Химический состав хлоропластов

Растущий интерес к структуре и химизму субмикроскопических органоидов клетки, особенно хлоропластов, связан с бурным развитием биохимии и совершенствованием методов электронной микроскопии. Исследования последних лет раскрыли химический состав хлоропластов и их роль в различных процессах обмена веществ, которая не ограничивается фотосинтезом.

Изучение химического состава хлоропластов связано с очень большими трудностями: их химический состав чрезвычайно сложен и весьма изменчив; для биохимических анализов необходимо изолировать из клеток довольно большие количества хлоропластов в чистом, неповрежденном виде. С этой целью в настоящее время широко используется дифференциальное (дробное) центрифугирование тканей, тонко размельченных до однородного состояния специальными методами. Однако этим способом пока не удается получать хлоропласта в абсолютно неповрежденном (интактном) состоянии. Часто, помимо неповрежденных хлоропластов, выделяются и их фрагменты различного размера, вплоть до гран. Кроме этого, некоторые вещества хлоропластов могут переходить в среду, из которой они изолируются. В первую очередь это касается веществ матрикса и некоторых других легкоподвижных, растворимых соединений. С другой стороны, в любом случае возможна адсорбция на поверхности хлоропластов веществ из цитоплазмы.

Биохимические исследования пластид у большого числа растений показали, что хлоропласта представляют собой образования морфологически и химически очень сложные. Хлоропласта богаты водой, причем количество ее — весьма изменчивый показатель и в большой мере зависит от вида растения и условий водного режима. А. С. Вечер установил, что хлоропласта шпината при нормальном водоснабжении имеют в среднем до 75,4% воды, в то время как при недостатке влаги в почве их оводненность снижается до 68—58%. У люцерны при хорошем водном режиме хлоропласта содержат 65,4% воды, т. е. на 10% меньше, чем у шпината в аналогичных условиях, или примерно такое же количество, какое имеется у шпината при водном дефиците.

В сухом веществе хлоропластов, как показывают данные химических анализов, в среднем 35—55% белка, 20—30% липидов, 9—10% хлорофилла и около 4,5% каротиноидов. Эти столь значительные колебания обусловливаются, с одной стороны, видовыми и возрастными особенностями растений, а с другой — воздействием факторов внешней среды. Отчасти они могут зависеть и от метода выделения хлоропластов.

Разнообразные по своей химической природе белки входят в состав сложных комплексов с липидами, пигментами, углеводами и другими веществами. Большинство белков, до 80% от общего количества, связано с липидами в форме липопротеидов. На протяжении жизни растения изменениям подвергается как общее количество белков, так и их аминокислотный состав. По данным О. П. Осиповой, в фазу цветения фасоли хлоропласта содержат протеина 42,6% (на сухую массу), а в фазу созревания семян — 48,1%.

Нарушения в структуре хлоропластов под влиянием условий произрастания также отражаются на количественном и качественном составе белка, что хорошо можно видеть на примере этиолированных растений, отличающихся от нормальных растений меньшим содержанием общего белка и другим соотношением аминокислот. Следует подчеркнуть, что снижение количества протеина является обратимым. В связи с этим позеленение этиолированных растений при переносе их на свет сопровождается накоплением белка в хлоропластах при одновременном увеличении их размеров и восстановлении гранулярной структуры. В частности, в пластидах этиолированных листьев цикория значительное повышение содержания этого компонента можно отметить уже через 4 часа после их освещения.

Пластиды богаты белками, относящимися к группе ферментов. Согласно Н. М. Сисакяну, хлоропласта — это не только место синтеза ферментов, но и, говоря образно, их «депо», ибо здесь сосредоточены прежде всего все ферментные системы, обеспечивающие процесс фотосинтеза. Кроме того, здесь же находятся ферменты, участвующие в синтезе и превращениях различных веществ (белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов, пигментов и некоторых соединений). Столь большое разнообразие ферментных систем указывает на то, что роль хлоропластов не ограничивается лишь непосредственной связью их с фотосинтезом.

Что же касается хромопластов и лейкопластов, то они играют гораздо более скромную роль в биохимическом отношении в связи с тем, что обладают гораздо меньшим набором ферментов.

Важнейшей составной частью пластид являются липиды, которых в хлоропластах намного больше, чем в цитоплазме, где липидов лишь 2—3%. Характерная особенность липидов хлоропластов — высокое содержание ненасыщенных жирных кислот (линоленовой кислоты — 70% и выше, а линолевой кислоты — до 29%).

