Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРОТОХЛОРОШЛЛИДЕ, КАК ИНТЕРМЕЩИАТЕ В ЦЕПИ БИОСИНТЕЗА ХЛОРОФИЛЛА (состояние вопроса) 9
ГЛАВА П. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 24
ГЛАВА Ш. ПРОТОХЛОРОФИШВЫЙ ПИГМЕНТ С ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫМ
СОДЕРЖАНИЕМ КОРОТКОВОЛНОВОЙ ФОРМЫ И ЕГО ФОТО ВОССТАНОВЛЕНИЕ В ХЛОРОФИЛЛ 40
3.1. Постановка вопроса 40
3.2. Естественно формирующееся доминирование коротковолновой формы протохлорофиллида
при особых условиях этиоляции 42
3.3. Фотовосстановление 60
3.4. Заключение 88
ГЛАВА ІУ. СПЖТРАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ И ФОТОПРЕВРАЩЕНИЕ ПРОТОХЛОРОШЛОВОГО ПИГМЕНТА В ОНТОГЕНЕЗЕ ЭТИОЛИРОВАННЫХ ЛИСТЬЕВ 91
4.1. Формирование фонда и фотовосстановление 91
4.2. Спектральные изменения 119
4.3. Последовательность фотопревращения 153
а) В раннем возрасте (доминирование формы 635) 153
б) При доминировании формы 650 158
в) При затемнении в раннем возрасте растений, развивающихся в нормальных световых условиях 180
4.4. Коротковолновый (шибатовский) сдвиг и этерификация хлорофиллида 188
4.5. Кинетика озеленения этиолированных растений с разным соотношением спектральных форм протохлорофиллового пигмента на непрерывном
свету 213
4.6. Заключение 229
ГЛАВА У. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОМИНИРУЩЕГО СОСТОЯНИЯ КОРОТКО
ВОЛНОВОЙ ФОРМЫ ПИГМЕНТ В ЭТИОЛИРОВАННЫХ ЛЖТЬЯХ 231
5.1. Действие химическими веществами 231
5.2. Энзиматическое воздействие 253
5.3. Действие температуры 264
5.4. Лиофилизация 277
ГЛАВА Л. ЭКСТРАГИРУЖОСТЬ ПРОТОХЛОРОФИЛЛОВОГО ПИГМЕНТА
И УЛЬТРАСТРУКТУРА ЭТИОПЛАСТОВ В СВЯЗИ С СООТНО- ШЕЙИЕЁ ЕГО СПЕКТРАЛЬНЫХ ФОРМ 282
6.1. Извлекаемость из этиолированных и пост этиолированных листьев малополярным раст
ворителем 282
6.2. Ультраструктура 302
ГЛАВА УЛ. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ФОРМЫ КОМПОНЕНТОВ НЕЛИСТОВОГО
ПРОТОХЛОРОФИЛЛОВОГО ПИГМЕНТА И ЕГО ЛОКАЛИЗАЦИЯ В ПЛАСТВДАХ 326
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ 351
ЛИТЕРАТУРА 3
Введение к работе
Система биосинтеза хлорофилла - главного участника процесса фотосинтеза, исследованию отдельных заключительных этапов которого посвящена наша работа, весьма сложна. Функционирующий в фотосинтетическом аппарате в рамках двух фотосистем и пула пигментов светособирающего комплекса хлорофилл гетеро-генен. Причем уже при своем становлении он комплексируется в отдельные формы. Образование химически, спектрально и функционально различающихся форм протохлорофиллового пигмента - предшественника хлорофилла а, вероятно, связано с одним из проявлений регуляторной роли указанных форм в биосинтезе хлорофилла. При освещении этиолированных растений в процесс включается фоторегуляция, по-видимому, путем активации уже существующих молекул энзима и стимуляции образования его новых молекул, при синтезе первых специфических продуктов. Затем с появлением фотопродуктов вступает в силу регуляторная роль миграции энергии между компонентами пигмента. Построение нативного хлорофилло-носного аппарата представляет собой сложный многоступенчатый процесс, ряда этапов которого в разной мере касались наши исследования, у истоков которых лежали работы,выполненные под руководством Т.Н.Годнева.
К началу наших исследований было известно, что по спектральным свойствам изолированный из разных растений протохлоро-филловый пигмент является принципиально единым веществом (Год-нев, Акулович, 1958; Акулович, 1958). Основа структуры его молекулы представляет собой Mg-винил феопорфирин а§ монометиловый эфир, и как выяснилось в дальнейшем (Loeffier, 1955; Woiff, Price,1957; Годнев, Шлык, Ляхнович, 1957; Лебедев, 1958; Годнев, Акулович, Шабельская, 1958; Судьина, 1959; Годнев, Акулович, I960; Годнев, Акулович, Ходасевич, 1963), наряду с ним в качестве примеси в этиолированных листьях образуется этерифицированный по пропионовому остатку компонент -протохлорофилл, а во внутренних оболочках семян тыквенных растений - его аналог - М-2,4-дивинил (дезэтил) метилфитило-вый эфир феопорфирина а5 (stanier, Smith, 1958-1959; Годнев, Акулович, 1959, I960; Inada, Shibata, I960), который оказался идентичен бактериальному протохлорофилловому пигменту (Jones, 1963). Эти данные уже тогда позволяли сделать предположение об универсальности пути образования хлорофилла.
