синтез хлорофілу
Синтез хлорофілу. Багатоступінчастий процес, який ділять на дві фази: темновую і світлову. У темряві відбувається синтез протохлорофиллида, який відрізняється від хлорофілу відсутністю залишку фитола і двох атомів водню. Потім на світлі протохлорофиллид приєднує 2 атома водню до 7-мому і 8-мому вуглецевим атомам і утворює хлорофиллид. До останнього приєднується фитол, і він перетворюється в хлорофіл (фермент хлорофіллаза). Ця реакція теж йде в темряві.
Біосинтез хлорофілу, все ферменти якого локалізовані в хлоропластах, підрозділяється на наступні етапи:
δ-амінолевулінова кислота → порфобіліноген → уропорфіріноген I і III копропорфіноген III → протопорфіноген IХ → протопорфирин IХ → Mg-протопорфирин IХ метиловий ефір Mg-протопорфирина → протохлорофиллид → протохлорофиллид голохром → хлорофиллид а голохром → хлорофиллид а → хлорофіл.
1 стадія - вихідною речовиною в біосинтезі порфіринів є сукцинил Со-А (з лімоннокіслого циклу) і гліцин, з них утворюється δ-амінолевулінова кислота. Цей шлях характерний для мікроорганізмів і тварин. Реакція йде за участю ферменту - АЛК-синтаза:
Існує думка, що АЛК в хлоропластах утворюється іншим шляхом, найімовірніше з інтактною молекули глутамату. Фермент, що каталізує реакцію, вдалося виділити з пластид в чистому вигляді недавно; реакція являє собою новий внутрішньомолекулярне перенесення аміногрупи:
Останнім часом уточнили, що δ-амінолевулінова кислота утворюється з С5 -дікарбонових кислот: глутамінова кислота через 2-гідрооксіглутаровую перетворюється в 4,5-діоксівалеріановую, яка потім аммініруется за рахунок аланіну та інших кислот.
Показово, що це виражене розгалуження шляхів біосинтезу гема у тварин і вищих рослин відбувається, ймовірно, на ключовий стадії биосинтетического шляху - освіту АЛК.
Цікаво було б виявити яким із шляхів синтезуються молекули АЛК, що дають початок тим невеликим кількостей похідних гема, які виявлені у рослин, вирощених в темряві: чи має місце розглянутий шлях синтезу з глутамату або тут діє шлях, який відбувається у тварин (але його важко виявити , оскільки в реакціях беруть участь у дуже малих кількостях субстрату)?
2 стадія - утворення первинного пиррола: 2 молекули δ-АЛК → порфобилиноген перетворюються в присутності ферменту АЛК-дегідратази. Порфобіліноген - це перший попередник металлопорфиринов, що має піррольних природу.
3 стадія - утворення циклічного тетрапіррола. Чотири молекули порфобилиногена перетворюються в уропорфіноген I, а потім III:
4 стадія відбувається відщеплення 4 СО2 від залишків СН2 СООН → СН3 в положеннях 1, 3, 5, 8 молекули уропорфіріноген за участю ферменту уропорфіріногендекарбоксілази і утворюється копропорфіріноген:
5 стадія - копропорфіноген перетворюється в протопорфіріногена IХ за рахунок окисного декарбоксилювання в 2 і 4 положеннях:
6 стадія -в результаті реакції дегідрування, при якій отщепляются 6Н + з протопорфіріногена IХ утворюється протопорфирин:
7 стадія - відбувається включення Mg (NН → N) і утворюється Mg-протопорфирин IХ.
Ймовірно, на стадії освіти протопорфирина IХ відбувається також розгалуження шляхів біосинтезу - один веде до утворення железопорфіріна (гем), інший - до магнійпорфірінов (хлорофілу). У рослинах виявлено обидва шляхи, у тварин - лише перший.
