Строение и образование хлоропластов.

Хлоропласт имеет форму двояковыпуклой линзы. У некоторых организмов встречаются хлоропласты неправильной формы.

Состав хлоропластиов:

Липиды – 20 – 30%

Белки – до 35 – 55%

ДНК – 3 – 5% РНК до 0,5%

Углеводов около 10%

Кроме органических соединений в хлоропластах присутствует большое количество ионов металлов.

Fe - 80%

Cu, Mg – 72%

Ca – 63%

K – 55%

Na – 51% от содержания этих ионов в клетке.

Размер хлоропластов колеблется от 4 до 10 мкм. В клетке хлоропластов насчитывается от 20 до 100 штук.

Каждый хлоропласт имеет двумембранную структуру. Внешняя мембрана гладкая, внутренняя пронизывает хлоропласт в виде множества пузырьков – тилакоидов, собранных в стопки – граны. Внутренность хлоропласта заполнена стромой.

На внутренней поверхности тилакоидов располагаются особые структурные единицы – квантосомы. Квантосомы еще не до конца изучены, но предполагается, что именно они участвуют в процессе фотосинтеза.

Молекулы хлорофилла ориентированы относительно мембран тилакоидов определенным образом: а именно пирольные кольца обращены к слою белков, а фитольные хвосты к липидному бислою.

Онтогенез пластид.

Началом образования пластид считают инициальную частицу, которая представляет собой двумембранное глобулярное образование. По мере развития частица растет и приобретает характерную для пластид форму.

В это же время начинает развиваться внутренняя структура – появляются первые складки внутренней мембраны, которые дают начало тилакоидам. Новые тилакоиды располагаются параллельно и заполняют весь объем органоида. В это время органоиды уже видны в световой микроскоп это пропластиды.

Дальнейшее развитие хлоропласта возможно только на свету. Тогда тилакоиды объединяются в граны и образуется ламеллярная структура, к которой граны примыкают. В тилакоидах начинает образовываться хлорофилл.

В отсутствие света, из пропластид образуются лейкопласты или амилопласты. Ламеллярная структура их развита слабо, а в строме находятся крахмальные зерна.

Хромопласты образуются при деградации хлоропластов, при этом ламеллярная структура разрушается, и образуются осмиеофильные глобулы (от названия осмиевой кислоты, которая используется при окраске препаратов). Эти глобулы содержат оранжевые и красные пигменты.

Механизм возникновения хлоропластов до сих пор хорошо не изучен. Существует несколько предположений о некоторых этапах образования пластид.

1. Инициальные частицы образуются из оболочки ядра или ЭПС (Тагеева и др.).

2. Существует внеядерное наследование у пластид. Пластиды возникают только путем воспроизводства.

В сформировавшейся клетке число пластид увеличивается путем деления. У водорослей и папоротников процесс происходит через стадию пропластид, а у высших растений пластиды делятся перегородками или почкованием.

Происхождение пластид так же, как и митохондрий предположительно симбиотическое. Считается, что хлоропласты раньше были независимыми автотрофными организмами, затем в процессе эволюции пошли в симбиоз с гетеротрофной клеткой.

6. Пигменты зеленого листа, их свойства. Биосинтез хлорофилла.

Первое представление о пигментном составе зеленого листа было получено в работах Цвета. Он разделил смесь пигментов на три фракции:

· Хлорофиллы

· Каротиноиды

· Фикобилины

Хлорофилл

Впервые получен в чистом виде Бородиным в 1883 году, однако в дальнейшем казалось что это не сам хлорофилл, а его продукт – этилхлорофиллид.

В 1897 году поляки Ненцкий и Мархлевский обнаружили, что основой хлорофилла как и гемма составляет порфириновое кольцо. Таким образом было доказано их сродство.

Вальштеттер в 1914 году установил, что хлорофилл a имеет общую формулу

C₅₅H₇₂O₅N₄Mg

А хлорофилл b

C₅₅H₇₀O₅N₄Mg

Структурную формулу хлорофилла установил в 1930-40гг. Фишер:

В 1960 году Вудворт (США) и Штрель (Германия) осуществили искусственный синтез хлорофилла.

Хлорофилл это сложный эфир хлорофиллина у которого одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта, а другая – остатком непредельного спирта фитола. Хлорофиллы а и б различаются по радикалу у 3 атома. У хлорофилла b вместо метильной группы у этого атома формильная группа (-CHO).

У высших растений и водорослей обнаружены хлорофиллы a,b,c,d. Все растения обладают хлорофиллом a. Высшие растения имеют хлорофилл b. Для бурых и диатомовых водорослей характерен хлорофилл c, а для многих красных водорослей – хлорофилл d.

У бактерий обнаружены бактериохлорофиллы.

