О.В.Мосин.

Биохимические и структурные изменения, происходящие в ходе формирования хлоропластов (см. микрофотографию хлоропласта табака) изучен в основном на молодых зелёных проростках растений. При этом семядоли и листья проростков покрытосеменных, прорастающих и растущих в темноте, отличаются от семядолей и листьев проростков, растущих на свету, по форме и окраске (они желтые). А в этиолированных тканях хлоропласты вообще не образуются, а пропластиды развиваются в этиопласты (около 3-5 мкм в диаметре).

Характерной структурной особенностью этиопластов является наличие так называемых проламеллярных тел - квазикристаллических трехмерных трубчатых структур, из которых обычно выходят немногочисленные ламеллы. После освещения выросших в темноте проростков растений из этиопластных мембран образуются хлоропласты. В ходе этого процесса кристаллическое проламеллярное тело теряет свою структурную регулярность, а затем полностью превращается в пластинки перфорированных мембран, которые и дают начало зародышам тилакоидов. В недавно опубликованных исследованиях высказывается предположение, что протилакоидные мембраны, соединенные с трубочками проламеллярного тела, могут играть чрезвычайно важную роль в синтезе компонентов развивающихся фотосинтетических мембран, в том числе хлорофилла и каротиноидных пигментов.

Микрофотография хлоропласта табака.

Характер развития фотосинтетической активности во времени заметно зависит от вида, возраста и условий роста растения. В течение первых минут после освещения обычно появляется небольшая фотосинтетическая активность, которая быстро усиливается в продолжение первых двух часов, тогда как весь процесс формирования хлоропластов из этиоиластов завершается за 48 ч.

Рост тилакоидной мембраны и развитие функционирующего фотосинтетического аппарата в ходе дифференциации этиопласта в хлоропласт - многоступенчатый процесс, который включает не только биосинтез структурных и функциональных компонентов, но также и интеграцию и сборку этих компонентов в функциональные единицы. На разных стадиях развития мембран можно выделить тилакоиды, содержащие ФС I- и ФС II-единицы. Сначала формируются ядра ФС I и ФСП, включающие реакционные центры, а затем простые (мономерные?) формы ССК. Дифференциация первичных тилакоидов в тилакоиды стромы и гран происходит по мере синтеза свето-собирающего комплекса; в ходе такой дифференциации размер ФС I- и ФСП-единиц увеличивается, а в процессе дальнейшего развития пигмент-белковые комплексы постепенно организуются в большие надмолекулярные структуры полностью развитых хлоропластов.

Окончательное состояние тилакоидных мембран зависит от условий окружающей среды и главным образом от освещения. Хлоропласты, развивавшиеся при высоких интенсивностях освещения, имеют .относительно небольшие, но высокоэффективные ФС I и ФСП, тогда как ССК у них редуцированы. При более низких интенсивностях освещения, при которых поглощение света должно быть по возможности максимально эффективным, большое значение имеет синтез ССК, связанный с организацией тилакоидов в граны. Имеются сообщения, что первичными регуляторами развития хлоропластов служат красный свет и фотохромная система. Однако, согласно другим сообщениям, важную роль в данном случае играет синий свет и пока еще неизвестный фоторецептор.

Этиолированные проростки не содержат хлорофилла, но содержат в небольшом количестве протохлорофиллид (10.20), связанный с белком и локализованный в проламеллярных телах. Результаты спектроскопических исследований указывают на существование трех форм протохлорофиллида с максимумами поглощения 628, 637 и 650 нм. Эти формы различаются степенью агрегации или способом связывания с белком. После освещения проростков, выросших в темноте, с помощью спектроскопических методов был обнаружен ряд промежуточных продуктов (676, 678, 682 и 672 нм), которые образуются по мере превращения протохлорофиллида в хлорофилл а. Сначала хлорофилл образуется из протохлорофиллида очень быстро, однако затем наблюдается короткий индукционный период, после которого более медленно синтезируется большая часть хлорофилла. Предполагают, что скорость синтеза хлорофилла регулируется фотохромом. Хотя ССК быстро становятся фотохимически активными, вначале их размеры невелики по сравнению с хлоропластами зеленых листьев. Главная часть хлорофилла, синтезирующаяся в продолжение нескольких часов после индукционного периода, служит в основном для увеличения размера светсобирающих антенн.

