Главная > Разное > Биология и квантовая механика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

17.1. Хлорофилл и другие светочувствительные пигменты

Основным пигментом зеленых растений является молекула хлорофилла, участвующая в процессе поглощения света. Высшие растения содержат две формы хлорофилла: хлорофилл а и хлорофилл b. Структура хлорофилла а (рис. 40) установлена Вилыптеттером и Фишером и подтверждена в 1960 г. Вудвордом, осуществившим полный синтез хлорофилла а.

В основе молекулы хлорофилла лежит плоское порфириновое кольцо, в центре которого находится ион атома магния, координационно соединенный с атомами азота порфиринового кольца.

Плоская структура порфиринового кольца обусловлена сопряженными двойными и простыми связями -электронов между атомами углерода и азота. Эти электроны «делокализованы», т. е. равномерно распределены вдоль «периферии» порфиринового кольца (выделенная точками область на рис. 40). Изменение состояния движения -электронов в кольце требует сравнительно небольшой энергии. Поэтому спектр поглощения света молекулой хлорофилла лежит в красной области. Дипольный электрический момент перехода в возбужденное состояние находится в плоскости порфиринового кольца.

Кроме порфиринового кольца молекула хлорофилла имеет длинную гидрофобную цепь — «хвост», в состав которого входят 20 углеродных атомов. Эта боковая цепь представляет собой остаток спирта фитола. Хлорофилл b отличается от хлорофилла а тем, что в последнем группа — заменена группой — СНО. Таким образом, хлорофилл b содержит на один атом кислорода больше и на два атома водорода меньше, чем хлорофилл а.

Спектры поглощения обеих форм хлорофилла приведены на рис. 41. Максимумы полос поглощения хлорофилла а лежат в областях длин волн К да 700 нм (красная) и К да 440 нм (фиолетовая), максимумы полос поглощения хлорофилла b — в областях длин волн 660 и 460 нм.

Максимальная интенсивность солнечного света, достигающего земной поверхности, приходится на сине-зеленую и зеленую области длин волн (450—550 нм). Оказывается, что именно в этих областях поглощение света молекулами хлорофилла минимально.

Хлорофилл а найден у всех зеленых растений и водорослей. Хлорофилл b отсутствует у многих водорослей. Эти водоросли иногда содержат другие разновидности хлорофилла: с и d. Фотосинтезирующие бактерии, не выделяющие кислород, хлорофилла а не содержат. В их состав обычно входит особый тип хлорофилла— бактериохлорофилл.

Как указывалось выше, кроме молекул хлорофилла многие фотосинтезирующие клетки содержат также пигментные молекулы,

Рис. 40. Структурные формулы хлорофилла а и хлорофилла b.

поглощающие свет в других областях спектра и придающие организмам различную окраску. Эти молекулы расширяют спектральную область света, используемую при фотосинтезе. Кроме того, каротиноиды предохраняют хлорофилл от необратимого фотоокисления кислородом.

Структурные формулы одного из каротинов и фикоцианобилина указаны на рис. 42. Каротины имеют длинные полиизопреновые цепи сопряженных двойных и одиночных связей. На каждом конце молекулы находятся циклогексановые кольца. Фикоциашшы, входящие в состав синезеленых водорослей, содержат четыре пи-рольных кольца. Они могут образовывать комплексы со специфическими белками.

На рис. 43 представлена схема первых энергетических уровней молекулы хлорофилла а. В основном состоянии молекула имеет нулевой спин. Все возбужденные состояния с нулевым спином называются синглетными (S). У молекулы возможны также возбужденные состояния со спином единица (в единицах h). Они называются триплетными (Т). Время жизни первого синглетного состояния . Время жизни нулевого триплетного состояния .

Рис. 41. Спектры поглощения света хлорофиллом а (1) и хлорофиллом b (2).

Под действием света в молекуле осуществляются только переходы в синглетные возбужденные состояния. Если молекулы хлорофилла при поглощении света переходят в возбужденные состояния с энергиями, превышающими энергию первого возбужденного состояния то вследствие безыэлучательных процессов за время 10-12 — 10-13 с они переходят в первое синглетное нозбужденное состояние отдавая избыток энергии растворителю.

Из синглегного состояния за время происходит переход в основное состояние с излучением света ( нм). Это явление называется флуоресценцией. Имеется также небольшая вероятность безызлучательного перехода молекулы из нозбужденного состояния в триплетное возбужденное состояние Из-за слабого взаимодействия спина с электромагнитной волной время жизни триплетного состояния по отношению к излучению света X я» 930 нм при переходе в основное синглетное состояние сравнительно велико . Большая длительность премени жизни триплетного состояния обусловлена маловероятным процессом изменения спина молекулы от единицы до нуля.

