Өсімдіктер физиологиясы және биохимия непздері

рол тобы I, II, III, IV рим цифрларымен нәмірленеді. Хлорофилл молекуласында пиррол тобына қосымша бесінші изоциклді цикло-пентан тобы болады, ол V цифрымен белгіленеді. Порфирин

сақинасының сыртқы атомдары сағат тілі жүрісінің бағыты бойынша араб цифрларымен белгіленеді. Фитол қалдығының көміртектік ұзын тізбегі молекуланың профирин бөлігіне қосылады. Қазіргі кезде хлорофилл молекуласының мұндай құрылысы анықталған деп есептеуге болады, өйткені ол а және в хлорофилін колдан синтездеу арқылы дәлелденіп отыр. Неміс биохимигі Штрель мен американ биохимигі Вудворд 1960 жылы а хлорофилін қолдан синтездеу әдісін жүзеге асырды. Суретте а хлорофилі молекуласының құрылысы көрсетілген. Бұл хлорофилден в хлорофилінің айырмашылығы мынада: в хлорофиліндегі көміртегінің үшінші атомына

СН₃ тобының орнына

тобы қосылған. Хлорофилл молекуласының порфирин ядросында

99

тұйық цикл түзетін конъюгация байланыстары системасы болуының өте зор маңызы бар. Мұндай системада я-электрондар еркін циркуляция жасайды. Азоттың әрбір атомындағы электрондардың үш жұбы көміртегінің көршілес орналасқан атомдарымен ортақтастырылған. Азот электрондарының тағы бір жұбы магний атомына қарай бағытталған орбитальда орналасқан. Тоғызыншы көміртек атомына қосылған оттек атомынын, ортақтаспаған 4 электроны болады. Оттегінің ортақтаспаған бұл электрондары мен азоттың магний атомына қарай бағытталған орбиталь бойындағы электрон жүбы я-электрондар деп аталады; олар жарықты сіңіріп, жарық кванттарының әсерімен орын ауыстырады. Азоттың

оны көршілес молекулаға толығымен бере алады. Осының арқасында хлорофилдің көптеген жекелеген молекулалары сіңірген кванттар энергиясы бір центрге жиналады. Ал а және в хлорофилі сіңіру спектрлерінің біраз айырмашылықтары бар, бұл олардың структурасындағы аздаған айырмашылықтарға байланысты.

660 нм аймағындағы қызыл сәулелер мен 429 нм аймағындағы көк сәулелерді а хлорофилі барынша сіңіреді. 643 нм және 453 нм аймақтағы қызыл және кек сәулелерді в хлорофилі сіңіреді. Бұл

екі хлорофилдің максимум сіңіру спектрлерінің өзара сәйкес келмеуі сіңіру сәулелерінің барынша кең диапазонын қамтуға мүмкіндік береді. а хлорофилінің ерітіндісі көк-жасыл түсті, ал в хлорофилінің ерітіндісі жасыл-сары түсті болады. Егер екі ерітіндіні де оған түскен жарық жағынан қарайтын болсақ, онда ашық-қызыл түсті жарқылды көреміз, бұл — флуоресценциялық сәуле шығару. Хлорофилдің флуоресценциялық сәуле шығаруы жөнінде келесі тақырыптарда толығырақ баяндаймыз.

100

19-сурет. Хлорофилл молекулаларының (Хл) белок (Б) және липид (Л) қабаттарынын, арасына орналасу схемасы. К — каротин молекулалары (Э. Либберттен алынған).

балдырлар мен жоғары сатыдағы өсімдіктердің а хлорофилі

қызыл бөлікте 670-тен 680 нм-ге дейінгі әне 700-ден 710 нм-те дейінгі спектрлерді сіңіреді. Бұл жағдай хлорофилдің әр түрлі

күйде болатындығын білдіреді. Хлорофилдің белоктармен

және липидтермен байланысы ғана әр түрлі болмастан, сондай-ақ хлорофилл молекулаларының өзара қосылу дәрежесі де түрліше болуы мүмкін. Хлорофилл молекулалары өзара байланыспай тұрған күйін мономер формасы деп атайды. Ал өзара әрекеттесіп, байланысқан түрін агрегатты формасы деп есептейді. Оны

Д. И. Сапожников, А. А. Красновский және т. б. Атап көрсеткен. Хлорофилдің бұл түрлерінің сіңіру спектрі өзгеше болады. Жасыл эвгленада а хлорофилінің “С-695” белгісімен таңбаланған, ал жоғары сатыдағы есімдіктерде — “р-700” белгісімен таңбаланған ерекше түрі бар екендігі анықталған. Бұл — бірінші хлорофилдің 695 нм аймақта, ал екіншісінің 700 нм аймақта жарық сәулесін сіңіретіндігін білдіреді. а хлорофилінің бұл түрлері де олардың ерекше күйіне байланысты болуы мүмкін.