Этиолированные проростки растений обычно не содержат каротинов, но в них присутствуют в небольших количествах ксантофиллы и компоненты электронтранспортной цепи, в том числе цитохромы, пластоцианин и пластохинон. На свету параллельно с образованием главной части хлорофилла происходит интенсивный синтез хлоропластных каротиноидов и компонентов фотосиитетической электронтранспортной цепи, а также включение этих молекул в тилакоиды.

Синтезы компонентов хлоропласта в высокой степени взаимозависимы и тесно связаны генетически: Если развитие хлоропластов протекает нормально, на необходимом уровне должно поддерживаться и их снабжение структурными и функциональными компонентами. Прекращение поступления одного из компонентов, например, в результате действия ингибитора, приведет к предотвращению развития .хлоропластов и может вызвать блокирование синтеза других компонентов.

Этиолированные проростки, зеленеющие на свету, представляют собой удобную синхронную систему, на примере которой можно изучать развитие хлоропластов, однако в ходе нормального образования хлоропластов в тканях растений, растущих на свету, процесс позеленения не происходит. В нормальных условиях в меристематических тканях развиваются небольшие пропластиды, которые в конечном итоге и становятся хлоропластами. Такое превращение происходит без промежуточного образования этиопластов. Развитие хлоропластов из пропластид в растениях, растущих на свету, изучать довольно трудно, и поэтому пока нет практически никакой информации о синтезе пигментов и его регуляции в подобных системах. У растений разных видов или растущих в условиях разной освещенности отмечены вариации в размерах ССК и в составе входящих в него пигментов.

В ряде научных работ показано, что синтез и распад хлорофиллов и каротиноидных пигментов продолжается и в зрелых, функционирующих хлоропластах, однако для более детальной характеристики этих процессов необходимы дальнейшие исследования.

Исследований, посвященных развитию хлоропластов у водорослей, известно немного. Чрезвычайно удобным объектом оказалась пресноводная зелёная водоросль Euglena gracilis, поскольку она образует нормальные хлоропласты только на свету. В клетках же, растущих в темноте, содержатся пропластиды (структуры, сходные с этиопластами растений), которые на свету превращаются в функционирующие хлоропласты. Первые 12 ч освещения представляют собой индукционный период, в ходе которого происходит перенос энергии, небольших молекул, восстановительных эквивалентов и, наконец, закодированных в ядре белков в развивающуюся пластиду, в частности из митохондрий, где происходит индуцируемый светом распад запасного углевода парамилона. Между 12 и -96 ч сама пластида обладает высокой активностью, и в это время в ней образуется большинство хлоропластных компонентов, в том числе хлорофиллы и каротиноидные пигменты. Функционирование пластидного и непластидного компартмен-тов клетки, по-видимому, координируется двумя разными фоторецепторами. Один из них, вероятно, представляет собой сине-красный фоторецептор, сходный с протохлорофиллидом. Между растущей в темноте Euglena и молодыми этиолированными высшими растениями имеется большое сходство в характере синтеза протохлорофиллида, в организации пропластид и в фотопревращениях, с которых начинается развитие пластид.

Зеленые водоросли, особенно Chlorella, Scenedesmus и Chlamydomonas, изучались весьма широко. При росте на свету они имеют хлоропласты, сходные с хлоропластами высших растений, и содержат сходный набор фотосинтетических пигментов. Эти же пигменты, однако, содержатся и в культурах, растущих в темноте. При переносе культуры на свет не происходит массированного синтеза ни одного из хлоропластных компонентов, однако свет может быть необходим для фиксирования пигментов в фотосинтетических мембранах или частицах.

