Лев Николаев - Металлы в живых организмах

Выдающийся ученый К. А. Тимирязев посвятил хлорофиллу труд, названный им "Солнце, жизнь и хлорофилл", указав в нем, что именно хлорофилл и есть то звено, которое связывает процессы выделения энергии на Солнце с жизнью на Земле.

В следующей главе мы и рассмотрим свойства этого интересного соединения.

Ионы магния играют в поддержании жизни на Земле совершенно исключительную роль. Поток солнечной энергии, падавший на поверхность Земли в отдаленные геологические периоды, сначала не использовался примитивными формами живых существ. Положение, однако, постепенно изменялось, и некоторые из организмов приобрели особый аппарат, позволивший им направить этот практически неиссякаемый поток энергии в русло хемосинтеза, заставить свет участвовать в создании необходимых для клетки веществ.

Работа фотосинтетического аппарата позволяет клеткам, которые им вооружились, строить сложные органические соединения, прежде всего углеводы, из диоксида углерода СО 2и воды. В результате фотосинтеза в углеводах запасается энергия солнечного света:

В результате фотосинтеза в углеводах запасается энергия солнечного света

Из уравнения видно, что кислород молекул воды освобождается, а водород идет на образование глюкозы, которая в дальнейшем превращается в крахмал. В процессах фотосинтеза, протекающих в клетках некоторых бактерий, источником водорода служит не вода, а другие вещества (например, сероводород).

Существенной частью биологического аппарата для использования энергии света является хлорофилл. Хлорофилл очень похож на гем: его молекула также содержит порфириновый цикл.

Хлорофилл очень похож на гем: его молекула также содержит порфириновый цикл

Отличие хлорофилла от гема заключается прежде всего в том, что хлорофилл — это комплексное органическое соединение магния, а не железа (как гем). Кроме того, в молекуле хлорофилла к порфириновому циклу присоединен еще и высокомолекулярный спирт — фитол. Известно несколько видов хлорофилла, но основной порфириновый каркас сохраняется во всех его видах. Есть и еще одно отличие гема от хлорофилла. Как видно из схемы, в молекуле хлорофилла, кроме типичных для порфирина четырех пиррольных колец, имеется дополнительный пятый цикл (V), содержащий атом водорода, карбонильную группу С=O и карбометоксильную группу . В целом вся сложная макроциклическая система имеет ароматический характер; термин "ароматический" отнюдь не связан с каким-либо запахом — он указывает на сходство в состоянии электронов этого макроцикла и электронов ароматических углеводородов (а бензол и его гомологи действительно имеют легкий специфический запах). Часть электронов атомов углерода и азота порфиринового кольца — π-электроны — являются общими, так что внутри макроцикла существует своеобразный круговой ток (как и в бензоле).

Атом водорода в цикле V активно вступает в различные реакции обмена.

Исследования свойств хлорофилла показали, что атом магния не находится строго в плоскости макроцикла, а выведен из этой плоскости, располагаясь над ней. Если хлорофилл растворить в жидкости, молекулы которой имеют полярное строение, то молекула растворителя присоединяется к магнию за счет своей пары электронов (такие молекулы называют электронодонорными) [7] Природа связи магния с лигандами в хлорофилле остается дискуссионной; по данным спектроскопических исследований, все четыре связи магния с азотом одинаковы и не имеют ионного характера. . Если же среда, окружающая хлорофилл, неполярна, то молекулы хлорофилла соединяются друг с другом, причем роль электронодонорной группы выполняет группа >С=O цикла V (>С=O... Mg). В бензольном растворе существуют, например, двойные молекулы хлорофилла; в алифатических углеводородах, которые очень слабо присоединяются к магнию, образуются даже частицы, состоящие из десяти молекул хлорофилла. В воде хлорофилл практически нерастворим. Однако молекулы воды связывают молекулы хлорофилла вместе таким образом, что пара электронов атома кислорода воды взаимодействует с атомом магния одной молекулы, а атомы водорода воды образуют водородные связи с группами >С=O и -СООН другой (на схеме символ Сhl обозначает молекулу хлорофилла):

Пара электронов атома кислорода воды взаимодействует с атомом магния одной молекулы, а атомы водорода воды образуют водородные связи с группами >С=O и -СООН другой

В результате возникают очень большие агрегаты частиц хлорофилла (коллоидные частицы). Следовательно, именно особенности строения макроцикла хлорофилла (наличие пятого цикла) и определяют его способность образовывать крупные скопления — агрегаты — тесно связанных частиц.

Свет действует на агрегаты хлорофилл — вода — хлорофилл, вызывает отделение электрона от одной из частиц комплекса, вода обеспечивает разделение зарядов.

В самой общей форме работу фотосинтетического механизма можно представить следующим образом. Молекула хлорофилла помещается между молекулами, способными присоединять и отдавать электроны. Свет, действуя на хлорофилл, переводит его электроны на более высокие энергетические уровни — свет поглощается хлорофиллом. (Возбужденное состояние обозначено на схеме звездочкой над символом хлорофилла Chl*). Затем возбужденный электрон выбрасывается молекулой хлорофилла и переходит к веществу, которое способно его принять, — так называемому акцептору электронов, и почти одновременно хлорофилл получает электроны от другого вещества — донора электронов:

Работа фотосинтетического механизма

Здесь D — донор, А — акцептор электронов; hv — поглощаемый хлорофиллом квант света; Chl — хлорофилл.

Такие акты совершаются очень быстро: за одну секунду на солнечном свету происходит около 1500 вспышек. Между донором и акцептором поток электронов совершает круговой путь, расходуя свою энергию на разложение воды, образование АТФ и НАДФ*Н. Эта приближенная картина уточнялась в течение многих лет, но и поныне не все ее детали достаточно ясны.