Значительная часть липидов хлоропластов находится в комплексе с белковыми компонентами. По мере старения растения их связь с протеидным комплексом меняется, в результате чего совершенно иным становится соотношение свободной и связанной форм липидов: содержание свободных липидов с возрастом повышается, а связанных, наоборот, снижается.

Обязательными компонентами липидной фракции являются фотосинтетические пигменты, такие как хлорофиллы а и б, каротиноиды, фикобилины и др. Недавно в хлоропластах обнаружены растворимые в липидах пластохинон и витамин К. Интересно отметить, что не все витамины концентрируются в хлоропластах. Витамины К и Е, а также провитамины А и D практически полностью сосредоточены в хлоропластах, а воднорастворимые витамины группы В и витамин С гораздо в больших количествах находятся в цитоплазме. В состав хлоропластов входят и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Количество РНК в хлоропластах, колеблясь от 0,3 до 4% (на сухую массу), зависит от вида и физиологического состояния растения. Немалое значение при этом имеют возрастные изменения организма, приводящие к резкому падению содержания РНК. Обычно в хлоропластах молодых листьев РНК в 2—3 раза больше, чем в пластидах старых листьев.

Вопрос о существовании в хлоропластах специфичной ДНК длительное время оставался дискуссионным, и только в течение последних 5—6 лет его удалось достоверно решить экспериментальным путем. Большую роль сыграло при этом использование более совершенных методов выделения однородной фракции хлоропластов. Убедительные доказательства наличия в хлоропластах ДНК были получены в опытах с одноклеточной водорослью ацетобулярией, у которой удалялись части клеток с ядром, т. е. удалялась ядерная ДНК. Оказалось, что части клеток, лишенные ядра, сохраняют способность не только к фотосинтезу, что свидетельствует о присутствии хлоропластов, но и к синтезу белка. Эти опыты показали, что в хлоропластах имеется специфическая ДНК, благодаря чему они могут осуществлять синтез белков при отсутствии ядра. Другим не менее убедительным доказательством наличия в хлоропластах ДНК служат недавно установленные различия в некоторых физических и химических свойствах ДНК пластид и ядер. Содержание ДНК в хлоропластах колеблется от 0,022 до 0,25% на сухую массу, т. е. ее во много раз меньше, чем РНК.

В хлоропластах обнаружены различные зольные элементы (называются так потому, что они остаются в виде золы после сжигания растений). Их распределение в пластидах и листьях весьма различно, что можно проиллюстрировать данными таблицы.

Содержание зольных элементов в листьях и в хлоропластах (по А. С. Вечеру)

Многие из зольных элементов (калий, натрий, кальций, сера и др.) встречаются в хлоропластах в меньших количествах, чем в остальных участках листа, зато такие элементы, как магний, медь, фосфор, цинк и особенно железо, локализуются преимущественно в хлоропластах, что, несомненно, связано с той их ролью, которую они играют в процессе фотосинтеза. Известно, что магний является составной частью молекул хлорофилла, а железо хотя и не входит в состав хлорофилла, однако совершенно необходимо для его образования. Кроме того, большую роль в деятельности пластид играют железосодержащие ферменты (каталаза, пероксидаза, цитохромы и т. п.).

В настоящее время биохимические исследования не ограничиваются хлоропластом в целом, уже предпринимаются попытки расшифровать химический состав его отдельных структурных элементов. Интересное исследование, проведенное Р. Парком с сотрудниками, позволило установить относительное содержание отдельных компонентов в квантосоме. На одну квантосому (в среднем) приходится следующее количество молекул различных веществ: хлорофилла — 230, каротиноидов — 48, хинонов — 46, фосфолипидов — 116. Кроме того, в состав квантосом входят белки.

Строгая последовательность реакций фотосинтеза, обеспечивающих преобразование солнечной энергии в химическую энергию веществ, несомненно, обусловлена определенным порядком пространственного расположения молекул на структурных элементах хлоропластов. Отсюда понятно, что дальнейшее изучение их химического состава и ультраструктуры на молекулярном уровне поможет не только раскрыть тайны фотосинтеза, но и осуществить заветную мечту ученых о моделировании фотосинтетических реакций вне растения.

Источник: Н.Н. Овчинников, Н.М. Шиханова. Фотосинтез. Пособие для учителей. Изд-во «Просвещение». Москва. 1972