Учёными было получено несколько мутантных штаммов водорослей, у которых при выращивании в темноте состав пигментов значительно отличается от состава у дикого штамма; у них может полностью отсутствовать хлорофилл, а биосинтез каротиноидов может быть блокирован на одной из ранних стадий, например на стадии -каротина (10.21). При освещении клеток некоторых из этих штаммов водорослей происходит нормальное образование хлоропластов, причем данный процесс в некоторых отношениях сходен с позеленением этиопластов. Это делает такие штаммы очень удобным объектом для изучения структурных изменений и превращений пигментов.

Сейчас успешно выращивают в темноте лишь несколько видов сине-зеленых водорослей (Cyanophyceae, или Cyanobacteria); в опытах с одним из них (Chlorogloea fritschii] были получены интересные результаты. У этого организма хлорофилл и каротиноидные пигменты синтезируются в темноте, но в фотосинтетические мембраны при этом не встраиваются. Для того чтобы это произошло, необходим свет.

Красные (Rhodophyceae) и сине-зеленые водоросли используют в качестве вспомогательных пигментов фикобилины. К сожалению, синтез этих соединений, так же как и образование фотосинтетических мембран, и особенно фикобилисом, подробно не изучался.

По-видимому, по крайней мере у некоторых видов, соотношение образующихся фикоцианина (620 нм) и фикоэритрина (565 нм) в фикобилинах в большой степени определяется спектральным составом падающего света. Так, на зеленом свету стимулируется синтез поглощающего в зеленой области красного пигмента фикоэритрина, в то время как на красном свету преобладает образование поглощающего красные лучи синего пигмента фикоцианина. Это обеспечивает максимальное поглощение доступного света данными вспомогательными пигментами.

Очевидно, существует общий механизм, регулирующий образование хлоропласта в целом. Как осуществляются при этом тонкие взаимодействия компонентов и их контроль, не известно, однако были обнаружены тесные генетические взаимосвязи между ними. Должны синтезироваться все компоненты, и все они должны быть доступны для включения в тилакоидные мембраны. В противном случае синтетические процессы подавляются. Например, действие некоторых гербицидов заключается в подавлении биосинтеза каротиноидов. Если этиолированные проростки растений или культуры водорослей Eugtena, выращенные в темноте, обработать такими гербицидами, то нормальные каротиноиды хлоропластов не образуются и, следовательно, не включаются в фотосинтетические мембраны. В результате не синтезируются и другие компоненты хлоропластов, в том числе хлорофилл, и, следовательно, не происходит развития хлоропласта в целом. Даже если это было бы и не так, то подавление образования каротиноидов привело бы к тому, что весь синтезированный хлорофилл и зарождающиеся фотосинтетические мембраны оказались бы без защиты от фотоокисления и разрушались бы. Поэтому гербициды, подавляющие биосинтез каротиноидов в растениях, очень эффективны.

Многие фотосинтезирующие бактерии, в том числе Rhodopseudomonas capsutata, R. palustris и R. sphaeroides, способны расти как в анаэробных условиях на свету, так и в аэробных условиях в темноте. Интенсивность освещения и парциальное давление кислорода являются главными факторами, управляющими развитием внутренних мембран и обеспечивающими оптимальное использование источника энергии. Так, в темноте аэробные условия вызывают увеличение количества синтезирующихся компонентов дыхательной электронтранспортной цепи и включение их в мембраны. Вместе с тем клетки, растущие на свету в бескислородной среде, синтезируют фотосинтетические мембраны и пигменты, причем максимального уровня синтез достигает при низких интенсивностях освещения, когда необходима наибольшая эффективность поглощения света.