Растворы, содержащие молекулы пигментов только одного типа (хлорофилл b, хлорофилл а, каротиноиды и др.), при низких температурах имеют характерные спектры флуоресценции, соответствующие квантовым переходам -электронов из нижайших синлетных возбужденных состояний в основное синглетное состояние молекулы. Наряду с основным излучением наблюдается слабое, медленно спадающее и более длинноволновое излучение, соответствующее переходам с нижайших триплетных состояний этих молекул в основное синглетное состояние.

В связи с тем что электронные переходы в пигментных молекулах сопровождаются изменением многих низкочастотных колебательных состояний молекул и окружающей среды, их полосы поглощения и люминесценции имеют значительную ширину.

При исследовании флуоресценции пигментов, входящих в состав

Рис. 42. Структурные формулы фотосинтезирующих пигментов: а — бета-каратин; б — фикоцианобилин.

хлоропластов, наблюдается только флуоресценция хлорофилла а. Более коротковолновая флуоресценция хлорофилла 6 и других пигментных молекул не обнаруживается даже в том случае, когда хлоропласт освещается светом с длиной волны, совпадающей с длиной волны спектра поглощения соответствующего пигмента.

Таким образом, основная масса пигментных молекул выполняет роль светособирающих систем (антенн). Пигментные молекулы в хлоропластах образуют ансамбли упорядоченно расположенных молекул [131, 201].

Отмеченные выше свойства флуоресценции хлоропластов указывают, что в таких ансамблях происходит сравнительно быстрая (10-11 — 10-12 с) миграция энергии синглетного возбуждения по молекулам пигмента к молекулам хлорофилла а.

Квантовая теория систем слабо взаимодействующих одинаковых молекул показывает [17], что вследствие резонансного взаимодействия между возбужденной и невозбужденной молекулами в системе возникают коллективные бестоковые возбужденные состояния — экситоны, переносящие возбуждение от одних мест системы к другим. Резонансное взаимодействие с увеличением расстояния убывает сравнительно медленно (как ) и может проявляться даже на расстояниях порядка 50 А.

Когда экситон, перемещаясь по системе пигментных молекул, достигает молекулы хлорофилла а, имеющей более низкий уровень возбуждения, он переводит ее в возбужденное состояние,

Рис. 43. Схема синглетных (S t) и триплетных (71,) энергетических уровней молекулы хлорофилла а.

Прямые отрепки соответствуют поглощению, волнистые стрелки — флуоресценции; цифры указывают длины волн в нанометрах.

отдавая избыток энергии тепловому резервуару. Такая небольшая потеря энергии исключает обратный переход энергии возбуждения с молекул хлорофилла а к пигментным светособирающим молекулам.

Молекула хлорофилла а, получившая энергию от светособирающих молекул, отдает ее в виде излучения света — флуоресценции. Это явление хорошо изучено при исследовании люминесценции молекулярных кристаллов, содержащих примесные молекулы с энергией возбуждения более низкой, чем энергия возбуждения молекул основного вещества, и называется сенсибилизированной люминесценцией.

Некоторое время считали, что молекулами, воспринимающими энергию возбуждения от светособирающих молекул, являются особые молекулы хлорофилла а. Теперь установлено (см. п. 17.2), что эту роль выполняют в хлоропластах и хроматофорах особые фотосинтезирующие реакционные центры, в состав которых входит несколько молекул хлорофилла. Эти молекулы в реакционном центре образуют своеобразный комплекс, выступающий как единое целое со своим спектром возбужденных состояний. При этом энергия нижайшего из них меньше энергии отдельной молекулы хлорофилла. Установлено, что число реакционных центров в мембране значительно меньше числа светособирающих молекул (1/400).

Фотосинтезирующие реакционные центры (ловушки экситонов) входят в состав фотосинтезирующих систем (ФС), в которых осуществляются световые реакции фотосинтеза. Фотосинтезирующие системы наряду с реакционными центрами, воспринимающими энергию света, содержат ряд других молекул — ферменты, белки, липиды, липопротеиды, которые участвуют в организации фотосинтезирующей системы и в выполнении ею световой части биохимических реакций. Фотосинтезирующие системы сравнительно жестко вмонтированы в мембраны тилакоидов.

С точки зрения исследования первичных процессов фотосинтеза на молекулярном уровне особый интерес представляет изучение организации пигментных слоев и структуры фотосинтезирующих систем, в частности изучение реакционных центров, входящих в их состав.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление