Введение к работе
Актуальность темы. Комплексность процесса фотосинтеза ставит
задачу поиска и изучения физико-химических моделей, позволяющих
выявить структурно-функциональные особенности организации
фотосинтетического аппарата. В то же время успешность искусственной реализации фотосинтеза напрямую определяется совокупностью знаний, полученных исследованиями природных фотосинтезирующих систем. Таким образом, логика исследований сложного биологического процесса фотосинтеза требует интеграции аналитического и синтетического подходов.
На сегодняшний день наименее изученный вопрос фотосинтеза -стадия окисления неорганического донора электрона. Природа этого донора остается дискуссионной. Один из подходов к решению данной проблемы -предложенная в нашей лаборатории концепция, согласно которой источник кислорода, выделяющегося при фотосинтезе, - это пероксид водорода. Следовательно, пероксид водорода рассматривается как донор электронов, участвующих в восстановлении углекислого газа.
Новая концепция фотосинтеза получила ряд теоретических и экспериментальных подтверждений, главным образом, на субклеточном, клеточном и организменном уровнях. В то же время сведения об экспериментальном доказательстве концепции на молекулярном уровне в литературе отсутствуют. Поэтому имеют смысл исследования влияния пероксида водорода на динамику биосинтеза различных фотосинтетических метаболитов и изучение процесса фотопереноса электрона по цепи пероксид водорода —* хлорофилл —» акцептор, где в качестве акцептора выступают витамины группы К, NADP1 и, что особенно интересно, С02.
Следует отметить» что знания о процессах генерации пероксида внутри клетки недостаточно полны. Известно, что количества внутриклеточного пероксида водорода достаточно для его участия в фотосинтезе, однако не изучена возможность генерации пероксида водорода при фотокатализе хлорофиллом.
Решение этих вопросов представляет несомненный интерес. Это позволит более глубоко понять роль пероксида водорода в природном фотосинтезе и обоснованно наметить конкретные пути осуществления искусственного фотосинтеза.
Сокращения: NADP - никотинамидадениндинуклеотидфосфат, Chi -хлорофилл, Рс - фталоцианин, ТРР - тетрафенилпорфирин, ТСРР - 5,10,15,20-тетракис(4-карболксифенил)порфирин, РР - протопорфирии К, Proto -протохлорофилл(ид), ПВ - пероксид водорода, кр - крахмал, BSA - бычий сывороточный альбумин, ПВС - поливиниловый спирт, НТАБ - бромид цетилтриметиламмония, ТЭА - триэтиламин, МК - метиловый красный.
Цель работы. Экспериментально подтвердить активную роль пероксида водорода в природном фотосинтезе и исследовать фотокаталитические процессы с участием пероксида водорода в системах, структурно-функционально моделирующих фотосинтез.
Задачи исследования. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
Изучить влияние пероксида водорода на протекание природного фотосинтеза по оценке параметров, характеризующих его интенсивность.
-
Обоснованно выбрать системы на основе хлорофилла и его аналогов, оптимальные для моделирования фотосинтеза.
-
Выяснить возможность генерации пероксида водорода при фотокатализе хлорофиллом и его аналогами и изучить особенности этого процесса.
-
Исследовать распад пероксида водорода и его способность выступать восстановителем в условиях гетерогенного фотокатализа хлорофиллом и его аналогами.
-
Экспериментально подтвердить возможность фото каталитического восстановления диоксида углерода в присутствии пероксида водорода и хлорофилла или его аналогов.
Научная новизна. Исследован темновой и фотозависимый распад пероксида водорода в присутствии хлорофилла и металлокомплесов порфиринов и фталоцианинов. Для этих, моделирующих фотосинтез условий впервые показана способность пероксида водорода выступать донором электронов. Впервые осуществлено восстановление диоксида углерода в присутствии пероксида водорода в условиях фотокатализа хлорофиллом, металлопорфиринами и фталоцианинами. Подтверждена активная роль пероксида водорода в этом процессе.