У біосинтезі залізовмісних порфіринів бере участь фермент феррохелатаза, який виділений як з пластид, так і мітохондрій рослин. Цей фермент ефективно перетворює протопорфирин в Протоген (гемb), який входить до складу цитохромів, каталази, пероксидази і гемоглобіну. Потрібно відзначити, що хімічно вбудувати Mg 2+ в протопорфирин набагато важче, ніж Fe 2+. Який фермент каталізує включення Mg 2+ в молекулу протопорфірину поки невідомо.
8 стадія - перетворення Mg-протопорфирина IХ в монометіловий ефір Mg-протопорфирина. Відбувається етерифікація метиловим спиртом. Фермент-S-аденозил-L-метіонін-Mg-протопорфирин-метилтрансфераза здійснює перенесення СН3 в 6 положення від S-аденозил-L-метіоніну. Далі, окислення пропіонату в положенні з утворенням групи С = О.
9 стадія - утворення протохлорофиллида відбувається в результаті етіріфікаціі (етіріфікація - утворення складних ефірів з кислот і спиртів) карбоксильної групи метанолом, замиканням п'ятого (фуранового) кільця остаточним формуванням бічних ланцюгів: в 4 положенні вінільні група СН = СН2 відновлюється до етільной групи С2 Н5. виходить Mg-вінілфеопорфіріна5 -протохлорофілл (Ід).
Як і хлорофіл протохлорофиллид знаходиться в пов'язаної з білком формі.
10 стадія - в результаті неферментативної индуцируемой світлом реакції відновлення в кільці IV (з'являються два атома Н) протохлорофиллид перетворюється в хлорофиллид (це хлорофіли, в молекулі яких немає терпеноідной - зазвичай фітольной - бічного ланцюга). Спектр дії хлорофиллида подібний спектру поглинання протохлорофиллида, джерелом водню в цій реакції служить білок (можливо НАДФ - донор водню). Виділено в чистому вигляді фермент НАДФН - протохлорофиллид-оксіредуктази. Таким чином, відновлення до хлорофиллида каталізується світлом і відбувається в пігмент-білковому комплексі, який має назву протохлорофиллид-галохрома.
11 стадія - остання стадія синтезу хлорофілу - освіту складного ефіру хлорофиллида з фитолом, яка відбувається в ліпідної фазі хлоропластів, оскільки фитол не розчиняється у воді, за участю ферменту хлорофіллаза. Фитол - полиизопреновой з'єднання синтезується з ацетил-СоА через мевалоновую кислоту.
Хлорофіллb відрізняється, як ми відзначали від хлорофіллаа тільки тим, що бічним заступником при С3 є група СНТ замість СН3. Співвідношення хлорофіловий / b в межах одного виду - величина досить постійна.
Незважаючи на великі зусилля дослідників, поки нікому не вдалося детально з'ясувати, яким шляхом відбувається біосинтез хлорофіллаb (його окислення).
Синтез хлорофілу залежить від генетичних факторів. В результаті генних мутацій з'являються рослини альбіноси, які живуть поки мають запасні речовини з насіння. Плямистість - результат відсутності синтезу хлорофілу в деяких частинах листа, що також залежить від генів.
Крім світла, синтез хлорофілу залежить і від умов мінерального живлення. Перш за все, необхідно залізо, яке виконує каталітичні функції. При нестачі заліза листя жовтіє. Велике значення має забезпеченість рослин азотом і магнієм, так як ці елементи входять до складу молекули пігменту. При нестачі міді хлорофіл легко руйнується.
Етіольовані проростки містять невелику кількість протохлорофиллид - білкового комплексу (голохром), і при короткочасному освітленні в них відбувається швидке стехиометрическое відновлення протохлорофиллида до хлорофиллида, який потім повільно етіріфіціруется і перетворюється в хлорофілу. Якщо проростки потім знову повернути в темряву, в них утворюється приблизно така ж кількість протохлорофиллида, яке було спочатку, і при освітленні він теж перетворюється в хлорофиллид. Таким чином, при висвітленні етіолірованних проростків короткими спалахами світла (по 10 -4 с), які чергуються з 10-15 хвилинними Темнова проміжками, можна накопичити велику кількість хлорофілу.
