Светозависимый биосинтез хлорофилла

СВЕТОЗАВИСИМЫЙ
БИОСИНТЕЗ
ХЛОРОФИЛЛА

О. Б. Беляева

Москва
Лаборатория знаний
2020

4е издание, электронное

УДК 577
ББК 28.57
Б44

Беляева О. Б.
Б44
Светозависимый биосинтез хлорофилла / О. Б. Беляева
;
под
ред.
проф. Ф. Ф. Литвина. — 4-е
изд.,
электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2020. — 235 с. —
Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". —
Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-800-1
В книге последовательно рассматриваются этапы заключительного
этапа
биосинтеза
хлорофилла
от
формирования
активного
протохлорофиллид-ферментного
комплекса
до
путей
образования
пигментов
реакционных
центров
фотосинтетических систем. Обсуждаются фундаментальные
исследования прошлых лет и результаты новейших исследований, осуществленных с помощью современных методов
молекулярной биологии. Большое внимание уделено приоритетным исследованиям российских ученых.
Для ученых-биофизиков, а также для преподавателей,
аспирантов и студентов биологических вузов.
УДК 577
ББК 28.57

Деривативное издание на основе печатного аналога: Светозависимый биосинтез хлорофилла / О. Б. Беляева ; под ред.
проф. Ф. Ф. Литвина. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний,
2009. — 232 с. : ил. — ISBN 978-5-94774-926-7.

В
соответствии
со
ст. 1299
и
1301
ГК
РФ
при
устранении
ограничений, установленных техническими средствами защиты
авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя
возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-800-1
c○ Лаборатория знаний, 2015

2

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Глава I. Протохлорофилл(ид) — предшественник
хлорофилла в листьях растений . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
I.1. Множественность форм предшественника хлорофилла
in vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

I.1.1. Химическая гетерогенность предшественника
хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Протохлорофилл и протохлорофиллид. . . . . . . . . . . . 21
Моновинил- и дивинил-протохлорофилл(ид). . . . . . . . 26
К вопросу о синтезе протохлорофиллида в . . . . . . . . . 29

I.1.2. Спектрально различные формы
протохлорофилла(ида) in vivo и их
фотохимическая активность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Основные формы предшественника хлорофилла . . . . . 42
О двух пулах активной формы
протохлорофиллида Пхлд655/650 . . . . . . . . . . . . . 47

Полосы поглощения и возбуждения
флуоресценции основных форм предшественника
хлорофилла в области 400–600 нм . . . . . . . . . . . . . 49

Спектры фосфоресценции основных форм
предшественника хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Длинноволновые формы протохлорофилла(ида) . . . . . 53

I.2. Активные пигмент-ферментные комплексы
предшественника хлорофилла: строение, функции
и локализация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

I.2.1. Фотофермент НАДФН-протохлорофиллидоксидоредуктаза (ПОР) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Молекулярная структура. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Вторичная структура ПОР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Îãëàâëåíèå

Активный сайт ПОР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Специфичность ПОР к субстрату . . . . . . . . . . . . . . . . 64

I.2.2. Гетерогенность протохлорофиллидоксидоредуктазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

I.2.3. Локализация активного комплекса в пластидах,
связь фотофермента с мембранами . . . . . . . . . . . . . . . 71

Связь ПОР с мембранами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

1.2.4. Роль агрегации протохлорофиллида и ПОР
в образовании фотохимически активного комплекса . . 74

I.2.5. Дополнительные компоненты, ассоциированные
с активным пигмент-ферментным комплексом
этиолированных листьев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Флавины как компонент активного комплекса
биосинтеза хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

О гипотетическом светособирающем
пигмент-белковом комплексе этиопластов . . . . . . . . 81

Роль липидов в образовании активного комплекса
протохлорофиллида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Минорные полипептиды как компоненты нативных
комплексов предшественника хлорофилла. . . . . . . . 85

I.3. Регуляция биогенеза активного комплекса
предшественника хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

I.3.1. Световая регуляция биосинтеза молекулы
протохлорофиллида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

I.3.2. Световая регуляция биосинтеза
протохлорофиллид-оксидоредуктазы (и, как следствие,
активной формы протохлорофиллида) при участии
фитохрома. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Cветовая регуляция транскрипции ПОР. . . . . . . . . . . 89
Регуляция накопления активной формы
предшественника хлорофилла с участием
фитохрома А . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Зависимость экспрессии генов ПОР
от интенсивности света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

I.3.3. Регуляторная роль фитогормонов в формировании
активного комплекса протохлорофиллида . . . . . . . . . . 93

Глава II. Фотохимическая стадия биосинтеза
хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
II.1. Последовательность реакций при зеленении
этиолированных листьев. Общая схема . . . . . . . . . . . . . . . 95

4
Оглавление

II.1.1. О двух последовательных фотохимических
реакциях в процессе биосинтеза хлорофилла . . . . . . . 100

II.1.2. Разветвление цепи реакций биосинтеза
хлорофилла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

II.1.3 Темновая реакция Хлд690/680 Хлд695/685 . . 107
II.1.4. Коротковолновый темновой спектральный сдвиг
Хлд695/685 Хл683/670. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

II.1.5. Завершающий длиннoвoлнoвый сдвиг
и формирование нативных форм хлорофилла. . . . . . . 112

II.2. Развитие схемы фотохимических и темновых
реакций заключительной стадии биосинтеза хлорофилла
и пути биосинтеза пигментных компонентов реакционных
центров двух фотосистем фотосинтеза . . . . . . . . . . . . . . . 115