Главным фактором, регулирующим развитие фотосинтетических мембран и синтез пигментов, по-видимому, является парциальное давление кислорода. Если оно выше определенного уровня, дыхание может происходить с достаточной эффективностью, но образования фотосинтетических мембран или синтеза пигментов при этом не наблюдается. Низкое парциальное давление кислорода стимулирует образование фотосинтетического аппарата и пигментов, в первую очередь реакционных центров и главного комплекса светособирающей антенны Р-875.

В ответ на изменение интенсивности освещения изменяется и состав пигментов. Так, у Rhodopseudomonas spp., свет низкой интенсивности стимулирует синтез бактериохлорофилла и каротиноидов, поскольку происходит формирование вторичного комплекса светособирающей антенны Р-800-850. Свет высокой интенсивности подавляет формирование этого комплекса, и в результате содержание пигментов снижается. В случае бактерии Rhodospiritlitm rtibrum, которая не содержит антенны Р-800-850, содержание пигмента главной светособирающей антенны Р-875 регулируется интенсивностью освещения.

О том, как протекают и регулируются процессы, в ходе которых фотосинтетические пигменты образуются и включаются в мембраны, известно немного. Гены, контролирующие синтез хлорофилла и каротиноидов, а также, возможно, развитие активного фотосинтетического аппарата в целом, локализованы в хромосоме (но не в плазмиде) и расположены очень близко друг к другу. Также в кодировании фотосинтетического аппарата может участвовать одна большая генетическая единица.

Фотосинтезирующие ткани высших растений могут прекращать свою фотохимическую активность по разным причинам. Наиболее известны две из них - старение листьев осенью и созревание плодов. В этих случаях хлоропласты прекращают функционировать и либо разрушаются, либо превращаются в хромопласты.

У большинства деревьев осенью листья изменяют свою окраску с зеленой на желтую, красную или коричневую и опадают с ветвей. Этот процесс включает распад хлоропластов и разрушение хлорофилла. Подробно механизм разрушения хлорофилла пока не изучен. Известно лишь, что на ранних стадиях его распада теряются фитол и атом магния, в результате чего образуется феофорбид (10.22). Порфириновая система колец затем расщепляется с образованием бесцветных соединений, имеющих сравнительно небольшую молекулярную массу.

Хлоропластные каротиноиды листьев растений целиком не теряются, о чем свидетельствует желтая окраска старых листьев. -Каротин в заметной степени окисляется через эпоксиды и апо-каротинали, а ксантофиллы этерифицируются жирными кислотами. Ярко-красная окраска некоторых осенних листьев обусловлена интенсивным синтезом в ходе старения антоцианов. Этот процесс, однако, к распаду хлоропластов непосредственного отношения не имеет.

Незрелые плоды имеют обычно зеленую окраску и содержат функционирующие хлоропласты. Во многих случаях, когда плоды созревают, хлоропласты превращаются в нефотосинтезирующие хромопласты. По мере потери хлоропластами фотосинтетической активности разрушается и хлорофилл. Иногда разрушаются и хлоропластные каротиноиды, но часто вместо них образуется гораздо большее количество других каротиноидов, которые и придают окраску зрелым плодам. Хорошо известным примером такой замены служат плоды томата, которые приобретают красную окраску в результате интенсивного синтеза ликопина (10.23).

В заключение следует отметить, что процесс фотосинтеза чрезвычайно важен для жизни на нашей планете, поскольку он осуществляет утилизацию имеющейся в изобилии солнечной энергии в химически доступную форму путем фиксации СО2 с образованием углеводов. Пигменты, и в первую очередь хлорофилл, играют главную роль в фотосинтезе, и поэтому данный процесс еще долго будет оставаться основной областью исследования пигментов.

В настоящее время много внимания уделяется проблемам регуляции синтеза пигментов, включению их в фотосинтетические мембраны, ориентации молекул пигментов в фотосинтетическом аппарате и молекулярным превращениям, которые происходят в течение очень кратковременных первичных фотореакций. Более подробная информация о механизмах фотосинтеза позволит создать простые модельные системы, которые могут быть использованы для улавливания и утилизации солнечной энергии.