3.4. ХЛОРОФИЛЛ БИОСИНТЕЗІ

Хлорофилл сияқты күрделі зат өсімдіктерде бірқатар заттардың ұзақ өзгерістерінің нәтижесінде түзіледі. Бұл мәселеге назар аудара отырьш, К. А. Тимирязев өсімдіктерде алғашында жарықтың әсерінен хлорофилге айналатын хлорофилдің ізашарлары

синтезделуі тиіс деп атап көрсетті. Кейініректе ғалымдарға мұндай затты бөліп алу мүмкіндігі туды, оны протохлорофилл деп атады.

Хлорофилл биосинтезіне сыртқы орта жағдайлары зор әсер етеді. Жарық бірінші қажетті жағдай болып табылады. Алайда бұдан өзгеше жағдай да бар. Егер углеводтармен жеткілікті мөлшерде қамтамасыз етілсе, барлық төменгі сатыдағы өсімдіктер, оның ішінде балдырлар, мүктер мен папоротниктер де, ал жоғары сатыдағы өсімдіктерден — шырша қараңғыда хлорофилл түзе алады. Жоғары сатыдағы есімдіктердің бәріне де хлорофилл түзу үшін жарық қажет.

Қараңғыда өсірілетін өсімдіктер хлорофилл түзбейді, ал түзіл-ген хлорофилл ыдырайды. Хлорофилдің қараңғыда ыдырауы сон-дай-ақ углеводтардың болуына байланысты. Қараңғыда өсірілген өсімдіктердің жапырақ тақтасы кішкентай, осьтік органдары созы-лыңқы, тканьдері нашар жіктелген. Этиолданған өсімдіктерді жа-рыққа шығарғанда олар тез арада жасыл түске еніп, оларда хло-рофилл түзіледі.

Хлорофилдің синтезделуіне әсер ететін басқа факторлардың қатарына жарықтың сапасы, оттегінің болуы, температура, мине-ралдық қоректену жатады. Хлорофилл өзі сіңіретін сәулелерде тү-зіледі. Хлорофилл қызыл және көк сәулелерде жақсы, ал жасыл

101

сәуледе нашар түзіледі. Оттегінің әсер етуі хлорофилл синтезінің тыныс алу процесіне байланысты болуымен түсіндіріледі. Тыныс алу процесі барысында энергия мен аралық өнімдер түзіледі, бұл өнімдерден хлорофилл синтезделеді. Минералдық қоректену

жылдан астам уақыт бұрын ғалымдар өсімдіктерде қоректену жағдайларына байланысты хлорофилл синтезі бұзылатын ауруды тапты. Бұл ауру хлороз ауруы деп аталды. Хлорозға ұшыраған жапырақтардың түсі ақшыл-сары болып келеді. Алайда,

қазірге дейін хлороздың нақты себебі анықталған жоқ. Тек бір

нәрсе белгілі: хлороз өсімдіктің қоректенуінде темір тұздары жетіспеген жағдайда пайда болады. Өсімдіктердің жапырақтарына темірлі тұз ерітінділерін бүріккенде хлороз тез арада жойылады да, оларда хлорофилл түзіле бастайды. Темір жетіспеушілігінен болатын хлорозды марганец енгізу жолымен де жоюға болады. Сонымен қатар, темір мен марганец мөлшерінің артық болуы да хлорофилл синтезіне әсер етеді. Кейбір жағдайларда, темірдің мөлшері жеткілікті болса да, NаНСО₃ пен фосфордың мөлшері артық болған кездерде де хлороз ауруы байқалған. Бұл мәліметтер хлороздың себебі темірдің жетіспеушілігі ғана емес, сондай-ақ ферменттердің қызметімен байланысты болатын зат алмасуының неғұрлым зор өзгерістері болып табылатындығын да білдіреді. Құрамында темір бар ферменттер бұл процестерде зор роль атқарады.

Қараңғыда хлорофилл түзе алатын жасыл балдырларда хлоро-филдің синтезделуі оларда күкірт пен мырыштын. болуына байла-нысты. Бұл элементтер жетіспеген жағдайда балдырлар хлорофилл түзбейді.

Хлорофилдің синтезделуі химиялық тұрғыдан алып қарағанда зат алмасудың бүкіл комплексімен байланысты. Т. Н. Годнев ұсынған схема бойынша хлорофилл биосинтезі бірінен соң бірі келетін

12 реакция жолымен жүзеге асады. Құрамында таңбаланған кө-міртек С¹⁴ бар глюкозаны жапырақтарға енгізгенде оның хлоро-филдің порфириндік белігін және фитолды синтездеуге жұмсал-ғандығы анықталды. Хлорофилл синтезіне сірке, янтарь қышқылы және гликокол сияқты аралық өнімдер де қатысады. Янтарь қыш-қылы мен глицин аминолевулин қышқылын синтездейді. Аминоле-вулин қышқылының екі молекуласы пиррол түзеді. Пирролдың төрт молекуласы бірігеді де, уропорфирин циклді қосылысын түзеді. Уропорфирин бірқатар ферменттердің жәрдемімен протопор-фириногенге айналып, протопорфиринге дейін тотығады. Прото-порфиринде бұл кезде металл болмайды. Протопорфирин молеку-ласына магний қосылып, протохлорофилл түзіледі, ал протохлоро-филл жарықтың әсерімен тез арада хлорофилге айналады. Прото-хлорофилл этиолданған өсімдіктерден табылған, алайда ол өте аз түзіледі.

Протохлорофилдің тағы да бір ізашары бар, протохлорофилден өзгеше, оның құрамында фитол болмайды. Протохлорофилдіц фитолсыз бұл түрі протохлорофиллид деп аталады, ол өсімдіктерде протохлорофилмен қатар кездеседі.

102

3.5. КАРОТИНОИДТАР

формуласы СадНбв, олар бір-бірінен молекулаларының структурасы бойынша ерекшеленеді. Химиялық тұрғыдан алып қарағанда олар изопреннің сегіз молекуласының полимерлену өнімдері болып

табылады. Изопреннің формуласы:

СН₂=С-СН=Сна

СН₃

Каротиндердін, құрамындағы қос байланыстар олардың қасиетін анықтайды. Қос байланыстар бір байланыстармен кезектесе келе, конъюгациялық байланыстар системасын құрайды, р-каротин мо-лекулаларында конъюгацияланған 11 қос, а-каротиннің құрамында конъюгацияланған 10 қос байланыс бар. р-каротин неғұрлым кең таралған. Гидролиз кезінде р-каротиннін, молекуласы А витамині-нін, 2 молекуласын түзе отырып, екі жартыға ыдырайды. р-каротин оптикалық активті. Ең соңғы ү-каротин аз таралған, ол жапырақ-тардың пластидтерінде болмайды, өте аздаған мөлшерде сәбіздің тамырында кездеседі.

Сары пигменттердін, екінші тобы — ксантофилдер каротиндер-дің тотыққан туындылары болып табылады. Ксантофилдердің ішінде лютеин неғұрлым кең таралған. Онын, формуласы Н₄₀Н₅₅О₂, ол өсімдіктер пластидтерінде каротин және хлорофилмен қатар кездеседі. Оның сіңіру спектрі 446 және 476 нм. Ксантофилдердің лютеиннен басқа тағы бір изомері бар, ол — виолаксантин. Ол лютеинге қарағанда неғұрлым тотыққан, формуласы С₄₀Н₅₅О₂, сі-ңіру спектрі 424—482 нм.

Өсімдіктердің басым көпшілігі каротиноидтарды жарық жоқ жерде, қараңғыда синтездеуге бейім келеді. Таңбаланған атомдар-мен жүргізілген тәжірибелер көрсеткеніндей, сірке қышқылы каро-тиноидтар биосинтезінің бастапқы өнімі болып табылады.

Сары пигменттер спектрдің күлгін-көк бөлігінде жарықты хло-рофилге қарағанда көп сіңіреді. Олардың жалпы жиынтығы жапырақтың құрғақ салмағының 0,1—0,3 процентін құрайды, бұл — хлорофилдін, мөлшерінен 3—6 есе кем. Жапырақтың сіңірген бүкіл энергиясының 10 процентке дейінгі және спектрдің күлгін-көк бөлігіндегі энергияньщ 30—40 проценті каротиноидтардын, үлесіне келеді. Сары пигменттердің физиологиялық ролін зерттей келе, ғалымдар әр түрлі пікірлер айтады. М. Қальвин сары пигменттер спектрдің қысқа толқынды белігін сіңіре отырып, хлоро-

103

Ол фотосинтез кезінде молекулалық оттегінің бөлініп шығуына ксантофилдің тікелей қатысы бар екендігін көрсетті. Жарықта

Бұл жорамал бойынша фотосинтез кезінде судың тотығуы және оттегінің бөлініп шығуы виолаксантин мен лютеин арқылы жүзеге асады. Фотосинтездің қараңғылық реакциясына қатысатын су виолаксантиннің (>0) тобын түзуге пайдаланылады. Бұл топты эпоксидті топ деп атайды. Осыдан келіп мұндай реакциялар дезэпоксидация және эпоксидация реакциялары деп аталады.

