CC BY
660
Людмила Кабашникова,
завлабораторией прикладной биофизики и биохимии Института биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, член-корреспондент
-зеленое вещество жизни
В 2017 г. исполнилось 200 лет со дня открытия Жозефом Каванту и Пьером Пеллетье хлорофилла, 50 лет - со дня установления его стереохимии Яном Флемингом и 100 лет - со дня рождения лауреата Нобелевской премии Роберта Вудворда (10.04.1917), получившего награду за осуществление синтеза этого зеленого пигмента. «Зерно хлорофилла - исходная точка всего того, что мы понимаем под словом «жизнь»,- написал в 1920 г. академик К.А. Тимирязев в книге «Солнце, жизнь и хлорофилл» (издана в 1923 г.).
Еще в 1771 г. английским естествоиспытателем Джозефом Пристли был открыт фотосинтез. Жизнь на Земле основана на фотосинтезе растений: используя энергию Солнца, они обеспечивают животных и человека пищей и кислородом. Молекула хлорофилла, поглотив квант света, запускает сложнейший механизм фотофизических, фото- и биохимических и иных процессов (рис. 1). Их расшифровкой ученые заняты почти 250 лет. По числу публикаций теме хлорофилла, давно привлекавшей внимание исследователей, принадлежит едва ли не первое место среди
./Я
| №1 (179) | Январь 2018 | НАУКА И ИННОВАЦИИ 65
ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ
всех трудов о химических соединениях, и этот список непрерывно пополняется.
Несколько лет французские химики Пьер Жозеф Пеллетье (1788— 1842) и Жозеф Бьенеме Каванту (1795-1877) работали вместе. Самую большую славу им принесло открытие хинина - верного средства против малярии. В 1817 г. ученые опубликовали «Заметку о зеленой материи листьев». Именно они обнаружили хлорофилл - вещество, окрашивающее растения в зеленый цвет. Правда, авторы не придали этому открытию слишком большого значения. Испытатели залили свежие листья спиртом - тот окрасился в зеленый цвет, а листья стали совершенно бесцветными. Затем экспериментаторы промыли полу ченную полужидкую зеленую массу водой, удалили водо растворимые примеси, просушили ее и получили зеленый порошок. Они назвали это вещество хлорофиллом (с греч. «сЫогоз» - зеленый и «рЬуПоп» - лист). Начало было положено.
Впервые выделить хло рофилл в чистом виде удалось на заре ХХ в. замечательному русскому ученому Михаилу Семеновичу Цвету (1872-1919) с помощью созданного им же адсорбционного метода хроматографического анализа. В 1898 г. М.С. Цвет опубликовал небольшую работу под заглавием «Гемоглобин и хлорофилл. В каком направлении желательно изучение последнего тела», а в 1901 г. обобщил результаты в магистерской диссертации «Физико-химическое строение хлорофилльного зерна. Экспериментальное и критическое исследование».
Большой вклад в изучение молекулы хлорофилла внес Рихард Мар-
66 НАУКА И ИННОВАЦИИ | №1 (179) | Январь 2018 |
тин Вильштеттер (1872-1942), немецкий биохимик, связавший свои научные интересы с растительными пигментами. В 1913 г. вместе с ближайшим учеником Артуром Штоллем он выпустил фундаментальный труд «Исследования хлорофилла». Результаты школы Р. Вильштеттера были значительны. Знаменитый русский естествоиспытатель К.А. Тимирязев писал, что работа этого выдающегося биохимика «останется надолго исходной точкой в дальнейшем изучении хлорофилла, и будущий историк отметит два периода в этом изучении - до Вильштеттера и после него». В 1915 г. за открытие формулы хлорофилла Р. Вильштет-теру была вручена Нобелевская премия по химии.
