/685 . . 107
II.1.4. Коротковолновый темновой спектральный сдвиг
Хлд695/685 Хл683/670. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

II.1.5. Завершающий длиннoвoлнoвый сдвиг
и формирование нативных форм хлорофилла. . . . . . . 112

II.2. Развитие схемы фотохимических и темновых
реакций заключительной стадии биосинтеза хлорофилла
и пути биосинтеза пигментных компонентов реакционных
центров двух фотосистем фотосинтеза . . . . . . . . . . . . . . . 115

II.2.1. Биосинтез феофитина а — компонента РЦ
фотосистемы II, в процессе зеленения этиолированных
листьев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

II.2.2. Биосинтез длинноволнового хлорофилла,
возможного компонента РЦ ФС II, при зеленении
этиолированных листьев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Образование нативных форм хлорофилла
в этиолированных листьях в условиях теплового
шока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Образование хлорофилла реакционных центров
фотосистемы II в листьях растений на ранней
стадии этиоляции. Роль длинноволновой формы
протохлорофиллида как предшественника Р680 . . . 123

II.2.3. Фотобиосинтез хлорофилла в зародышевых
листьях растений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

II.2.4. Циклическая схема превращений компонентов
активного протохлорофиллид-ферментного комплекса
в процессе биосинтеза хлорофилла
[Schoefs and Franck 2008] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

II.2.5. Длинноволновая форма предшественника
хлорофилла Пхл682/672 и ее роль в биосинтезе
пигментов реакционных центров фотосистемы I . . . . 132

II.3. Заключительные стадии биосинтеза хлорофилла
в зеленых листьях растений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Глава III. Элементарные реакции фотовосстановления
протохлорофилла(ида) in vivo и in vitro . . . . . . . . . . . . 143

Оглавление
5

III.I. Первичные реакции фотовосстановления
протохлорофиллида в листьях растений и выделенных
пигмент-белковых комплексах. Лабильные интермедиаты,
стабилизирующиеся при низких температурах. . . . . . . . . 144

III.1.1. Нефлуоресцирующий интермедиат Х690. . . . . . 144
III.1.2. Образование первого нефлуоресцирующего
интермедиата R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Тушение флуоресценции активной формы
протохлорофиллида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Фотообратимость первичной реакции. . . . . . . . . . . . 150

III.1.3. Две формы интермедиата Х690: R697 и R688 . . 154

III.2. Исследования быстрых стадий фотовосстановления
протохлорофиллида in vivo при физиологических
температурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
III.3. Первичные флуоресцирующие формы
хлорофиллида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
III.4. Элементарные реакции фотовосстановления
протохлорофилла(ида) в модельных системах. . . . . . . . . . 165

III.4.1. Фотовосстановления протохлорофилла(ида)
в растворах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

Фотовосстановление мономерного
протохлорофилла(ида). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

Фотовосстановление протохлорофилла в системах
с агрегированным пигментом . . . . . . . . . . . . . . . . 168

III.4.2. Элементарные реакции фотовосстановления
протохлорофиллида в реставрированных тройных
комплексах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

III.5. О возможных механизмах фотовосстановления
молекулы протохлорофиллида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

6
Оглавление

Посвящается памяти моих друзей и коллег
Владимира Никифоровича Архипова
и Николая Витальевича Игнатова.

Эта книга посвящена интересной и важной проблеме. Биосинтез хлорофилла в живой клетке создает возможность фотосинтеза — процесса, который, как известно, лежит в основе жизни на
Земле, обеспечивая биосферу энергией за счет внешнего самого
мощного и практически неиссякаемого источника. Автор сосредоточилась на наиболее интересной, как нам представляется, светозависимой стадии биосинтеза, протекающего преимущественно в
клетках высших растений. Вначале казалось, что этот процесс должен быть очень простым — фотовосстановление одной из двойных
связей предшественника хлорофилла. В книге развернут исторический путь познания, который привел к созданию детально рассмотренной
сложной
картины
разветвленной
цепи
процессов
различной природы — фотофизических, физико-химических, биохимических, а также молекулярно-биологические и молекулярно-генетические аспекты проблемы. Трудность изучения процесса
во многом обусловлена тем, что многие его участники — пигмент-белковые комплексы — настолько лабильны, что разрушаются
при
попытке
их
изолирования
из
клеток
и
остаются
недоступными для их индивидуального исследования. Поэтому
значительная часть фактов была получена с помощью спектроскопических методов, позволяющих изучить процесс непосредственно
при его протекании в живой клетке. Этот подход послужил основой
многолетних исследований коллектива нашей кафедры, в которые
значительный вклад внесли и труды автора книги, а также Николая Витальевича Игнатова и других коллег. Нельзя не отдать должного инициатору и вдохновителю этих работ — нашему учителю
академику Александру Абрамовичу Красновскому, который был
родоначальником современных исследований фотобиосинтеза хлорофилла в нашей стране и руководителем первой кандидатской
диссертации в этой области на биологическом факультете.
В последнее время наблюдается повышенный интерес к проблеме фотобиосинтеза хлорофилла, в частности, к ее физическим
аспектам, к использованию новых методических возможностей,

