К. А. Тимирязев, исследуя роль и значение хлорофилла, его физические и химические свойства, обратил внимание на связанные с ним желтые пигменты — каротиноиды. Он писал, что ксантофилл — это вещество, которое появляется в этиолированных растениях раньше хлорофилла и сохраняется дольше в пожелтевших листьях. Несмотря на широкое распространение каротиноидов в природе и их важную роль, особенно каротина, для питания человека и животных, на желтые пигменты длительное время не обращали внимание при изучении обмена веществ в растении. Благодаря выдающимся работам К. А. Тимирязева, а также более поздним работам целой плеяды исследователей вопрос о роли хлоропластов и зеленого пигмента хлорофилла в основном решен. Этого нельзя сказать о каротиноидах, которые придают желтую или оранжевую окраску хромопластам и являются компонентами в пигментной системе хлоропластов.
Желтые пигменты — обязательные спутники зеленых пигментов, там, где обнаруживается хлорофилл, всегда имеются каротиноиды. В красной морской глубоководной водоросли филлофоре содержатся красные, зеленые и желтые пигменты. Многим микроорганизмам, бактериям свойственны желтые пигменты. Каротиноиды широко распространены в природе, поэтому не случайно им придается большое значение при изучении фотосинтеза и других физиологических процессов.
Каротиноиды подразделяются на две большие группы: бескислородные и окисленные. К первой относятся α-, β-, γ-каротин (С40Н56), являющиеся спутниками хлорофилла; ликопин (C40H56), содержащийся в плодах томата, паслене, ягодах ландыша, цветках календулы; лепротин (С40Н56), выделенный из бактерий Sarcina aurantiaca. Ко второй группе относятся ксантофиллы, а именно: лютеин(С40Н5602), или дигидроксикаротин, — постоянный спутник каротина; криптоксантин (C40H560) — пигмент желтых зерен кукурузы, содержащийся также в кожуре мандаринов, в плодах дынного дерева и зародышах пшеницы; микоксантин (С40Н54О) — характерный пигмент слизистых грибов (дает темно-фиолетовые кристаллы); фукоксантин (С40Н56О6) — пигмент бурых водорослей; зеаксантин (С40Н5602) — желтый пигмент семян кукурузы; рубиксантин (С40Н560) — изомер криптоксантина, содержится в плодах шиповника; капсорубин и капсантин (С40Н5604) — важнейший пигмент стручкового перца.
В кожице спелых плодов испанского перца обнаружено до 100 индивидуальных пигментов каротиноидов.
Каротиноиды также подразделяются на группы по количеству углеродных атомов (с 40 углеродными атомами и меньше). К каротиноидам, содержащим менее 40 углеродных атомов, относятся оксисоединения: витамин А (С20Н30О), кроцетин — желтое красящее вещество шафрана, норбиксин и биксин, обнаруженные в семенах биксы анатовой (Віха orellana), азафрин, найденный в растении Escobedia. Из каротиноидов животного происхождения известны: астазин — красящее вещестйо морского паука и морских звезд, эхиненон - выделен из половых желез морского ежа, ретинен — продукт распада зрительного пурпура млекопитающих, лютеин — пигмент яичного желтка птицы.
Одним из наиболее изученных и характерных представителей желтых пигментов — каротиноидов является каротин, открытый Ваккендродером в 1831 г. в моркови. Молекула β-каротина, распадаясь пополам, дает две молекулы витамина А (см. с. 167).
Каротин состоит из восьми остатков изопрена, из них четыре изопреновые группы замкнуты в два иононовых кольца; в ликопине иононовые кольца открыты. Наличие двойных связей в молекуле каротина обусловливает желтую окраску. При введении в его молекулу по месту двойных связей водорода (гидрирование) окраска ослабевает; после присоединения восьми молекул водорода наступает полное обесцвечивание.
Чистый каротин — блестящие медно-красные кристаллы. Слабые растворы каротина и каротиноидов имеют желтый цвет, а концентрированные — оранжево-красный. Из-за большого количества двойных связей молекула каротина неустойчива. Каротиноиды легко разрушаются под действием высокой температуры, света и кислот. На воздухе каротин легко окисляется, поглощая много кислорода (до 40% своей массы). Чистый кристаллический каротин сохраняется неизменным только в атмосфере азота. Он растворяется в сероуглероде, жирах, бензине, бензоле, петролейном эфире и ледяной уксусной кислоте.