Благодаря упомянутым работам, выяснилось также, что химизм фотореакции в биосинтезе хлорофилла состоит в превращении протохлорофиллида в хлорофиллид. Было установлено далее, что уже в этиолированных листьях накапливается пигмент, характеризующийся гетерогенностью своего состояния, в основном наличием двух форм, поглощающих при 635 и 650 нм (Литвин, Красновский, 1957; Shibata, 1957), из которых только одна обладала несомненной способностью к фотовосстановлению. При этом вопрос о соотношении спектральных форм, их физиологической функции (особенно коротковолновых) в биосинтезе хлорофилла оставался почти полностью невыясненным. Имеющиеся данные по этому вопросу были противоречивы и неопределенны. Неизвестна была последовательность комплексирования протохлорофиллового пигмента в отдельные формы в процессе его накопления в развивающихся растениях, особенно на самых ранних этапах, что весьма важно, так как на этой ступени на развитии растений меньше сказывается влияние ненормальных условий отсутствия света. Вследствие этого полученные данные могли быть с большей уверенностью на зеленые растения. Кроме того, отсутствовали данные по взаимосвязи соотношения спектральных форм и физико-химического состояния пигмента с ультраструктурой мембранной системы этиопласта. Требовалось решение и ряда других вопросов.
Задачи и пели исследования. Главная цель работы - выявить организацию нативного, функционирующего пигментного аппарата этиолированных и зеленеющих листьев, с помощью которых представляется возможным изучать отдельные этапы биосинтеза хлорофилла без наложения его больших количеств, а также параллельно протекающий процесс формирования мембранных структур хлоропласта на ранних этапах их развития. Исходя из этих положений, предстояло решить следующие основные задачи.
1. Исследовать нативное физико-химическое состояние про-тохлорофиллового пигмента этиолированных растений при их развитии, его изменения при действии внешних факторов и в процессе перехода в хлорофилл и ультраструктуру пластидных мембран.
2. Изучить соотношение спектрально, химически и функционально различающихся форм протохлорофиллового пигмента у разных типов этиолированных и зеленеющих растений в онтогенезе при различных способах и условиях проращивания, а также пигмента внутренних оболочек семян тыквенных растений.
Намеченные задачи решались в ряде случаев с учетом известных представлений (Шлык и сотр., 1969, 1978) о наличии центров биосинтеза хлорофилла как структурных единиц, содержащих полиферментные комплексы, осуществляющие групповой синтез молекул хлорофилла. Б ходе исследования мы уделили внимание прежде всего заключительным реакциям биосинтеза пигмента на этапе протохлорофиллового предшественника, накапливающегося в этиолированных листьях. Предстояло убедиться в универсальности на 7 тивного состояния протохлорофиллида у растений различных типов. Б то же время обнаруженная гетерогенность исследуемого пигмента - предшественника хлорофилла привела к необходимости выяснения роли отдельных его компонентов в фотореакции хлорофил-лообразования. Индуцируемые светом последующие этапы превращений, ведущие к формированию работающего нативного хлорофиллового комплекса, также требовали своего разрешения.
Указанные превращения, сопровождающиеся как химическими реакциями, так и структурными преобразованиями молекул пигмента в пигмент-белковом комплексе, происходят также наряду с вызываемой действием света перестройкой и формированием мембранной системы в освещенном этиопласте. В связи с этим весьма существенно было выявить взаимосвязь между состоянием пигментной системы и архитектурой состоавлявдих структур пластиды как до светового воздействия, так и после него с-целью формулирования гипотезы о топографии нативных белковых комплексов про-тохлорофиллового пигмента в проламеллярном теле этиопласта.
Научная новизна работы. Примененные разносторонние методические подходы к исследованию позволили выявить взаимосвязь между физико-химическим состоянием пигментного комплекса, локализацией протохлорофиллового пигмента на структурных элементах этиопласта и его функциональной ролью, проявляющейся в участии в фотовосстановлении в хлорофиллид и дальнейшем превращении в хлорофилл. Обнаруженная взаимосвязь исследуемых параметров позволит ближе подойти к целенаправленному исследованию биосинтеза хлорофилла с целью конечного раскрытия его звеньев и воспроизведения в искусственной системе.
Показано, что наряду с. принципиальной универсальностью химического строения молекулы протохлорофиллового пигмента вы 8 явлено его "единообразие в растительном мире на уровне пигмент-белкового комплекса растений, варьирующего лишь в соотношении его компонентов в зависимости от возраста, что имеет регулятор-ное значение в хлорофиллообразовании.
Впервые указано на взаимосвязь состояния липо-протеиново-го комплекса протохлорофиллового пигмента и его функционирования в процессе формирования в растении. Это позволило изменить существующие представления о последовательности самосборки молекул пигмента в дискретные формы по мере его накопления в онтогенезе этиолированных листьев, показать зависимость превращения этих $орм от возраста листа и в то же время универсальность заключительных реакций биосинтеза хлорофилла как при освещении этиолированных растений, так и на ранних стадиях развития зеленых растений, когда растение использует энергетические запасы семени.
Впервые выявлена сцепленность морфологического изменения структурных элементов этиопласта и изменения состояния протохлорофиллового пигмента, что позволило выдвинуть гипотезу, объясняющую структурную гетерогенность пигмента на уровне предшественников хлорофилла и состоящую в том, что локализация пигмента на мембранах определяет характер последовательности этапов формирования молекулы хлорофилла.