По мере того как пища и традиционные источники энергии в виде полезных ископаемых будут становиться все менее доступными, перед человечеством встанет задача увеличения продуктивности фотосинтеза. Определенные успехи в этом направлении уже достигнуты. Так, в Бразилии такие высокоурожайные культурные растения, как сахарный тростник, используются для получения сахара, из которого затем производят этанол, добавляемый в горючее для двигателей внутреннего сгорания.

Фиксированный посредством фотосинтеза углерод, вероятно, заменит каменный уголь и нефть в качестве главного источника сырья для химической промышленности. Одноклеточные водоросли уже широко применяются в качестве богатых витаминами и минеральными веществами питательных кормовых добавок для животных.

В настоящее время интенсивно изучаются с целью получения источников водорода системы, содержащие хлоропласты, гидрогеназы и другие катализаторы. Совершенно очевидно, что в основе успешного осуществления подобных программ должно лежать детальное знание механизма поглощения света фотосинтетическими пигментами.

ЛИТЕРАТУРА

Akot/unoglou G,, Argyroudi-Akoyunoglou J. H. (eds.) (1978). Chloroplast development, Amsterdam, Elsevier.

Avron M. (ed.) -(1975). Proceedings of the 3rd International Congress-on Photosynthesis, Amsterdam, Oxford and New York, Elsevier.

Barber J. (cd.) (1976). The intact chloroplast. (Topics in photosynthesis, vol. 1), Amsterdam, Oxford and New York, Elsevier-North-Holland.

Barber J. (ed.) (1977). Primary processes of photosynthesis. (Topics in photosynthesis, vol. 2), Amsterdam, Oxford and New York, Elsevier-North Holland.

Barber J. (ed.) (1979). Topics in relation to model systems (Topics in photosynthesis, vol. 3), Amsterdam, Oxford and New York, Elsevier-North Holland.

Clayton R. K., Sistrom W. R. (eds.) (1978). The photosynthetic bacteria, New York, Plenum.

Forti G., Avron M., Melandri A, (eds.) (1972). Proceedings of the 2nd International Congress on Photosynthesis Research, The Hague, Junk N. V.

Gibbs M., Latzko E. (eds.) (1979). Photosynthesis II: Photosynthetic carbon metabolism and related processes. (Encyclopaedia of plant physiology, vol. 6), Berlin, Heidelberg and New York, Springer-Verlag.

Govindjee (ed.) (1975). Bioenergetics of Photosynthesis, New York, San Francisco and London, Academic Press.

Gregory R. P. F. (1977). Biochemistry of photosynthesis, 2nd edition. Chichester, New York, Brisbane and Toronto, Wiley.

Hall D. 0., Coombs L, Goodwin T. W. (eds.) (1978). Proceedings of the Fourth International Congress on Photosynthesis, London, The Biochemical Society.

Kirk J. T. 0., Tilney-Bassett R. A. E. (1978). The plastids: their chemistry, structure, growth and inheritance, 2nd edition, Amsterdam, New York and Oxford, Elscvier-North Holland.

Metzner H. (ed.) (1969). Progress in photosynthesis research, Tubingen, Laupp.

Rabinowitch E., Govindjee (1969). Photosynthesis. New York, London, Sydney and Toronto, Wiley.

San Pietro A. (ed.) (1971). Photosynthesis, Part A. (Methods in enzymology, vol. 23), New York and London, Academic Press.

San Pietro A, (ed.) (1972). Photosynthesis and nitrogen fixation, Part B. (Methods in enzymology, vol. 24), New York and London, Academic Press.

Trebst A.. Avron M. (eds.) (1977). Photosynthesis I: Photosynthetic electron transport and photophosphorylation (Encyclopaedia of plant physiology, vol. 5), Berlin, Heidelberg and New York, Springer-Verlag.