Изучено образование пероксида водорода при фотокатализе хлорофиллом и фталоцианинами. Установлено, что скорость этого процесса зависит от рН среды, микроокружения пигмента, а также от присутствия и природы азотистых оснований. Предложена схема процесса генерации с участием активных форм кислорода.
Обнаружено стимулирующее влияние пероксида водорода на накопление крахмала и фотозависимую стадию образования хлорофиллов в листьях высших растений, а также его действие на скорость роста клеток зеленой водоросли. Эти данные подтверждают активное участие пероксида водорода в природном фотосинтезе.
Впервые показана реакционная способность формильной группы в молекуле хлорофилла Ь, позволяющая получать конъюгаты на его основе. Исследовано влияние белкового и мицеллярного микроокружения на оптические характеристики порфирина.
Практическая значимость. Реакция фотокаталитического восстановления диоксида углерода перспективна для разработки процессов фиксации СОг атмосферы и получения органических продуктов.
Фотокаталитическая активность хлорофилла и его искусственных аналогов в реакциях образования и распада пероксида водорода представляют интерес для технологической реализации этих процессов и использования названных пигментов в решении некоторых биофизических задач.
Способность хлорофилла Ъ образовывать ковалентную связь с некоторыми полимерами, неорганическими носителями и белками перспективна для создания новых каталитических систем и моделирования биологических процессов. Разработан удобный способ ковалентной иммобилизации карбоксилсодержащих порфиринов на белковых макромолекулах, позволяющий получать супрамолекулярные структуры, представляющие интерес для биофизических и биохимических исследований.
Предложено использование пероксида водорода для стимуляции роста растений и улучшения их морфологических характеристик (Решение о выдаче Патента РФ).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VI и VII Пущинских школах-конференциях молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2002, 2003), II Ежегодной молодежной конференции ИБХФ РАН - ВУЗы «Биохимическая физика» (Москва, 2002), XIV-XVI Всероссийских симпозиумах «Современная химическая физика» (Туапсе, 2002, 2003, 2004), III Всероссийской конференции «Молекулярное моделирование» (Москва, 2003), Международном симпозиуме по современным направлениям металлорганической и каталитической химии, посвященном памяти М.Е. Вольпина, (Москва, 2003), XI Международной конференции по химии органических и элементорганических пероксидов (Москва, 2003), X Международном симпозиуме ИЮПАК по комплексам макромолекула-металл (Россия, 2003), XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003), IX Международной конференции по химии порфиринов и их аналогов (Суздаль, 2003), VIH-X Научных конференциях ИХФ РАН (Москва, 2002,2003,2004).
Публикации. Результаты диссертации представлены в 4 статьях, 1 патенте и 6 тезисах докладов.
Положения, выносимые на защиту.
1. Стимулирующее действие пероксида водорода на интенсивность природного фотосинтеза: накопление крахмала, фотозависимую стадию образования хлорофиллов и скорость роста клеток зеленой водоросли.
-
Фотокаталитический распад пероксида водорода в присутствии хлорофилла, металлокомплексов порфиринов и фталоцианинов. Восстановительные свойства пероксида водорода при фотокатализе хлорофиллом.
-
Восстановление диоксида углерода в водных растворах пероксида водорода в условиях фотокатализа хлорофиллом, металлопорфиринами и фталоцианинами. Роль пероксида водорода в этом процессе.
-
Генерация пероксида водорода при фотокатализе хлорофиллом и фталоцианинами. Особенности процесса.
-
Синтез ковалентных конъюгатов порфиринов с белками. Реакционная способность формильной группы молекулы хлорофилла Ь.
Структураиобъемдиссертации.Диссертационнаяработасостоитиз введения, обзора литературы (глава 1), методической части (глава 2), обсуждения результатов исследования (главы 3-7), выводов и списка литературы. Работа изложена на 150 страницах (в том числе 116 страниц текста), иллюстрирована 38 рисунками, содержит 9 таблиц. Библиография включает 155 ссылок.
