Поглощая коротковолновые лучи, каротиноиды исполняют роль экрана, защищающего хлорофилл и клетку от их губительного воздействия. Это большая группа пигментов желтого, оранжевого и красного цвета. Каротиноиды широко распространены в природе: их обнаружено больше трехсот. Однако в фотосинтезе участвуют лишь некоторые из них.

Термин «каротиноиды» ввел в науку М.С. Цвет для желтых спутников хлорофилла, т. е. веществ, сопровождающих хлорофилл в пластидах. В пыльце растений, околоцветников каротиноиды находятся во внепластидном состоянии. Каротиноидов в хлоропластах обычно в три раза меньше, чем хлорофиллов (отношение хлорофиллов к каротиноидам равно 3).

Основная часть молекул всех каротиноидов — восемь соединенных между собой остатков изопрена, образующих цепь. Каротиноиды (рис. 3.8) делятся на соединения с открытой цепью — ациклические (например, ликопин) и содержащие в своей молекуле один или два цикла (α-, β-каротин). Кроме того, по химическому строению каротиноиды делятся на бескислородные, содержащие только углерод и водород, имеющие элементарную формулу С40Н56 каротины, а также окисленные, которые кроме углерода и водорода содержат еще кислород — ксантофиллы.

Каротиноиды растворимы в органических растворителях, такие, как сероуглерод и ацетон, но нерастворимы в воде (кроме кроцина). Многие каротиноиды растворимы в спирте, петролейном эфире, хлороформе, они хорошо растворяются в жирах.

В химическом отношении молекулы каротиноидов характеризуются большим числом сопряженных двойных связей, являющихся хромофорными группами. Каротиноиды поглощают свет в сине-фиолетовой области спектра и имеют три максимума, положение которых определяется главным образом количеством двойных связей. Флюоресцируют каротиноиды от слабо желтой до зеленой окраски. В месте нахождения двойных связей может легко происходить присоединение кислорода, в результате чего образуются перекиси и окраска исчезает. К группе бескислородных каротиноидов относятся каротины: ликопин, содержащийся в плодах томатов. К окисленным каротиноидам относятся ксантофиллы: лютеин, криптоксантин, содержащийся в желтых зернах кукурузы, кожуре мандаринов и др.

Каротиноиды имеют большое количество конъюгированных двойных связей, поэтому они способны к окислительно-восстановительным реакциям.

Поглощение света каротиноидами, а, следовательно, их окраска обусловлены наличием конъюгированных двойных связей, β-каротин имеет два максимума поглощения, соответствующие длинам волн 482 и 452 нм. Красные лучи, поглощаемые хлорофиллами, каротиноидами не поглощаются. Каротиноиды в отличие их от хлорофилла не обладают способностью к флюоресценции. Подобно хлорофиллу, каротиноиды в хлоропластах вступают во взаимодействие с белками.

Уже сам тот факт, что каротиноиды всегда присутствуют в хлоропластах, позволяет считать, что они принимают участие в процессе фотосинтеза, но их роль вспомогательная. Они поглощают определенные участки спектра света и передают энергию на хлорофилл, одновременно защищая молекулу хлорофилла от необратимого фотоокисления. Возможно, каротиноиды принимают участие в кислородном обмене при фотосинтезе. У высших растений, мхов, зеленых и бурых водорослей осуществляется светозависимое взаимопревращение ксантофиллов.

7. Химизм аэробной фазы дыхания. Заслуга Г. Кребса

Вторая фаза дыхания — аэробная — требует присутствия кислорода. В аэробную фазу вступает пировиноградная кислота. В присутствии достаточного количества О₂ пируват полностью окисляется до СО2 и Н2О.

Еще в 1910 году шведским химиком Т. Тунбергом было доказано участие органических кислот в процессе дыхания. В 1935 году А. Сент-Дьерди в Венгрии установил, что добавление органических кислот к живой ткани резко активирует поглощение ею кислорода.

В 1937 году Г. А. Кребс предложил схему последовательности окисления три- и дикарбоновых кислот до СО2 через «цикл лимонной кислоты» за счет отнятия водорода. Этот цикл и был назван его именем. (Рис. 4.3).

В цикле окисляется не сама пировиноградная кислота, а ее производное — активный ацетат. Таким образом, первым этапом окислительного расщепления пировиноградной кислоты (ПВК) является процесс образования активного ацетата в ходе окислительного декарбоксилирования. Окислительное декарбоксилирование ПВК осуществляется при участии сложной ферментной системы пируватдегидрогеназы. Эта ферментная система включает в себя три фермента и пять коферментов (тиаминпирофосфат, липовая кислота, коэнзим А, ФАД и НАД). В результате этого процесса образуется активный ацетат (ацетил-КоА), восстановленный НАД (НАДН) и выделяется первая молекула СО2.

Ферментная система пируватдегидрогеназа ингибируется АТФ. При накоплении АТФ выше определенного уровня превращение ПВК прекращается. Это один из механизмов регулирования аэробной фазы дыхания.