Важной заслугой немецкого исследователя является разделение зеленых пигментов на хлорофилл а и хлорофилл Ь и определение химического состава молекулы хлорофилла. Если присутствие углерода, водорода, азота и кислорода предполагалось, то наличие магния было совершенно неожиданным: хлорофилл оказался первым соединением в живой ткани, содержащим этот элемент. Кроме того, Р. Вильштеттер задался целью определить, у всех ли растений зеленый пигмент одинаков. Гигантский труд длился целых два года. В Цюрих, где в то время работал ученый, многочисленные помощники доставляли множество растений из самых разных мест: наземные и водные, из долин и со склонов гор, с севера и юга, из рек, озер и морей. Из каждого полученного экземпляра извлекали хлорофилл и тщательно анализировали его химический состав. В итоге убедились, что он везде одинаков!
http://innosfera.by
Гении органической химии
Приоритет открытия химической структуры хлорофилла принадлежит немецкому химику-органику, доктору медицины Хансу Фишеру (18811945). В 1930 г. он получил Нобелевскую премию по химии «за исследования по конструированию гемина и хлорофилла, особенно за синтез гемина (пигмента крови)». Ученый установил химическую структуру гемоглобина - основного дыхательного пигмента крови человека, и обнаружил, что она практически идентична хлорофиллу (рис. 2). Функциональные свойства последнего очень сходны с функцией гемоглобина крови в организме человека. Поэтому хлорофилл называют кровью растений. В 1927 г. Х. Фишер осуществил синтез порфирина, а затем синтезировал красящие вещества крови (ге-мин; 1929) и желчи (билирубин; 1931). В 1940 г. он установил строение хло-рофиллов а и Ь, затратив на исследования 10 лет (с 1930 г.).
После этого синтез хлорофилла стал теоретически возможен. Однако реальное решение такой задачи оказалось под силу только химику высокого класса - Роберту Бернсу Ву-дворду (1917-1979), обладателю Нобелевской премии по химии 1965 г. Уроженец Бостона (штат Массачусетс, США), Вудворд заинтересовался химией очень рано: уже с 12 лет зачитывался химической литературой, особенно о реакциях синтеза, многие из которых в последующем он проводил в домашней лаборатории. В 1933 г. поступил в Массачу-сетский технологический институт Иллинойского университета, но поскольку его увлекала только химия, был отчислен после третьего семестра «за невнимательность к правилам обучения». Однако осенью 1935 г. ему позволили переэкзаме-
новку, и через год одаренный химик стал бакалавром, а в 1937 г. - доктором философии. С этого времени научная и педагогическая деятельность Вудворда связана с Гарвардским университетом в Кембридже (штат Массачусетс), где в течение 13 лет он прошел путь от ассистента профессора до профессора химии (с 1950 г.). За 30 лет (1944-1974) ученый провел около 20 сложных направленных синтезов природных продуктов, которые до него представлялись неосуществимыми. В 1960 г. искусство химика-синтетика достигло апогея: он завершил начатый в 1956 г. полный синтез хлоро-филлов а и b - (C 55H72O5N 4Mg и C 55H7006N 4Mg)-пигментов фо-тосинтезирующих растений. Р. Ву-дворду и его 17 сотрудникам понадобилось более 20 этапов для восстановления сложнейшей структуры зеленого вещества листьев.
Окончательную стереохимиче-скую структуру хлорофилла определил известный английский химик-органик Ян Флеминг, статья об этом была опубликована в журнале «Nature» в 1967 г. Сейчас в любом учебнике по физиологии растений можно найти «портрет» этой знаменитой молекулы. Хотя истинные ее размеры предельно скромны, структурная формула хлорофилла занимает целую страницу. Маг-ний-порфириновое кольцо представляет собой почти плоскую пластинку толщиной 0,42 нм и площадью 1 нм2 - это гидрофильная часть молекулы. Длинный алифатический остаток фитола (2 нм), образующий угол с порфириновым кольцом, - ее гидрофобный полюс, необходимый для взаимодействия с участками мембранных белков и липидов.
Здесь следует отметить, что фотосинтез - уникальный и пока недоступный для воспроизведения человеком процесс утилизации солнечной энергии - оказывается возможным благодаря существованию сложных внутриклеточных структур фотосинтетического аппарата, для построения которого потребовались миллиарды лет эволюции (рис. 3).