3.6. ФОТОСИНТЕЗДІҢ ЖАРЫҚ ЖӘНЕ ҚАРАҢҒЫЛЫҚ КЕЗЕҢДЕРІ

Фотосинтез процесін зерттеуге өзінің ғылыми қызметін арнаған

К. А. Тимирязев фотосинтез процесінің барысында алуан түрлі реакциялар өтетінін бірінші болып жорамалдады. Ол реакциялар-дың бір бөлігі жарыққа байланысты болса, басқа бөлігі жарыққа тәуелді емес деп есептеді. К. А. Тимирязев жүргізген тәжірибелерде алғашында, жарықтың күші артқан кезде фотосинтездің

жылдамдығы өсті, бірақ белгілі бір шекке жеткенде жарық күшінің

онан әрі артуы фотосинтез жылдамдығын бұрынғыша арттыра ал-мады. Өсімдіктің жарыққа қанығу процесі жүзеге асатын жарық шегі болатындығы анықталды. Осының негізінде К. А. Тимирязев фотосинтез барысында жарық реакцияларынан басқа, жарыққа тәуелсіз таза химиялық, жолмен өтетін реакциялар да бар деген қорытынды жасады. Бұл реакциялардьщ жылдамдығы өсімдік жа-рыққа қанығу шамасына жеткенде фотосинтездің өсуін шектейді.

Әр түрлі экологиялық топқа жататын есімдіктер фотосинтезін зерттей отырып, ғалымдардың тағы бір тобы, айталық,

В. Н. Любименко, Р. Вильштеттер және А. Штоль осындай қорытындыға келді. Д. А. Сабинин (1955) өзінің монографиясында Ф. Блекманның жүргізген зерттеулеріне егжей-тегжейлі талқылау жасады.

104

20-сурет. Атомда фотонды сіңіру арқылы туатын өзгерістер:

А — фотонның сіңірілуі, электрон ауысқанда атомның қозуы;

Б — электронның қайтуы, сәулелену түрінде энергияның бөлінуі (схемалық бейнеленуі.)

Ф. Блекманның еңбектерінің нәтижесінде,— деп көрсетті Д. А. Са-бинин,— фотосинтез процесі 20—30°С дейінгі шекте Вант-Гофф заңына бағынатындығы анықталды. Температура фотохимиялық, реакциялардың жылдамдығына әсер етпестен, химиялық реакция-ларға ғана әсер ететіндіктен, Блекман фотосинтез процесі бары-сында химиялық, қараңғылық реакциялардың болатындығы жө-нінде қорытынды жасады.

Сонымен, фотосинтез туралы ілімде жарық және қараңғылық кезеңдер женіндегі қағидалар осылай негізделді. Хлорофилдің жа-рықты сіңіріп, соның арқасында қозуы фотофизикалық процесс болып табылады. Хлорофилдің электронды беруі мен қабылдауы, электронның тасымалдануы, АТР мен NADP-Н + Н+ синтезделуі жане судың фотолизге ұшырауы фотохимиялык процесс болып та-былады. Фотофизикалык және фотохимиялық процестер фотосин-тездің жарық кезеңін құрайды. Көмір қышқыл газын сіңіру және органикалық заттарды синтездеу реакциялары фотосинтездің қа-раңғылық кезеңін құрайды.

3.7. ХЛОРОФИЛДІҢ ФОТОСИНТЕЗ ПРОЦЕСІНЕ ҚАТЫСУЫ

Хлорофилл жеке алғанда активтілігі едәуір шамалы қосылыс. Алайда оған жарык сәулесі түссе болғаны, хлорофилл сол сәтте, 10~¹⁵ сек ішінде жарық энергиясын сіңіріп, қозған күйге келеді.

Бұл — фотофизикалық кезең. Қозған күйдегі хлорофилдің қозбаған күйдегі хлорофилден айырмашылығы бар. Қозған күйдегі хлорофилдің түсі өзгеріп, ол жасыл түстен қызыл-қоңыр түске енеді. Хлорофилл молекулалары қызыл және күлгін-көк сәулелерді сіңіргенде қозуы мүмкін. Хлорофилдің қозбаған күйі оның негізгі күйі деп аталады. Бұл кездегі электрондардың энергиясы нольге

тең. Хлорофилл молекуласынын, жарық квантын сіңіруі және қозуы оның электрондарының негізгі күйден (энергиясы нольге тең

болған кезде) синглеттік қозу күйіне (хлорофилл электрондары

105

21-сурет. Хлорофилл молекуласының сәулелік квант

энергиясын сіңіру және флуоресценция арқылы бөліп

шығару схемасы, 1—2-синглеттік және триплеттік қозу

жағдайлары.