Исследования динамики растворимых углеводов, содержания каротиноидов в растении и опыты с мечеными атомами показали, что источником биосинтеза каротина являются сахара; продукты распада гексоз служат основой для синтеза каротиноидов и терпенов в растении.
Биосинтез каротиноидов в растениях происходит по схеме: углеводы → пировиноградная кислота → ацетат → мевалоновая кислота → изопентенилпирофосфат (активный изопрен) → геранилпирофосфат → геранилгераниолпирофосфат → каротиноиды. Работы С. И. Лебедева и И. М. Алейникова показали, что реакции биосинтеза хлорофиллов и каротиноидов сопряжены. Исходным соединением для обеих групп пигментов является ацетил — КоА.
В хлоропластах содержатся зеленые пигменты — хлорофилл α и хлорофилл b и желтые пигменты — ксантофиллы и каротин. Обычно количественное отношение $$\frac{\text{хлорофилы}}{\text{каротиноиды}} = 3$$
т. е. хлорофиллов в 3 раза больше, чем каротиноидов. Такое же соотношение наблюдается между ксантофиллами и каротином. В зеленых растениях наиболее распространены следующие ксантофиллы:
Хлорофилла в среднем содержится от 0,6 до 1,2% сухого вещества растения; количество же каротиноидов во взрослых и старых листьях многих растений составляет ⅙ — ⅐ содержания хлорофилла. Количество каротиноидов в растении составляет до 20 мг% на сухое вещество. Содержание каротина в растении редко превышает 200-300 мг на 1 кг сырого вещества. В онтогенезе оно изменяется: обычно в листьях и других органах количество желтых пигментов до периода бутонизации — цветения увеличивается, а в конце вегетационного периода уменьшается.
Плоды отдельных растений содержат значительное количество каротиноидов. Так, в зеленых плодах абрикоса содержание каротина составляет 7 мг%, а в зрелых — до 35 мг%. В период полного созревания плодов обнаруживается больше каротина и меньше окисленных форм. Очень много каротина в плодах облепихи, рябины и других растений. Больше всего его содержится в подземных органах моркови и батата; в картофеле, сахарной свекле обнаружены лишь следы каротиноидов.
Каротиноиды участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Так, кроцин, который хорошо растворяется в воде, является глюкозидом дисахарида гентиобиозы и каротиноида кроцетина, легко может мигрировать в растении. Кроме того, наблюдениями подтверждается участие каротиноидов в процессах фотосинтеза вместе с зелеными пигментами; установлено, что в красной части спектра почти вся лучистая энергия поглощается хлорофиллом, а в синей — каротиноидами (20-30%). Одна из функций каротиноидов — защита хлорофилла от фотосенсибилизированного окисления.
Каротин обладает способностью энергично присоединять кислород и передавать его на другие биохимические реакции. Обнаружена аэробная чувствительность хлорофилла проростков мутанта кукурузы, у которого вместо каротиноидов содержались бесцветные полиены и фитоены, к действию света (по Н. Кринскому). В других работах выявлено, что при добавлении к ацетоновому раствору хлорофилла (β-каротина тормозится фотоокисление хлорофилла в аэробных условиях.
Каротиноиды могут полностью затормозить реакцию фото-восстановления хлорофилла в анаэробных условиях в присутствии аскорбиновой кислоты в растворе, причем эффект торможения зависит от содержания кислорода в молекуле каротиноида. Установлен также триплет-триплетный перенос энергии от хлорофилла к β-каротину. Каротиноиды, по-видимому, являются химическим буфером, образуя на свету в присутствии кислорода эпоксикаротиноиды (например, зеаксантин → антераксантин), и защищают хлорофилл от фотоокисления.
Светоиндуцированные взаимопревращения ксантофиллов получили название «виолаксантиновый цикл». Широко распространены в растениях реакции образования кислородных производных каротиноидов — эпоксиформ, играющих существенную роль в обмене веществ. Д. И. Сапожников установил, что при затенении листьев образуются более окисленные формы каротиноидов — эпоксикаротиноиды, которые при освещении восстанавливаются в дигидроксикаротиноиды. Он выдвинул гипотезу, согласно которой цикл виолаксантин — зеаксантин может осуществляться путем фотосинтетического выделения кислорода, и образование эпоксидных групп идет за счет кислорода воды. Специальными опытами автор показал, что пигмент виолаксантин служит переносчиком кислорода от воды к молекулярному кислороду. По его заключению, фотовосстановление эпоксидной группы приводит к образованию воды, а фотоокисление ее — к образованию молекулярного кислорода. Эти механизмы: транспортировки кислорода предохраняют фотосинтетический аппарат от образования в нем перекисей.
