ВВЕДЕНИЕ
Фотосинтез, как известно, служит основным двигателем глобальных потоков энергии вещества в биосфере. Этот уникальный, недоступный пока для воспроизведения человеком процесс утилизации солнечной энергии оказывается возможным благодаря существованию сложных внутриклеточных структур фотосинтетического аппарата, для построения которого потребовались миллиарды лет эволюции [4, с. 3-4].
Хлорофиллы – уникальные природные тетрапирролы, играющие ключевую роль не только в жизни фотосинтезирующих организмов, но и всей биосферы. Их биосинтез связан с морфогенезом растительной клетки и реакциями фотосинтеза – запасанием и передачей энергии света. Важнейшая фундаментальная проблема современной биологической науки состоит в изучении природы процессов биосинтеза ХЛ, механизмов его генетической и биохимической регуляции и закономерностей изменений, которые они претерпели в ходе эволюции и при адаптации к различным источникам и формам освещения [8, с. 7].
Большой интерес представляет выяснение структурно-функциональной организации аппарата биосинтеза хлорофилла, путей образования молекул этого пигмента и его предшественников, их локализации в структуре хлоропласта и связи с другими компонентами фотосинтетического аппарата.
Цель работы: углубить знания по генетическо-молекулярным механизмам регуляции биосинтеза тетрапиррольных пигментов.
Для выполнения этой цели были поставлены задачи:
1. Выявить степень изученности биосинтеза хлорофиллов в растительной клетке;
2. Разобраться с ролью хлорофиллов в растительной клетке;
3. Изучить генетические механизмы регуляции биосинтеза хлорофиллов;
4. Изучить биохимические механизмы регуляции биосинтеза.
ГЛАВА 1 ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА И ФУНКЦИИ ХЛОРОФИЛЛОВ В РАСТЕНИЯХ
1.1 Химическая природа хлорофиллов
Хлорофиллы (ХЛ) – это природные макроциклические пигменты, участвующие в процессах фотосинтеза. Они относятся к металлопорфиринам и принадлежат к магниевой ветви метаболических превращений протопорфирина. Хлорофиллы в составе комплексов с белками и липидами локализованы во внутриклеточных органеллах - хлоропластах или хроматофорах. В клетках растений существуют два типа таких ПБЛК (пигмент-белковых-липидных комплексов), обслуживающие разные фотосистемы. ПБЛК I содержит длинноволновые формы хлорофилла а. Он имеется у всех фототрофов, включая древнейшие формы. ПБЛК II – сравнительно молодая система, появившаяся в процессе эволюции лишь у цианобактерий, содержит коротковолновые формы хлорофилла а [8, с. 20-21].
Хлорофилл - фотопигмент, изменяющий свои свойства при воздействии света. Хлорофилл характеризуется лабильностью к действию различных физических и химических факторов, в том числе повышенной температуры, света. Хлорофилл хорошо растворим в органических растворителях. Существующие способы выделения хлорофилла из растений предусматривают его одностадийную экстракцию наиболее эффективными растворителями - метанолом, этанолом, ацетоном, смесью полярных и неполярных растворителей [3, с. 82-83].
Молекула хлорофилла состоит из порфириновой "головки" и фитольного "хвоста". При этом порфириновая часть молекулы находится на поверхности мембраны тилакоида и связана с белками, а жирорастворимая фитольная цепь погружена в липидный слой. Хлорофилл представляет собой сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта, а вторая остатком спирта фитола. При разрыве сложноэфирной связи и отщеплении фитола образуется соединение, называемое хлорофиллидом. Четыре пиррольных кольца (A–D) соединены между собой метиновыми мостиками, формируя порфириновое ядро. Атомы азота пиррольных колец соединяются двумя координационными связями с атомом Mg. В структуре порфиринового ядра имеется также циклопентановое кольцо (E). Хлорофиллы имеют два максимума поглощения света: в синей (430-460 нм) и красной (650-700 нм) областях спектра. Сине-фиолетовый максимум поглощения хлорофиллов обеспечивается резонансной структурой порфиринового кольца.
ГЛАВА 2 БИОСИНТЕЗ ХЛОРОФИЛЛОВ В РАСТЕНИЯХ И МЕХАНИЗМЫ ЕГО РЕГУЛЯЦИИ
2.1 История изучения биосинтеза тетрапирролов
Впервые из листьев выделили зеленое вещество и назвали его хлорофиллом французские химики-фармацевты Ж. Пельтье и Ж. Каванту в 1817 году. Это открытие было ими сделано случайно в процессе поиска новых лекарственных средств в различных растениях [5, с. 37].
Оптические свойства ХЛ изучал Климент Аркадьевич Тимирязев. Используя светофильтры, он показал, что они преимущественно поглощают свет красной области спектра, существенный для фотосинтеза. В своем труде «Спектральный анализ хлорофилла», вышедшем в 1871 году, К.А. Тимирязев для описания свойств ХЛ впервые применил спектрофотометрию - метод, который до сих пор остается важнейшим для определения качественного и количественного состава растительных пигментов [8, с. 21-22].
В кристаллическом виде хлорофилл был впервые получен русским физиологом и ботаником И. П. Бородиным в 1882 году. Польские биохимики Марцелл Ненцкий и Леон Мархлевский в 1887 году показали, что основу молекулы хлорофилла, как и гема гемоглобина, составляет порфириновое кольцо[5, с. 37].
Еще один, ставший классическим, метод изучения пигментов – адсорбционная хроматография, был создан выдающимся русским ботаником Цвет. Михаил Семенович разделял пигменты, используя адсорбенты: раствор смеси веществ, которые желают разделить, пропускают через стеклянную трубку, заполненную субстратом, различно их адсорбирующим. Для многих пигментов, в частности для хлорофилла, наилучшей адсорбирующей средой оказались тальк и сахароза. Из спиртовой вытяжки зеленых листьев таким путем М.С. Цвету удалось получить несколько пиментов: сине-зеленое вещество, находящееся в значительно большем количестве, он назвал хлорофиллином а, желто-зеленое соединение – хлорофиллином b, а добавочные желтые полосы на хроматограмме давали каротиноиды. Хотя, фактически, М.С. Цвет получил чистый хлорофилл, пальма первенства в установлении химического состава этой молекулы принадлежит немецким ученым Р.М. Вильштеттеру и А. Штолю. Им удалось выделить кристаллический хлорофилл и определить его основные компоненты, показав, что пигмент является комплексом, содержащим магний.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Много учёных в настоящее время занимаются изучением механизмов регуляции биосинтеза пиррольных соединений, что связано с огромной значимостью этих процессов для всех живых организмов на планете, а также с практическим значением биосинтеза для нужд человечества, что в свою очередь открывает ряд перспектив для удовлетворения нужд людей.
2. На сегодняшний день еще мало известно о внутренней организации полиферментных комплексов, входящих в состав центров биосинтез хлорофилла, так же не всё известно о локализации центров в структуре хлоропластов.
3. Неясно, насколько широк круг реакций, осуществляемых хлорофилл-синтетазой, какова природа рада механизмов, контролирующих активность отдельных ферментов биосинтеза хлорофилла.
4. К настоящему времени практически полностью установлена последовательность реакций, в результате которых из 5-углеродного скелета глутаминовой кислоты образуется молекула хлорофилла. Показано, что хлоропласты растительных клеток содержат все ферменты, необходимые для превращения глутаминовой кислоты в хлорофилл.
5. Биосинтез хлорофиллов у растений и водорослей происходит в хлоропласте. Большинство белков, вовлеченных в этот процесс, кодируются ядром, синтезируются в цитоплазме, и транспортируются в хлоропласт. Для оптимизации взаимодействий хлоропласта и ядра при реализации функций фотосинтеза клетка осуществляет координированный контроль экспрессии ядерных генов в ответ на метаболические сигналы хлоропласта и факторы внешней среды, главным из которых является свет.
6. В последние годы удалось обнаружить значительное количество факторов, участвующих в этих процессах, однако в области генетики регуляции биосинтеза хлорофиллов осталось много тайн, раскрытие которых еще предстоит.
1. Аверина, А.Г. Биосинтез тетрапиролов в растениях. / Н.Г. Аверина, Н.Б.Яронская / – Минск, Беларуская навука. – 2012 – , 413 с.
2. Алехина, Н.Д. Физиология растений; Учебник для студ. вузов / Н.Д.Алехина, Ю. В. Балнокин, В.Ф. Гавриленко и др//.; Под ред. И. П. Ермакова. М.: Издательский центр «Академия», –2005 –, 640 с.
3. Ефимов, А.А. Обоснование технологии получения хлорофилла из синезелёных водорослей как пищевой добавки. / Материалы конференции: Фундаментальные исследования. – 2007 –,№ 11– С. 82-84.
4. Литвин, Ф.Ф. Биосинтез хлорофилла и формирование реакционных центров фотохимических систем фотосинтеза. / Ф.Ф. Литвин, О.Б. Беляева, Н.В. Игнатов / Успехи биологической химии, т. 40, – 2000 – , с. 3-42.
5. Медведев, С. С. Физиология растений: учебник.// СПб.: БХВ-Петербург, –2012 – 512 с.: ил.
6. Тихонов, А.Н. Регуляция световых и темновых стадий фотосинтеза / СОЖ. – 1999 − № 11. С. 8-15.
7. Шалыго, Н.В. Биосинтез хлорофилла и фотодинамические процессы в растениях. // Мн.: ИООО «Право и экономика», –2004–. 156 с.
8. Чекунова, Е.М. Генетический контроль ранних этапов биосинтеза хлорофилла у зелёной водоросли Chlamydomonas reindhartii. Дисертация, Санкт-Петербург, – 2014 –. 338 с.
9. Adhikari, N.D. GUN4-Porphyrin Complexes Bind the ChlH/GUN5 Subunit of Mg-Chelatase and Promote Chlorophyll Biosynthesis in Arabidopsis / N.D. Adhikari et al. Plant Cell. − 2011 − V. 23(4). − P. 1449-1456.
10. Chen, M. Chlorophyll / М. Chen et al. Science. − 2010 − V. 329. − P. 1318-1319.
11. Foley, T. Delta-Aminolevulinic acid synthase of Euglena gracilis: Regulation of Activity /Т. Foley et al. Plant Physiology. − 1982.− V. 70. P. 219-226.
12. Lundqvist, J. ATPinduced conformational dynamics in the AAA+ motor unit of magnesium chelatase / J. Lundqvist et al. Structure. −2010 −. V. 18. P. 354-365.
13. Masuda, T. Recent overview of the Mg branch of the tetrapyrrole biosynthesis leading to chlorophylls //Photosynth Res. – 2008 −. V. 96(2). P. 121-143.
14. Juszczuk, I.M. Effect of mitochondrial genome rearrangement on respiratory activity, photosynthesis, photorespiration and energy status of MSC16 cucumber (Cucumis sativus) mutant./ I. M. Juszczuk, J. Flexas, B. Szal et al. / Physiologia Plantarum – 2007 – Vol. 131. Р. 527-541.
15. Оp den Camp, R.G. Rapid induction of distinct stress responses after the release of singlet oxygen in Arabidopsis. / R.G. Оp den Camp et al. Plant Cell. − 2003.V. 15(10) P. 2320-2332.
16. Pessarakli, M. Handbook of Photosynthesis, Third Edition./ M. Pessarakli CRC Press – 2016 – P. 846.
17. Sirijovski, N. Substrate-binding model of the chlorophyll biosynthetic magnesium chelatase BchH subunit / N. Sirijovski et al. J Biol Chem. – 2008. – V. 283(17).P.11652-11660.
18. Wang, L.J. Promotion of 5aminolevulinic acid on photosynthesis of melon (Cucumis melo) seedling-s under low light and shilling stress condition / L.J. Wang et al. / Physiol Plant – 2004 – Vol N. 2. P.258-264.