Образовавшийся в ходе этапа активный ацетат вступает в цикл три- и дикарбоновых кислот.

Второй этап начинается с взаимодействия активного ацетата с енольной формой щавелево-уксусной кислоты, результатом реакции является образование лимонной кислоты. В этой реакции принимает участие фермент цитратсинтетаза.

Следующий этап цикла включает две реакции и катализируется ферментом аконитазой. В первой реакции в результате дегидратации лимонной кислоты образуется цисаконитовая. Во второй реакции цисаконитовая кислота гидратируется в изолимонную. Изолимонная под действием НАД или НАДФ - зависимой изоцитратдегидрогеназы окисляется в нестойкое соединение — щавелево-янтарную кислоту, которая декарбоксилируется с образованием оскетоглутаровой кислоты.

Подобно ПВК, α-кетоглутаровая кислота подвергается реакции окислительного декарбоксилирования с аналогичной мультиферментной системой. В ходе этой реакции α-кетоглутаровая кислота превращается в сукцинил-КоА, образуется НАДН и выделяется одна молекула СО2.

Подобно активному ацетату, сукцинил-КоА является высокоэнергетическим тиоэфиром. Однако если в случае с ацетил-КоА энергия тиоэфирной связи расходуется на синтез лимонной кислоты, энергия сукцинил-КоА может трансформироваться в образовании фосфатной связи АТФ. При участии сукцинил-КоА-синтетазы из сукцинил-КоА, АДФ и Н3РО4 образуется янтарная кислота (сукцинат), АТФ, регенерируется молекула KoA-SH. АТФ образуется в результате субстратного фосфорилирования.

На следующем этапе янтарная кислота окисляется до фумаровой. Реакция катализируется сукцинатдегидрогеназой, коферментом которой является ФАД. Фумаровая кислота под действием фумаразы, присоединяя воду, превращается в яблочную кислоту (малат). И, наконец, на последнем этапе яблочная кислота с помощью НАД-зависимой малатдегидрогеназы окисляется в щавелево-уксусную (ЩУК). А ЩУК вступает в новый цикл.

Следует отметить, что большинство реакций цикла обратимо, однако ход цикла в целом практически необратим. Причина этого в том, что в цикле есть две сильно экзооргические реакции — цитратсинтетазная и сукцинил-КоА-синтетазная.

На протяжении одного оборота цикла при окислении ПВК происходит выделение трех молекул СО2, включение трех молекул Н2О и удаление пяти пар атомов водорода. Роль воды в цикле Кребса подтверждает правильность уравнения Палладина, который отмечал, что дыхание идет с участием Н2О, кислород которой включается в окисляемый субстрат, а водород с помощью «дыхательных пигментов» (по современным представлениям — коферментов дегидрогеназ) переносится на кислород. Большинство ферментов цикла Кребса локализовано (рис. 4.4) в матриксе митохондрий, аконитаза и сукцинатдегидрогеназа — во внутренней мембране митохондрий.

Третий этап цикла Кребса — это электрон-транспортная цепь (ЭТЦ). В процессе окисления пировиноградной кислоты в цикле Кребса образовались пары водорода 2Н, которые мы можем рассматривать как 2Н+ + 2е-. Именно в таком виде они и передаются по цепи переносчиков. Движущей силой транспорта водорода в дыхательной цепи (рис. 4.5) является разность потенциалов. В связи с этим расположение отдельных переносчиков в дыхательной цепи, также как и в цепи фоосинтетической, определяется величиной их окислительно-восстановительного потенциала. В начале цепи расположен НАД, обладающий наибольшей величиной окислительно-восстановительного (ОВ) потенциала (-0,32В), а в конце — кислород с наиболее положительной величиной (+0,82В).

Остальные переносчики расположены между ними в порядке последовательного повышения положительного потенциала. Это и позволяет электронам передаваться по направлению к кислороду.

Б. Чане и др. (США) в 50-х годах предложили следующее расположение переносчиков в ЭТЦ:

Пара электронов от НАДН или сукцината передается по ЭТЦ до кислорода, который, восстанавливаясь и присоединяя два протона, образует воду.

Окислительное фосфорилирование. Перенос электронов от НАДН к молекулярному кислороду через ЭТЦ митохондрий сопровождается потерей свободной энергии.

В. А. Энгельгардом еще в 30-х годах было показано, что при аэробном дыхании накапливается АТФ. Он первый высказал идею о сопряжении между фосфорилиро-ванным АДФ и аэробным дыханием. В 1937—1939 гг. биохимики В. А. Белицер в СССР и Г. Калькар в США установили, что при окислении промежуточных продуктов цикла Кребса, в частности янтарной и лимонной кислот, образуется АТФ. В анаэробных условиях фосфорилирования не происходит.

Процесс фосфорилирования АДФ с образованием АТФ, сопряженный с переносом электронов по ЭТЦ митохондрий, получил название окислительного фосфорилирования. В ЭТЦ синтезируется три молекулы АТФ. Так, первая молекула АТФ образуется при переходе пары электронов от пиридинов?