Рис. 27. Трансмембранная модель ксантофиллового цикла
В — виолаксантин; 3 — зеаксантин (интермедиатор антераксантин не показан).
Одновременно выявлен механизм фотофосфорилирования с участием эпоксикаротиноидов, выполняющих роль акцепторов гидроксильных групп от ортофосфата. Механизм этот сопряжен с переносом протонов по пути транспортировки электронов в системе фотофосфорилирования (А. А. Ясников и др.).
Сиферман и Ямомото представляют ксантофилловый цикл в виде следующей схемы (рис. 27).
Диэпоксидация происходит в гнездах мембраны тилакоида, а эпоксидация — с участием стромы. Согласно схеме, оборот цикла требует миграции каротиноидов от одной стороны: мембраны тилакоида к другой по типу челнока внутри липофильной сердцевины мембраны. Один оборот цикла осуществляется в результате восстановления двух молекул кислорода с образованием воды, сопровождающегося окислением НАДФ и аскорбата. Оборот цикла зависит от pH, создающей протонный насос, и уровней НАДФ, кислорода и аскорбата, продуктов, процесса фотосинтеза.
По заключению Сифермана и Ямомото, ксантофилловый цикл является регуляционной фотосинтетической системой, функционирование которой влияет на свойства мембран хлоропластов.
Каротиноиды играют важную роль в генеративных процессах в растениях. Пыльца, рыльце, пестик и цветоложе некоторых растений содержат относительно большое количество их. Пыльца многих растений имеет желтую окраску, что обусловлено присутствием в ее поверхностном слое (в экзине) каротиноидов (рис. 28). В пыльце каротин обычно связан с липидами, которые предохраняют его от окисления кислородом воздуха и распада, а каротин, в свою очередь, инактивирует липазу и протеиназу, препятствуя распаду жиров и белков. В пыльце многих растений содержится витамин Е, который также препятствует окислению каротина и витамина А кислородом воздуха. Таким образом, в пыльце процессы интенсивного обмена веществ подавлены.
У подсолнечника или тыквы каротиноиды, содержащиеся в экзине, попадая с пыльцевыми зернами на рыльце, проникают в ткани рыльца и пестика, где способствуют лучшему прорастанию пыльцы. Опыты с проращиванием пыльцы, обесцвеченной с помощью растворителей желтых пигментов (масел), показали, что такая пыльца прорастает хуже. Все это свидетельствует о важной роли желтых пигментов каротиноидов в процессе оплодотворения (С. И. Лебедев).
Рис. 28. Сползание пигментов с пыльцевых зерен (по С. И. Лебедеву):
1 — тыква; 2 — подсолнечник; 3 — желтая акация; 4 — бузина.
Экспериментально доказано положительное влияние каротиноидов на рост корней.
Следовательно, каротиноиды как спутники хлорофилла участвуют в поглощении и превращении квантов света в химическую энергию, а также являются компонентами биосинтеза молекулы хлорофилла, в частности ее гидрофобной части — фитола. Как соединения типа оксидаз каротиноиды принимают участие в окислительно-восстановительных реакциях клеток.
Таким образом, можно заключить, что в зеленых растениях каротиноиды выполняют две основные функции: 1) поглощают свет в желто-зеленой части спектра, где хлорофилл неэффективен, и передают энергию на хлорофиллы; 2) выполняют функцию фотопротекторов, защищая клетки и ткани от вредного действия видимой радиации и кислорода.
В ранний период истории Земли в восстановленной атмосфере каротиноиды служили в качестве светособирающих пигментов, ио постепенно эта функция теряла значение, и по мере изменения свойств атмосферы и эволюции фотосинтезирующих растений фотопротекторная функция каротиноидов стала более значимой.
В настоящее время обе эти функции контролируют поток энергии от хлорофиллов или к хлорофиллам соответственно при высокой или низкой интенсивности света.