Еще одна Нобелевская премия по химии была присуждена в 1988 г. «за установление трехмерной структуры фотосинтетического реакционного центра хлорофилла» трем немецким ученым - Хартмуту Михелю, Роберту Хуберу и Иоганну Дайзенхо-феру. Уже будучи постдоком в лаборатории Д. Остерхельта, Х. Михель занимался неразрешимой в то время проблемой кристаллизации мембранного белка. В 1970 г. Д. Остер-хельт открыл бактериородопсин (мембранный светочувствительный белок галобактерий, по строению сходен с родопсином млекопитающих) и механизм его работы. В 1978 г. Х. Михель случайно заметил, что помещенный в морозилку бактериоро-допсин образует маленькие стеклянистые тельца. Используя это наблюдение, он целый год пытался получить его кристаллы, хотя в то время кристаллизовать мембранный белок официально считалось невозможным. Когда Х. Михелю в конце концов удалось получить кристаллы бактериородопсина, выяснилось, что они нерегулярны и непригодны
^^ ^^ Жизнь на Земле основана ^^ ^^ на фотосинтезе растений: используя энергию Солнца, они обеспечивают животных и человека пищей и кислородом
http://innosfera.by
| №1 (179) | Январь 2018 | НАУКА И ИННОВАЦИИ 67
ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ
для рентгеноструктурных исследований. Устав от этой работы, ученый решил применить свои методики для выделения других мембранных белков. В 1971 г. ему удалось получить хороший кристалл фотосинтетического реакционного центра из пурпурной бактерии Rhodopseudomonas viridis. В 1972-1985 гг. Х. Михель вместе с Р. Хубером и И. Дайзенхофером смогли получить точную структуру бактериального реакционного фотосинтетического центра.
Отечественные достижения
Большой вклад в развитие представлений о хлорофилле и фотосинтезе внесли белорусские ученые. В республике сложилась и успешно развивается признанная во всем мире научная школа по исследованию процессов пигментообразова-ния и организации аппарата фотосинтеза, основанная
академиком Т.Н. Годневым. Возглавляя кафедру в Белгосуниверситете (1927-1935), лабораторию хлорофилла в Институте биологии Академии наук БССР (1945-1966) (с 1963 г.- Институт экспериментальной ботаники АН БССР), а затем Отдел хлорофилла в Лаборатории биофизики и изотопов АН БССР (1967-1969) (с 1973 г.-Институт фотобиологии АН БССР, с 2004 г. - Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси), Тихон Николаевич подготовил много специалистов высокой квалификации, связавших свою дальнейшую научную жизнь с изучением фотосинтеза и хлорофилла. Основные результаты исследований были обобщены в монографии Т. Н. Годнева «Хлорофилл. Его строение и образование в растении» (1963), за которую в 1967 г. ученому была присуждена премия имени К.А. Тимирязева Академии наук СССР. Эти работы также нашли свое отражение в докладах на многочисленных международных конференци-
ях и симпозиумах и получили мировое признание.
Под руководством талантливого ученика академика Т.Н. Годнева -члена-корреспондента АН СССР А.А. Шлыка впервые в Беларуси уже в 1951 г. для изучения биосинтеза хлорофилла был использован метод меченых атомов. В 1957 г. Александр Аркадьевич возглавил Лабораторию биофизики и изотопов АН БССР, а в 1973 г. - созданный на ее базе Институт фотобиологии (19721984), ставший основным центром фотосинтетических и фотобиологических исследований в республике. Учеными института впервые был открыт процесс обновления молекул хлорофилла в течение всей жизни зеленого листа, обнаружена физико-химическая гетерогенность пигмента и сформулирована концепция об организации процесса биосинтеза хлорофилла в системе особых участков пластидных мембран (1956, 1965). В 1981 г. в Институте фотобиологии АН БССР по инициативе А.А. Шлыка была создана лаборатория физиологии фотосинтетического аппарата, которую возглавила член-корреспондент HAH Беларуси, доктор биологических наук, профессор М.Т. Чайка (1929-1997). Многолетние комплексные исследования здесь позволили установить особенности формирования фотосинтетического аппарата, обеспечивающие высокую продуктивность и устойчивость сельскохозяйственных растений. В конце XX в. в Институте фотобиологии HAH Беларуси получили развитие новые научные направления, связанные с выяснением молекулярной организации пигмент-белковых ансамблей, регуляторных аспектов биосинтеза хлорофилла, формирования аппарата фотосинтеза и его функциональной активности
68 НАУКА И ИННОВАЦИИ | №1 (179) | Январь 2018 |
http://innosfera.by
(Аверина Н.Г. и др., 1988; Чайка М.Т., Савченко Г.Е., 1981; Чайка М.Т., 1996; Аверина Н.Г., 1997). Под руководством академика И.Д. Волотовско-го, возглавлявшего институт с 1984 по 2010 г., исследования фотобиологических процессов в растениях значительно расширились. Получило развитие новое направление, связанное с раскрытием механизмов трансдукции фитохромного сигнала и использованием методов генной инженерии. Основные достижения белорусских фотобиологов и биофизиков в области фотосинтеза обобщены в коллективной монографии «Фотобиология и мембранная биофизика», подготовленной в связи с 25-летием Института фотобиологии НАН Беларуси и 70-летием его первого директора - члена-корреспондента АН СССР А. А. Шлыка и изданной в 1999 г. под редакцией академика И.Д. Волотовского.