Ïðåäèñëîâèå

которые позволяют изучать процессы непосредственно при их протекании в физиологических условиях, без глубокого охлаждения
объекта. Несомненно, будет развиваться до сих пор малоизученная,
но очень важная проблема фотобиосинтеза хлорофилла и феофитина в зеленых листьях. Остается открытым и вопрос о взаимоотношениях пигмент-белковых комплексов, участвующих в биосинтезе
хлорофилла и в самом фотосинтезе. Можно надеяться, что книга
будет способствовать привлечению интереса к этой проблеме новых
молодых исследователей.

Заведующий кафедрой физико-химической биологии
биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова,
профессор Ф.Ф. Литвин

10
Предисловие

Биосинтез хлорофилла в листьях растений является одним из
важнейших биологических процессов, поскольку он обеспечивает
обновление и постоянный уровень основного фотосинтетического
пигмента в клетках, а следовательно, эффективность фотосинтеза и
продуктивность растений. Ежегодно в биосфере синтезируется более
одного миллиарда тонн хлорофилла [Hendry et al. 1987]. Образование хлорофилла из его предшественника — протохлорофилла(ида)
может осуществляться двумя путями. Независимое от света (темновое) превращение протохлорофилла(ида) в хлорофилл(ид) обнаруживается у цианобактерий, зеленых водорослей, мхов, папоротников и
голосеменных. Реакция осуществляется с использованием энергии
распада АТФ, с участием тиоловых восстановителей и катализируется ферментом, по своим свойствам подобным нитрогеназам и включающим три полипептида, кодируемые хлоропластными генами
[Choquet et al. 1992; Burke et al. 1993; Li et al 1993; Fujita et al. 1993;
Suzuki et al. 1997; Fujita and Bauer 2000].
Другой, более сложно регулируемый, путь завершения биосинтеза хлорофилла осуществляется в ходе светозависимой реакции превращения
синтезированного
в
темноте
протохлорофиллида
в
хлорофилл у всех высших растений, а также у некоторых низших
растений и голосеменных. Главная особенность этого пути — необходимость энергии света для запуска процесса. Включение светозависимой стадии биосинтеза хлорофилла совместно с функционированием
фоторегуляторной фитохромной системы можно рассматривать как
важное эволюционное достижение всех высших растений. Оно обеспечивает возможность регуляции не только процесса биосинтеза хлорофилла, но и развития растения в целом. Прорастание растений, их
«появление на свет» сопровождается быстрым (несколько часов) формированием всего фотосинтетического аппарата, обеспечивающим его
самостоятельное автотрофное существование.
Так же, как и хлорофилл, его предшественник протохлорофилл(ид) является магний-порфирином [Noack and Kissling 1930].

