Роль микроэлементов в процессе образования и разрушения

РОЛЬ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПРОЦЕССЕ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ
ХЛОРОФИЛЛА
Пигментные системы фотосинтеза. По современным представлениям, в фотосинтезе
участвуют две первичные фотохимические реакции, которые обеспечиваются двумя
пигментными системами — I и II, различающимися по составу входящих в них пигментов и
по максимумам поглощения. В состав длинноволновой системы I входит длинноволновая
форма хлорофилла а, поглощающая при 683 ммк, и особая форма хлорофилла а — П-700. В
области 700 ммк в зеленых растениях, а также в бурых, красных и сине-зеленых водорослях
был обнаружен максимум в дифференциальном спектре поглощения. Пигмент П-700,
ответственный за этот дифференциальный максимум, распространен так же широко, как и
хлорофилл а. По-видимому, П-700 является хлорофиллом а, находящимся в особом
состоянии (возможно, в связи с белком — липопротеидом).
В состав коротковолновой пигментной системы II входят хлорофилл b, а также
коротковолновая форма хлорофилла а (673 ммк), фикобилины (у красных и сине-зеленых
водорослей) и некоторые каротиноиды. Пигментная система II более прочно, чем I, связана с
мембраной ламелл.
Все фотосинтезирующие растения содержат значительные количества хлорофилла а,
связанного с белками и другими веществами, что придает ему особую фотохимическую
активность и вызывает сдвиг полос поглощения в длинноволновую сторону по сравнению со
спектром очищенного хлорофилла а в растворе.
Хлорофилл а может присутствовать в растении in vivo в нескольких различных
формах, каждая из которых обладает характерным максимумом поглощения в красной
области спектра — хл. а 673, хл. 683 и хл. 695.
Возбужденная форма хлорофилла а (695 ммк) служит донором электрона. Окисленная
форма (вероятно, П-700) имеет потенциал хл.+/хл.= +0,43 в. Эта длинноволновая форма
хлорофилла принимает участие в первой фотохимической системе фотосинтеза и окисляет
цитохром f(Eo'= +0,365 в). Окисление его системой I связано (через образование НАДФ) с
восстановлением С02.
Активные растительные пигменты, отличные от хлорофилла а, получили название
сопровождающих пигментов. Некоторые каротиноиды, особенно фукоксантин, а также
хлорофиллы b и с относятся к группе функционально сопутствующих пигментов, в которую
входит также коротковолновая форма хлорофилла а (хл. а 673).
Хлорофилл b обладает более высоким окислительным потенциалом, чем хлорофилл а,
как в возбужденном состоянии, так и в окисленном, а также более прочной связью с водой.
Система II катализирует коротковолновую фотохимическую реакцию, в результате которой
восстанавливается цитохром b. У красных водорослей она зависит главным образом от света,
абсорбированного
сопутствующим
пигментом
фикоэритрином.
Фотохимическое
восстановление цитохрома f пигментной системой II сопровождается одновременным
окислением воды и выделением кислорода. Окислительно-восстановительная система,
способная окислять воду, должна обладать высоким окислительным потенциалом Ео'=
+0,815 в, который реализуется за счет превращения энергии света хлорофиллом. Точных
сведений о механизме процесса окисления воды и выделения кислорода хлоропластами пока
не имеется. Существует лишь несколько более или менее обоснованных гипотез.
Одна из них предполагает существование ферментативной системы, осуществляющей
обратимые изменения ксантофиллов, которые, возможно, принимают участие в переносе
кислорода в процессе фотосинтеза. Д. И. Сапожников предполагает, что промежуточным
продуктом, фотоокисление которого приводит к выделению кислорода является
виолоксантин. По этой гипотезе, в образовании эпоксидной группы ксантофиллов должны
принимать участие как молекула воды, так и молекулярный кислород. Участие последнего в
образовании эпоксидных групп виолоксантина может быть сопоставлено с необходимостью
молекулярного кислорода для осуществления процесса фотосинтеза у высших растений.
Интересной является также гипотеза фотоэлектролиза воды в своеобразной батарее
«хлорофилл—каротин». Согласно этой гипотезе, процесс разложения воды при фотосинтезе
можно представить как ее фотоэлектролиз в батарее, составленной из слоев хлорофилла и
каротина. При этом кислород выделяется в атмосферу, а водород включается в
биохимическую цепь.
Известный шведский исследователь Лундегардт является автором гипотезы о трех
системах в фотосинтетическом цикле переноса электронов, отводя каротиноидам важную
роль в процессе фотосинтеза. По его представлениям, р-каротин, входящий в состав
пигментной системы III, имеющий более низкий окислительно-восстановительный
потенциал, чем ферредоксин, участвует в качестве донора электронов в фотохимической
системе I, восстанавливая ферредоксин и НАДФ. Таким образом, каротину приписывается
участие в первичном превращении энергии фотонов в свободные электроны. Восстанавливая
ферредоксин, каротин окисляется до ксантофилла. В свою очередь ксантофилл,
образовавшийся в составе пигментной системы III, вновь восстанавливается до каротина под
действием восстановленного хлорофилла а, входящего в состав пигментной системы I. По
гипотезе Лундегардта, пигментная система III (каротин-ксантофилл) участвует в фотосинтезе
в тесном контакте с системой I длинноволнового хлорофилла.
Действие элементов минерального питания, в том числе микроэлементов, на
содержание хлорофилла и каротиноидов в растении. Первое место среди пигментов
зеленого листа должно быть отведено хлорофиллу а, важнейшей частью которого являются 4
пиррольных кольца, соединенных друг с другом метановыми мостиками. У хлорофилла
имеется и добавочное (V) кольцо, циклопентаноновое, содержащее карбонильную группу, а
также карбоксильную, имеющую эфирную связь с метиловым спиртом. Второй спиртовой
компонент хлорофилла — фитол находится в эфирной связи с имеющейся в боковой цепи
кольца IV пропионовой кислотой. В центре молекулы хлорофилла находится магний.
Характерную для хлорофилла зеленую окраску объясняют наличием конъюгированной по
кругу системы двойных связей (10 связей), а также присутствием магния [24].
У хлорофилла b, в отличие от хлорофилла а, метальная группа у 3-го атома углерода в
кольце II заменена на альдегидную. На образование и накопление хлорофилла в растении
большое влияние, помимо генетических факторов, оказывают условия жизни растений, среди
которых существенная роль принадлежит условиям почвенного питания.
Синтез хлорофилла резко ослабляется при недостатке азота в питательной среде. В
опытах А. А. Табенцкого по мере увеличения содержания азота в питательной среде
возрастают число и размер хлоропластов и увеличивается содержание в них хлорофилла.
Установлено, что на накопление и изменение пигментов у растений влияет форма азотного
удобрения. Под влиянием нитратов увеличивалось относительное содержание хлорофилла в
и активность полифенолоксидазы в листьях кукурузы. Напротив, на аммиачном фоне
наблюдалось возрастание активности каталазы и пероксидазы и увеличивалось
относительное содержание хлорофилла а. Предполагается, что действие азота на образование
хлорофилла зависит от редоксипотенциала питательного раствора. Максимальное
содержание хлорофилла в листьях совпадает с периодом образования половых клеток, т. е.
началом цветения, после чего наблюдается снижение.
Под влиянием магниевых удобрений увеличивается скорость процессов, связанных
с образованием хлорофилла и ксантофилла, а под влиянием кальция — скорость
процессов, связанных с образованием желтых пигментов, и в первую очередь каротина. А. П.
Щербаков на основе опытов с соей выдвинул предположение, что одна из сторон
физиологического значения Са в растительном организме связана с процессами,
определяющими ускоренное накопление желтых пигментов в тканях листа, а роль магния
сопряжена, главным образом, с усиленным образованием компонентов хлорофилла.
Г. В. Заблуда показала, что медь оказывает непосредственное специфическое влияние
на процессы образования и разрушения хлорофилла, стабилизируя его и предохраняя от
разрушения. Необходимо отметить, что многие исследователи связывают увеличение
содержания хлорофилла в растениях под действием меди с тем, что медь задерживает
разрушение хлорофилла в темноте и при старении растений, стабилизируя хлорофиллбелково-липоидные комплексы.
В наших опытах отмечалось положительное влияние меди на накопление хлорофилла
в листьях кукурузы. Особенно ярко это влияние проявилось на поздних фазах развития,
когда медь способствовала устойчивому сохранению высокого уровня содержания
хлорофилла и задерживала процесс его разрушения.