неғұрлым жоғары энергетикалық деңгейге өткен кезде) өтуіне себепші болады. Қызыл сәулелерді сіңірген кезде электрондар бірінші сиңглеттік қозу деңгейіне (S₁*), көк сәулелерді сіңірген кезде — екінші синглеттік қозу деңгейіне (S₂*) өтеді. Қозған

молекула қозбаған молекуладан өзгеше, жұлдызшамен белгіленеді.

хл + һү—хл*

Жарық кванты немесе фотон жарық энергиясының дискреттік (бе-лінбейтін) үлесі болып табылады. Квант энергиясының мөлшері мынаған тең: Е = һv.

Мұндағы һ — Планк тұрақтысы, ал V — толқын ұзындығына

кері пропорционалды жарықтың жиілігі. Көк сәулелердің квант энергиясы 65 ккал/эйнштейнге, қызыл сәулелердің энергиясы

41 ккал/эйнштейнге тең. Хлорофилдін. фотонды немесе жарық

квантын сіңіруі кезінде оның электрондарының энергиясы квант

энер-гиясына тең болатын шамаға артады. Алайда электрондардың қозу күйі өте тұрақсыз болады. Хлорофилл молекулалары өте аз уақыт қана қозу күйінде болып, одан соң өзінің бастапқы энерге-тикалық күйіне оралады. Молекуланың бірінші синглеттік қозу күйінде болу ұзақтығы 10~⁹ секундқа тең. Екінші синглеттік қозу күйінің ұзақтығы 10~¹² секундқа созылады. Энергиясының бір бөлігін жылуға жүмсай отырып, электрон екінші синглеттік қозу күйінен бірінші синглеттік қозу күйіне орала алады. Молекула синглеттік қозудан триплеттік күйге ете алады. А. Н. Терениннің зерттеулері бойынша триплеттік қозу күйі едәуір ұзаққа, яғни 10~¹³ секундтан бірнеше секундқа дейін созылады. Триплеттік қозу күйі айтарлықтай ұзаққа созылатындықтан, хлорофилл энергиясын осы

106

триплеттік қозу күйінде фотохимиялық реакцияларға береді деп жорамалдайды.

энер гиясын фотохимиялық реакцияға жұмсай алады, мұнда ол өзінін, электронын басқа заттарға береді. Бұл электронды қабылдап алған заттар акцепторлар деп аталады. Хлорофилдің өзі бұл жағ-дайда ионға айналады. Мұндай құбылыс нәтижесінде сәуле арқылы тотыққан және сәуле арқылы тотықсызданған өнімдер пайда болады, олар еселенген биохимиялық реакцияларға түсуге қабілетті келеді. Хлорофилдің электронды беруі фотосинтездің фото-химиялық кезеңі болып табылады. Электронды беруінің нәтижесін-де хлорофилл сәуле арқылы тотыққан енім болып, ал акцептор сәуле арқылы тотықсызданған өнім болып шығады. Жарықты сіңіруінің нәтижесінде хлорофилл өзінің электронын никотинами-дадениндинуклеотидке (NАD⁺) бере алатындығын 1948 жылы

А. А. Красновский анықтады.

Электрондардың берілуі бірқатар ферменттер мен оларға жақын заттар арқылы жүзеге асырылады. Мұндай ферменттер мен оларға жақын заттар біріге келіп, электрондарды тасымалдау тізбегін құрайды. Құрамындағы әрбір қатысушысының белгілі бір

тотығу-тотықсыздану потенциалы болатын бұл тізбек бойымен электрондар көмір қышқыл газының тотықсыздануы жүзеге асатын учаскелерге беріледі. Демек, хлорофилл жарық квантын сіңіріп, қозу күйіне өтетін фотофизикалық кезеңнен соң фотохимиялық кезең туады. Ол кезеңде қозған хлорофилл электронын бере отырып тотығады немесе электронды қабылдай отырып тотықсызданады.

Төменде фотосинтездін, фотохимиялық кезеңі толығырақ қарас-тырылып, хлорофилдің қозған молекуласынан белінетін электрон-ның өту жолы көрсетіледі. Бірақ, алдымен аса маңызды құбылыс — пигменттер системасындағы энергия миграциясына тоқталып өту қажет.

107