II.2.1. Биосинтез феофитина а — компонента РЦ
фотосистемы II, в процессе зеленения этиолированных
листьев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

II.2.2. Биосинтез длинноволнового хлорофилла,
возможного компонента РЦ ФС II, при зеленении
этиолированных листьев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Образование нативных форм хлорофилла
в этиолированных листьях в условиях теплового
шока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Образование хлорофилла реакционных центров
фотосистемы II в листьях растений на ранней
стадии этиоляции. Роль длинноволновой формы
протохлорофиллида как предшественника Р680 . . . 123

II.2.3. Фотобиосинтез хлорофилла в зародышевых
листьях растений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

II.2.4. Циклическая схема превращений компонентов
активного протохлорофиллид-ферментного комплекса
в процессе биосинтеза хлорофилла
[Schoefs and Franck 2008] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

II.2.5. Длинноволновая форма предшественника
хлорофилла Пхл682/672 и ее роль в биосинтезе
пигментов реакционных центров фотосистемы I . . . . 132

II.3. Заключительные стадии биосинтеза хлорофилла
в зеленых листьях растений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Глава III. Элементарные реакции фотовосстановления
протохлорофилла(ида) in vivo и in vitro . . . . . . . . . . . . 143

Оглавление
5

III.I. Первичные реакции фотовосстановления
протохлорофиллида в листьях растений и выделенных
пигмент-белковых комплексах. Лабильные интермедиаты,
стабилизирующиеся при низких температурах. . . . . . . . . 144

III.1.1. Нефлуоресцирующий интермедиат Х690. . . . . . 144
III.1.2. Образование первого нефлуоресцирующего
интермедиата R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Тушение флуоресценции активной формы
протохлорофиллида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Фотообратимость первичной реакции. . . . . . . . . . . . 150

III.1.3. Две формы интермедиата Х690: R697 и R688 . . 154

III.2. Исследования быстрых стадий фотовосстановления
протохлорофиллида in vivo при физиологических
температурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
III.3. Первичные флуоресцирующие формы
хлорофиллида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
III.4. Элементарные реакции фотовосстановления
протохлорофилла(ида) в модельных системах. . . . . . . . . . 165

III.4.1. Фотовосстановления протохлорофилла(ида)
в растворах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

Фотовосстановление мономерного
протохлорофилла(ида). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

Фотовосстановление протохлорофилла в системах
с агрегированным пигментом . . . . . . . . . . . . . . . . 168

III.4.2. Элементарные реакции фотовосстановления
протохлорофиллида в реставрированных тройных
комплексах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

III.5. О возможных механизмах фотовосстановления
молекулы протохлорофиллида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

6
Оглавление

Посвящается памяти моих друзей и коллег
Владимира Никифоровича Архипова
и Николая Витальевича Игнатова.

Эта книга посвящена интересной и важной проблеме. Биосинтез хлорофилла в живой клетке создает возможность фотосинтеза — процесса, который, как известно, лежит в основе жизни на
Земле, обеспечивая биосферу энергией за счет внешнего самого
мощного и практически неиссякаемого источника. Автор сосредоточилась на наиболее интересной, как нам представляется, светозависимой стадии биосинтеза, протекающего преимущественно в
клетках высших растений. Вначале казалось, что этот процесс должен быть очень простым — фотовосстановление одной из двойных
связей предшественника хлорофилла. В книге развернут исторический путь познания, который привел к созданию детально рассмотренной
сложной
картины
разветвленной
цепи
процессов
различной природы — фотофизических, физико-химических, биохимических, а также молекулярно-биологические и молекулярно-генетические аспекты проблемы. Трудность изучения процесса
во многом обусловлена тем, что многие его участники — пигмент-белковые комплексы — настолько лабильны, что разрушаются
при
попытке
их
изолирования
из
клеток
и
остаются
недоступными для их индивидуального исследования. Поэтому
значительная часть фактов была получена с помощью спектроскопических методов, позволяющих изучить процесс непосредственно
при его протекании в живой клетке. Этот подход послужил основой
многолетних исследований коллектива нашей кафедры, в которые
значительный вклад внесли и труды автора книги, а также Николая Витальевича Игнатова и других коллег. Нельзя не отдать должного инициатору и вдохновителю этих работ — нашему учителю
академику Александру Абрамовичу Красновскому, который был
родоначальником современных исследований фотобиосинтеза хлорофилла в нашей стране и руководителем первой кандидатской
диссертации в этой области на биологическом факультете.
В последнее время наблюдается повышенный интерес к проблеме фотобиосинтеза хлорофилла, в частности, к ее физическим
аспектам, к использованию новых методических возможностей,

Ïðåäèñëîâèå

которые позволяют изучать процессы непосредственно при их протекании в физиологических условиях, без глубокого охлаждения
объекта. Несомненно, будет развиваться до сих пор малоизученная,
но очень важная проблема фотобиосинтеза хлорофилла и феофитина в зеленых листьях. Остается открытым и вопрос о взаимоотношениях пигмент-белковых комплексов, участвующих в биосинтезе
хлорофилла и в самом фотосинтезе. Можно надеяться, что книга
будет способствовать привлечению интереса к этой проблеме новых
молодых исследователей.

Заведующий кафедрой физико-химической биологии
биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова,
профессор Ф.Ф. Литвин

10
Предисловие