Хоча у більшості вищих рослин синтез хлорофілу відбувається тільки на світлі, деякі з них, наприклад, сіянці хвойних рослин, можуть синтезувати хлорофіл в темряві. Здатні до Темнова синтезу хлорофілу і багато водорості, наприклад бурі і синьо-зелені. Поки що незрозуміло, чому остання стадія відновлення пігменту у цих організмів не залежить від освітлення (світла). Однак показано, що розвиваються сім'ядолі хвойних синтезують значну кількість хлорофілу в темряві тільки до того часу, поки вони знаходяться в контакті з макрогометофітом, т. Е. До того часу поки макрогометофіт не зникне. Сім'ядолі, які відокремлюють від макрогометофіта, навіть якщо їх помістити в живильний розчин, синтезує значно менше хлорофілу. Отже, якусь речовину з макрогометофіта безпосередньо бере участь в темнової синтезі хлорофілу.
Реакцією, на рівні якої відбувається початковий етап біосинтезу хлорофілу, є синтез аминолевулиновой кислоти (рис. 2.6).
АЛК - це субстрат першого основного (вирішального) етапу в синтезі тетрапіррола. Це означає, що, ймовірно, АЛК лімітує швидкість всього процесу. Про це свідчить і ряд даних, наприклад, додавання АЛК до етіолірованние проросткам в темряві призводить до збільшення кількості протохлорофиллида (ПХД) щонайменше в 10 разів.
Мал. 2.6. Регуляція біосинтезу порфіринів в країнах, що розвиваються хлоропластах. Стрілки () показують ніж відзначено зниження процес
Вважають, що протохлорофиллид або інший контрольований посередник пригнічує синтез ферменту (або ферментів), дії на стабільну mРНК.
Оскільки при біосинтезі хлорофілу і біосинтезі гема використовується один і той же накопичений проміжний продукт, можна думати, що регуляція відбувається саме в тій точці, де шляху біосинтезу розходяться, т. Е. На тому етапі, на якому атом металу вбудовується в молекулу. Ймовірно, протохлорофиллид регулює включення Mg, а так же, як відзначали, синтез білків.
Синтез каротіноідовначінается з ацетил-CоА через мевалоновую кислоту, геранілгеранілпірофосфат до лікопіну. Лікопін (С40 Н56) - є попередником всіх інших каротиноїдів. Синтез йде в темряві, але прискорюється при дії світла. Лікопін має ациклічний структуру (відсутність кільця з двох кінців молекули) і характерний для плодів томата. Циклизация в кінцях (одного або двох) молекули лікопіну призводить до утворення різних кілець (β- і ε-іонових). Так освіту двох β-іонових кілець (по обох кінцях молекули) призводить до утворення β-каротину. Взагалі, послідовність перетворення каротиноїдів наступна:
β-каротин (два β--иононового кільця) → α-каротин (одне β-, інше ε--иононового) → лютеїн (ε--иононового кільця і ОН-група в кільці при С3);
β-каротин → зеаксантин (2 кільця β--иононового і група ОН в кільцях) → віолаксантін (два β--иононового кільця, крім ОН-груп з'являються епоксігруппив кожному кільці).
Фотопротекторная роль каротиноїдів, т. Е. Захист хлорофілу від фотоокислення, ще раз підкреслимо, пояснюється їх здатністю взаємодіяти з порушеними молекулами кисню і хлорофілу. У цьому випадку енергія збудження триплетного хлорофілу і синглетного кисню резонансним шляхом передається на каротиноїди, а потім розсіюється у вигляді тепла.
Таким чином, активний ацетил, що утворюється з піровиноградної кислоти, служить вихідною речовиною для біосинтезу в рослинах, складних з'єднань до яких відносяться і каротиноїди