В лаборатории биофизики и биохимии растительной клетки Института биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси - правопреемницы лаборатории биофизики и биохимии фотосинтетического аппарата, которую до 1985 г. возглавлял член-корреспондент АН СССР А.А. Шлык, затем до 2001 г.- профессор Н.Г. Аверина, а с 2001 г.- член-корреспондент НАН Беларуси Н.В. Шалыго, были установлены механизмы модификации биосинтеза хлорофилла, ведущие к порфириногенезу - накоплению избыточного количества пор-фиринов в растительных клетках, что в определенных условиях может вызвать повреждение фотосинтетических мембран. Экспериментально обоснована возможность повышения устойчивости растений к фотодинамическим процессам и их регуляции [1]. Профессором Н.Г. Авериной совместно с доктором биологических наук Е.Б. Яронской детально
изучено функционирование в растительной клетке систем биосинтеза хлорофилла и гема. Выявлены механизмы взаимодействия светового, цитокининового и пластидного сигналов в контроле реакций, а также роль первичного предшественника хлорофилла и гема - 5-аминолеву-линовой кислоты как фотодинамического гербицида, стимулятора роста растений и адаптогена. Полученные авторами результаты изложены в монографии [2].
Сегодня в лаборатории прикладной биофизики и биохимии Института биофизики клеточной инженерии НАН Беларуси активно развивается новое научное направление - стрессовая биофизика растений - с целью создания адаптивных и диагностических технологий для сельского хозяйства. Выполнен цикл работ по изучению механизмов адаптации аппарата фотосинтеза на разных уровнях системной организации (мембранном, клеточном и тканевом) к действию экстремальных факторов внешней среды, включая изменение параметров структуры и функциональной активности. Выявлены особенности стрессовой реакции аппарата фотосинтеза в процессах биогенеза пластид и онтогенетического развития растений. Установлены механизмы взаимодействия основных энергетических ор-ганелл растительной клетки - хло-ропластов и митохондрий - в условиях теплового и метаболического стресса, вызванного ингибиторами дыхания и фотосинтеза. В итоге научно обоснованы ключевые направления использования фотосинтетических показателей в селекции и при разработке адаптивных технологий возделывания хлебных злаков. Полученные результаты нашли отражение в двух монографиях [3, 4].
Достижения белорусской школы биофизиков-фотосинтетиков были высоко оценены научной общественностью. В 2013 г. за цикл работ «Система биосинтеза хлорофилла и фотосинтетический аппарат как факторы повышения устойчивости и продуктивности сельскохозяйственных культур» коллективу ученых в составе Н.Г. Авериной, Л.Ф. Кабашниковой,
сс
хлорофилл называют кровью растений
Н.В. Шалыго присуждена премия НАН Беларуси. Дальнейшее развитие исследований фотосинтеза непосредственно связано с решением актуальных проблем современного растениеводства и экологии. Хлорофилл, как и гемоглобин крови у человека и животных, является индикатором состояния растений. Развитие информационных и космических технологий позволяет использовать фотосинтетические показатели для оценки состояния агроэкосистем и природных растительных сообществ, прогнозировать урожай и контролировать эффективность агротехнических мероприятий. СП
http://innosfera.by/2018/01/Chlorophyll
ЛИТЕРАТУРА
1. Шалыго Н.В. Биосинтез хлорофилла и фотодинамические процессы в растениях.- Минск, 2004.
2. Аверина Н.Г. Биосинтез тетрапирролов в растениях / Н.Г. Аверина, Е.Б. Яронская.-Минск, 2012.
3. КабашниковаЛ.Ф. Фотосинтетический аппарат и потенциал продуктивности хлебных злаков.- Минск, 2011.
4. КабашниковаЛ.Ф. Фотосинтетический аппарата и стресс у растений.- Минск, 2014.
http://innosfera.by
| №1 (179) | Январь 2018 | НАУКА И ИННОВАЦИИ 69