Физико-химические свойства хлорофилла

В твердом виде хлорофилл a представляет собой аморфное вещество сине-черного цвета. Температура плавления хлорофилла 117 – 120 ºС. Хлорофиллы хорошо растворимы в спиртах, бензоле, хлороформе. Плохо растворимы в петролейном эфире, нерастворимы в воде.

Раствор хлорофилла a в спирте имеет сине-зеленый, а раствор хлорофилла b желто-зеленый цвет. В спиртовом растворе максимумы поглощения для хлорофилла а в красной области 660 – 663 нм, в сине-фиолетовой 428 – 430 нм. Для хлорофилла б эти показатели соответственно 642 – 644 и 452 – 455 нм.

Растворы хлорофиллов способны к флуоресценции. В спиртовом растворе у хлорофиллов наблюдается рубиново-красная флуоресценция. Растворы хлорофиллов так же способны к длительному послесвечению – фосфоресценции с максимумом в инфракрасном диапазоне.

Механизмы флуоресценции и фосфоресценции достаточно хорошо изучены.

Энергия возбужденного состояния может быть использована на химические реакции. В этом случае флуоресценции и фосфоресценции не наблюдается.

Структура молекулы хлорофилла, отобранная в процессе эволюции из многих других органических пигментов, прекрасно приспособлена к своим функциям сенсибилизатора фотохимических реакций. B ее состав входят 18 делокализованных π-электронов (представленных в структурной формуле хлорофилла в виде 18-членного кольца из конъюгированных двойных связей), что делает молекулу хлорофилла легко возбудимой при поглощении квантов света.

Еще Тимирязев предположил, что хлорофилл способен к окислительно-восстановительному превращению. Впервые реакция фотовосстановления хлорофилла была осуществлена в модельных опытах A. A. Красновским в 1948 г. Хлорофилл, растворенный в пиридине, в анаэробных условиях под действием света восстанавливается аскорбиновой кислотой или другими донорами электронов. При этом образуется восстановленная («красная») форма хлорофилла c максимумом поглощения при 525 нм:

Хл + hν →Хл*→Хл+ АН ↔ Хл^- + АН⁺

ион-радикал донор

После выключения света реакция идет в обратном направлении. Фотовосстановленный хлорофилл в свою очередь может восстанавливать различные акцепторы электронов. B той же модельной системе, но c добавлением акцептора электронов хлорофилл при освещении действует как сенсибилизатор:

B этих условиях происходит восстановление NAD⁺, рибофлавина, хинона, Fe³⁺, кислорода. Эти реакции получили название «реакций Красновского». Таким образом, молекула хлорофилла может выступать не только в роли первичного акцептора электрона, но и в роли его первичного донора.

Молекула хлорофилла благодаря структурным и физико-химическим особенностям способна выполнять три важнейшие функции:

1) Избирательно поглощать энергию света, 2) запасать ее в виде энергии электронного возбуждения, 3) фотохимически преобразовывать энергию возбужденного состояния в химическую, энергию первичных фотовосстановленных и фотоокисленных соединений.

Каротиноиды

Каротиноиды – желтые, оранжевые, красные или коричневые пигменты, имеющие спектр поглощения в сине-фиолетовой области. Обычно они маскируются хлорофиллами, но хорошо видны осенью, так как хлорофиллы в листьях разрушаются первыми. Каротиноиды присутствуют в цветках и плодах растений. Например красный цвет кожицы помидоров вызван присутствием каротиноида ликопина.

Различают каротиноиды двух типов – каротины и ксантофиллы. Каротины это углеводороды, большую часть из которых составляют тетратерпены, самым распространенным из которых является β-каротин.

Животные могут в процессе пищеварения расщеплять молекулу каротина пополам, образуя 2 молекулы витамина А.

Ксантофиллы по химическому строению напоминают каротины (особенно строением углеродного скелета) с тем лишь отличием, что имеют в своем составе кислород.

Биосинтез хлорофилла.

Первый этап синтеза хлорофилла – образование δ-аминолевулиновой кислоты (АЛК) из С-5 аминодикарбоновых кислот.

Циклизация двух молекул АЛК ведет к образованию пирольного соединения порфобилиногена. Из четырех пирольных колец формируется уропорфириноген, который превращается в протопорфирин. В дальнейшем протопорфирин может вступать в реакции по различному пути. Если в его состав включается ион железа, то образуется гем. Если в состав включается ион магния, а затем происходит этерифицирование карбоксильной группы у С-10 метильным радикалом, то образуется протохлорофиллид. Для следующей фазы образования хлорофилла требуется свет. При этом происходит гидрирование двойной связи между 7 и 8 углеродами и образуется хлорофиллид. Последний этап формирования хлорофилла а – этерификация фитолом. Все процессы биосинтеза хлорофилла происходят в хлоропластах.