Исследовано так же влияние микроэлементов, особенно Мn, Со, Мо, на повышение
содержания хлорофилла в процессе «зеленения» растений, а также устойчивости связи
хлорофилла с белком у проростков кукурузы в темноте. Было показано, что кобальт и
молибден увеличивают прочность хлорофилл-белково-липоидного комплекса в листьях
молодых проростков ячменя и в ранние фазы развития овса. Кобальт, молибден, и особенно
медь, также задерживали разрушение хлорофилла в темноте.
Существует мнение, что действие микроэлементов на прочность хлорофилл-белковолипоидного комплекса определяется действием их на белковый компонент этого комплекса.
Предполагают, что в хлоропластах наряду с комплексом протеин—хлорофилл—липоид
может возникать и другая форма агрегированного хлорофилла, включающая металл, —
металл—протеин—хлорофилл—липоид. Эта форма, возможно, более устойчива, чем первая.
В опытах Суйковского микроэлементы Си, Zn и Мn, внесенные в питательную среду,
увеличивали у ячменя и кукурузы содержание хлорофилла а в листьях в большей степени,
чем хлорофилла b. С ростом растений отношение хлорофилла а к хлорофиллу b
уменьшается. Когда новообразование хлорофилла ослабевает, а переход хлорофилла а в
хлорофилл b хотя, по-видимому, более медленно, но совершается, увеличивается количество
хлорофилла b. Отношение а:b снижается, однако и в этот период микроэлементы
способствуют сохранению более высокого уровня хлорофилла а. В опытах микроэлементы
медь и марганец (в конце периода вегетации) увеличивали отношение связанного в белковолипоидном комплексе хлорофилла к свободному хлорофиллу у растений проса, ячменя и
кукурузы.
Данные о повышении под влиянием меди, цинка и марганца содержания
хлорофилла, прочно связанного с белково-липоидным комплексом, позднее были
подтверждены исследованиями на различных сельскохозяйственных культурах.
В литературе имеются многочисленные данные о влиянии молибдена на содержание
хлорофилла в листьях растений и прежде всего об увеличении содержания хлорофилла в
листьях бобовых растений. Большое влияние молибдена на биосинтез хлорофилла в
растениях объясняют с различных точек зрения. Одна из существующих гипотез
предполагает, что участие молибдена в биосинтезе хлорофилла обусловлено участием этого
микроэлемента в процессах восстановления нитратов. Так, на основании опытов с томатами
и цветной капустой был сделан вывод, что молибден не является необходимым для
образования хлорофилла у этих растений, если источник азота не находится в такой форме,
которая требует для своего участия нитратредуктазы.
В то же время в опытах было показано положительное влияние молибдена на
образование хлорофилла как на фоне нитратного, так и аммиачного азота. Отмечено очень
быстрое изменение процесса хлорофиллообразования у растений при обеспечении их
потребности в молибдене. Растения вики, получавшие молибден, обнаруживали более
высокое содержание хлорофилла во все сроки определений. Вместе с тем к концу цветения—
началу формирования бобов у них наблюдалось не разрушение хлорофилла, как у
контрольных растений, а его интенсивное образование. Этим действие молибдена
существенно отличалось от действия других микроэлементов, также способствующих в
известных условиях повышению содержания хлорофилла, но не меняющих общего характера
онтогенетической кривой. Растения, обеспеченные молибденом, изменяли ритм накопления
хлорофилла, однако эти изменения наблюдались только у бобовых. У злаков (овса) Мо,
увеличивая накопление хлорофилла, не изменял характера онтогенетической кривой.
Предполагают, что отмеченные изменения в содержании хлорофилла под действием
молибдена и быстрое усиление процесса хлорофиллообразования, особенно в позднейшие
фазы развития, не связаны непосредственно с влиянием молибдена на синтез и распад белка.
При сопоставлении данных по динамике хлорофилла, общего и белкового азота был сделан
вывод об автономной роли молибдена в синтезе и распаде хлорофилла. Одним из путей, по
которым реализуется влияние Мо на накопление хлорофилла в листьях растений,
предположительно считают увеличение уровня свободной аскорбиновой кислоты,
участвующей в регенерации хлорофилла и бактериохлорофилла из лабильных продуктов их
фотоокисления. Аскорбиновая кислота может также оказывать влияние на прочность
хлорофилл-белкового комплекса.
Исследования показали, что способность белков хлоропластов связывать хлорофилл
тем выше, чем выше степень их восстановленности. Восстановление белковых препаратов
водородом сопровождалось возрастанием их способности связывать хлорофилл. Необходимо
заметить, что в опытах молибден способствовал также повышению содержания каротина,
лютеина и виолоксантина. Влияние молибдена на накопление каротиноидов имело те же
различия у злаковых и бобовых культур, что и в ходе изменений содержания хлорофилла.
Увеличение накопления хлорофиллов а и b, и особенно каротиноидов, в листьях
сахарной свеклы под действием молибдена (и кобальта) сопровождалось одновременным
увеличением количества хлоропластов в клетке, объема хлоропластов и количества
хлорофилла на хлоропласт.
При определении молибдена в отдельных клеточных, структурах листьев кормовых
бобов и сахарной свеклы максимальное количество его найдено в цитоплазме, затем в
крупных фрагментах клеток, хлоропластах и митохондриях. При пересчете на золу наиболее
обогащенными молибденом оказались такие органоиды, как ядра и хлоропласты.
Изучение состояния молибдена в хлоропластах листьев кормовых бобов с помощью
последовательного экстрагирования его различными растворителями (водой, оксалатным
раствором и раствором трилона Б) показало, что у молодых растений значительная часть
молибдена хлоропластов находится в связи с белковой стромой (до 65% от общего
содержания его в этих органоидах). С увеличением возраста растений связь молибдена с
белковой стромой хлоропластов ослабевает и соотношение между подвижным и связанным
молибденом изменяется (62% подвижного и 38% связанного молибдена).
Рассматривая имеющиеся данные по влиянию микроэлементов на образование и
разрушение хлорофилла, нельзя не отметить многообразия гипотез, предложенных для
объяснения полученных экспериментальных данных. Они касаются, в основном, действия
микроэлементов на устойчивость комплекса хлорофилла с белком и мало затрагивают
проблему механизма биосинтеза самого пигмента. Это объясняется тем, что если химический
путь образования зеленых пигментов в настоящее время изучен достаточно подробно, то
энзиматический процесс биосинтеза хлорофилла выяснен еще недостаточно.
Важным этапом на пути биосинтеза хлорофилла является образование
протопорфирина IX. В настоящее время общепринятой является теория, по которой
основными предшественниками протопорфирина IX являются сукцинил-коэнзим А, глицин,
б-аминолевулиновая кислота (ДАЛ) и порфобилиноген (ПБГ). б-Аминолевулиновая кислота
образуется из сукцинил-коэнзима А и глицина. Конденсирование двух молекул баминолевулиновой кислоты приводит к образованию предшественника пирролов —
порфобилиногена.
4 моля этих пирролов затем конденсируются с образованием порфирина, и модификация
боковых цепей в β-положеиии дает соответствующий порфирин.
От протопорфирина IX путь биосинтеза раздваивается с образованием
магнийпорфирина (хлорофилл) или железопорфиринов. Аналогичным путем, имея общих
предшественников
с
хлорофиллом
и
железопорфиринами,
синтезируются
и
кобальткорриноиды. С проблемой биосинтеза хлорофилла в растениях неразрывно
связан вопрос о роли железа в этом процессе. Роль железа в фотосинтезе изучается на
протяжении уже свыше ста лет, с тех пор, как было доказано, что оно необходимо для
биосинтеза хлорофилла. Л. Джекобсону удалось показать, что «активное железо»,
способствующее образованию хлорофилла и целиком локализованное в хлоропластах,
находится в тесной связи с хлорофилл-белковым комплексом. Хлорофилл способен давать с
солями железа комплексные химические соединения различных типов. Есть химические
комплексы, где железо входит в состав молекулы пигмента, вытесняя магний аналогично
феофитинатам других металлов — меди, цинка и кобальта.
Предполагают, что железо участвует в биосинтезе хлорофилла на трех этапах:
1)
при конденсации сукцинил-КоА и глицина с образованием б-аминолевулиновой
кислоты (ДАЛ);
2)
в
реакции
протопорфирин;
3)
окислительного
декарбоксилирования
копропорфириногена
в
на этапе превращения протохлорофилла в хлорофилл.
В опытах с Vigna sinensis L. было показано, что недостаток железа уменьшает скорость
синтеза б-аминолевулиновой кислоты, а снижение синтеза этого предшественника, в свою
очередь, тормозит биосинтез хлорофилла. Участие железа в биосинтезе б-аминолевулиновой
кислоты считается одним из наиболее вероятных этапов включения железа в биосинтез
хлорофилла, однако это не единственный путь.
В последние годы довольно широко обсуждалась и проверялась так называемая
копропорфириногеновая гипотеза, согласно которой железо может участвовать в
окислительном
декарбоксилировании
боковой
цепи
пропионовой
кислоты
копропорфириногена до винильной боковой цепи у протопорфирина. Эта гипотеза была
сформулирована Ласцельсом на основе опытов с Fe-недостаточными культурами фотосинтезирующих бактерий Rhodopseudomonas spheroides, но, по-видимому, она справедлива
не для всех фотосинтезирующих организмов. При проверке копропорфириновой гипотезы в
опытах с эвгленой было обнаружено, что при недостатке железа копропорфирин не
аккумулировался. Напротив, образование копропорфирина несколько уменьшалось при
снижении уровня железа в клетке, а протопорфирин продуцировался в нормальных
количествах.
Дальнейшими исследованиями биосинтеза хлорофилла у Euglena gracilis было
показано, что при концентрациях железа, когда рост растений не лимитируется, активность
ферментных систем, участвующих в биосинтезе порфирина (б-аминолевулинатдегидратаза,
порфобилиногендеаминаза и система энзиматического синтеза копро- и протопорфирина из
порфобилиногена), не зависит от железа. Сильная недостаточность железа, подавляющая
рост растений, приводила к снижению и содержания хлорофилла, при аккумуляции
копропорфирина, и скорости образования протопорфирина. В связи с этим был сделан
следующий вывод: несмотря на то что железо может быть необходимо для превращения
копропорфириногена в протопорфирин у Euglena и многих других организмов, этим еще
нельзя объяснить участие железа в биосинтезе хлорофилла.
Однако в опытах с Nicotiana tabacum были получены весьма убедительные данные в
пользу гипотезы, согласно которой железо участвует в биосинтезе хлорофилла на уровне
превращения копропорфириногена в порфирин [69], проанализированы недостатки методики
предыдущих работ, не позволявшие подтвердить копропорфириногеновую гипотезу.
Так или иначе, вопрос о месте локализации железа в биосинтезе протопорфириновой
части молекулы хлорофилла еще не получил однозначного решения.
В последние годы весьма популярной стала гипотеза об участии железа в биосинтезе
хлорофилла на уровне превращения протохлорофилла в хлорофилл. По современным
представлениям, протохлорофилл представляет собой соединение, лишенное фитола, т. е.
протохлорофиллид. Первым этапом превращения протохлорофилла в хлорофилл является
процесс гидрирования 7-го и 8-го атомов углерода в 4-пиррольном кольце
протохлорофиллида. На втором этапе происходит присоединение к хлорофиллиду фитола
при участии фермента хлорофиллазы. Отмечено, что у растений яблони, винограда, желтого
люпина, страдающих от недостатка железа, снижается активность фермента хлорофиллазы.
Аналогичные результаты получены в опытах с горохом. По-видимому, присоединение
фитола к хлорофиллиду тесно связано с деятельностью железопорфиринового фермента
цитохромоксидазы, подавление активности которой сопровождается резким торможением
процесса фитолизации.
Имеются данные, свидетельствующие о возможном включении меди в биосинтез
хлорофилла на уровне превращения протохлорофилла.
Рассматривая вопрос об участии микроэлементов в биосинтезе хлорофилла и
фундаментальной роли железа в этом процессе, необходимо отметить, что явление
хлороза — торможение биосинтеза хлорофилла — может возникать не только при
недостатке, но и при избытке железа и тяжелых металлов. Для хлорозов, вызываемых
избытком тяжелых металлов, характерны нарушения в обмене железа, относящиеся к
хлорозам «железного типа». Однако в ряде случаев, по-видимому, хлорозы вызываются
прямой конкуренцией тяжелого металла — меди или кобальта и магния в
порфириновом комплексе хлорофилла.
По данным: В.Я. Пейве
Микроэлементы – регуляторы жизнедеятельности и продуктивности растений под. ред.
акад. Я.В. Пейве, Рига 1971, 248 с.