Ââåäåíèå

Молекула представляет собой замкнутую тетрапиррольную систему
(пиррольные кольца А, В, С, Д) с сопряженными двойными связями
(рис. 1). Четыре пиррольных кольца соединены между собой метиновыми мостиками, по перефирии большого кольца расположено
восемь замещающих групп. Дополнительное гомоциклическое кольцо Е имеет карбонильный кислород и этерефицированную метиловым спиртом карбоксильную группу. Благодаря аналитическим и
синтетическим исследованиям Фишера [Ficher, Mittenzwei and
Oestreicher 1939; Ficher 1940; Ficher and Oestreicher 1940] было выяснено, что молекула протохлорофилла(ида) отличается от молекулы хлорофилла(ида) отсутствием двух атомов водорода в положении
17–18 четвертого
пиррольного
кольца (кольца D) макроцикла
(рис.1). Таким образом, в основе заключительного этапа биосинтеза
хлорофилла лежит реакция фотохимической гидрогенизации полуизолированной двойной связи С17-С18 в молекуле предшественника. Восстановление этой связи порфиринового макроцикла сопровождается существенным изменением симметрии молекулы и вследствие этого изменением спектра поглощения с резким усилением
интенсивности длинноволновой полосы в красной области спектра.
Сложность процесса фотобиосинтеза хлорофилла в живой клетке в
значительной степени определяется строением, состоянием и гетерогенностью пигмент-белковых комплексов предшественника хлорофилла, сформированных перед световой стадией.
Настоящая монография включает обзор, сравнительный анализ и обобщение результатов исследований активного пигмент-белкового комплекса предшественника хлорофилла и механизмов его
превращения в нативные формы хлорофилла.
Заключительная светозависимая стадия биосинтеза хлорофилла представляет собой сочетание реакций различной природы: фотофизических, фотохимических и биохимических. В результате
этого многоступенчатого и разветвляющегося процесса происходит
не только синтез молекулы хлорофилла, но и формируется несколько типов специфических пигмент-белковых структур, обеспечивающих функционирование двух фотосистем фотосинтеза и
светособирающего комплекса. Исследование светового этапа биосинтеза хлорофилла затруднено в зеленых листьях растений из-за
чрезвычайно низкого содержания протохлорофиллида и интермедиатов его превращения (на два-три порядка меньше по сравнению
с хлорофиллом [Лосев и Гуринович 1969]). Поэтому для изучения
фотобиосинтеза хлорофилла из протохлорофиллида преимущественно используются листья этиолированных (выращенных в полной темноте), или находящихся на ранних стадиях зеленения

12
Введение

Рис. 1. Структурные формулы молекул протохлорофилла(ида) (а) и хлорофилла(ида) (б). R1 соответствует СH2—CH3
для моновинильной формы пигмента и CH=CH2 — для дивинильной формы. R2 соответствует С20Н39 для
протохлорофилла и хлорофилла и атому водорода — для протохлорофиллида и хлорофиллида

растений. Важнейшими методами исследования заключительного
этапа биосинтеза хлорофилла являются спектральные методы. Фотосинтетические пигменты в растворе и в составе пигмент-белковых комплексов имеют характерные спектры в видимой области.
Их исследование дает многостороннюю информацию не только об
изменениях структуры молекул, но и о межмолекулярных пигмент-пигментных и пигмент-белковых взаимодействиях. Преимущества
спектральных
методов
заключаются
в
их
высокой
чувствительности и быстроте измерений. Особенно существенным
преимуществом является возможность исследования целостных
лабильных макромолекулярных комплексов непосредственно в
живой функционирующей клетке и в целых листьях растений.
Последнее очень важно, поскольку активность протохлорофиллид-ферментного комплекса очень чувствительна даже к слабым
воздействиям внешних факторов. Особенно перспективным оказалось предложенное А.А. Красновским и Ф.Ф. Литвиным применение
низкотемпературной
спектроскопии
с
использованием
фиксации объекта жидким азотом или гелием для остановки процесса на избранной стадии без нарушения структуры объекта. В последние годы развитие молекулярно-биологических подходов, в
том числе методов генной инженерии, позволило получить ряд ценнейших данных о строении белкового компонента активного пигмент-белкового комплекса предшественника хлорофилла.

К истории изучения пигмент-белкового комплекса протохлорофилла
Интенсивное исследование процесса биосинтеза хлорофилла началось в конце XIX— начале XX века, и уже тогда возникли основные представления об этом процессе как о световой реакции. В то
время считалось, что предшественником хлорофилла служит бесцветное вещество — лейкофилл. Высказывалось также предположение, что начало хлорофиллу дает желтый пигмент этиолированных
листьев «этиолин». В 1880 г. австрийские исследователи Микош и
Штёр [Mikosch und Stohr 1880] впервые сообщили о присутствии в
спиртовой вытяжке из этиолированных растений особого вещества,
обладающего красной флуоресценцией и своеобразным спектром поглощения — с дополнительной (по сравнению с этиолином) полосой
в оранжевой области спектра. Однако, они не придали большого значения этому факту.
Существенный вклад в изучение биосинтеза хлорофилла и
свойств его предшественника был сделан русскими учеными. В
1886 г. К.А. Тимирязев, исходя из наблюдений спектров поглоще
14
Введение