в чем содержатся фотосинтетические пигменты

1. Фотосинтез является процессом пластического или энергетического обмена? Почему?

2. В каких органоидах растительной клетки происходит фотосинтез? Что представляет собой фотосистема? Какую функцию выполняют фотосистемы? В чем заключаются различия между фотосистемами I и II?

3. Охарактеризуйте световую фазу фотосинтеза по плану: 1) место протекания; 2) исходные вещества; 3) происходящие процессы; 4) конечные продукты. Какие продукты световой фазы фотосинтеза используются в темновой фазе?

4*. Сравните основные группы фотосинтетических пигментов по различным признакам. Укажите черты сходства и различия.

5*. Зеленые водоросли обитают преимущественно на морском мелководье и в неглубоких пресных водоемах. Бурые водоросли заселяют глубины до 40—100 м, а красные могут существовать и на большей глубине — до 200 м. С чем это связано?

6*. Исследователи разделили растения пшеницы на две группы и выращивали их в лаборатории в одинаковых условиях, за исключением того, что растения первой группы освещали красным светом, а растения второй группы — зеленым. У растений какой группы фотосинтез протекал более интенсивно? Почему?

Выделение из листьев фотосинтетических пигментов и изучение их свойств

Задание рекомендуется выполнять в школе. Будьте осторожны при работе с реактивами и нагревательными приборами, соблюдайте правила техники безопасности!

I. Выделение фотосинтетических пигментов

Полученный раствор представляет собой спиртовую вытяжку фотосинтетических пигментов — хлорофиллов и каротиноидов. Зеленый цвет раствора обусловлен тем, что хлорофиллы, содержащиеся в листьях в большом количестве, «маскируют» каротиноиды, имеющие желтую и оранжевую (реже красную или другую) окраску.
Различают два типа каротиноидов — каротины и ксантофиллы. Каротины — неполярные соединения. В состав молекул ксантофиллов входят полярные группы.

● Как вы думаете, для чего при выделении пигментов в ступку с измельченными листьями добавляется песок?

● Зачем добавляется мел?

II. Разделение пигментов по методу Крауса

Происходит разделение смеси на 2 слоя: верхний (более легкий) — бензиновый и нижний — спиртовой (рис. 22.5). Бензиновый слой окрашен в зеленый цвет, он содержит хлорофиллы и каротины. Спиртовой слой имеет желтую (или желто-оранжевую) окраску, здесь содержатся ксантофиллы. Если разделение будет недостаточно четким, добавьте 1—2 капли воды, взболтайте и повторите отстаивание.

● Известно, что хлорофиллы представляют собой сложные эфиры гидрофильной хлорофиллиновой кислоты и двух спиртов — метанола (СН₃ОН) и фитола (С₂₀Н₃₉ОН). Как вы думаете, какой из этих структурных компонентов (и почему именно он) обусловливает растворение хлорофиллов в бензине?

● Из-за чего произошло разделение каротиноидов?

● Почему ксантофиллы оказались в спиртовом слое, а каротины — в бензиновом?

III. Действие щелочи на хлорофилл

Если гранулированной щелочи нет, опыт можно провести следующим образом.

● Какую окраску имеет бензиновый слой? Какие пигменты он содержит?

● Какой цвет приобрел спиртовой слой? Почему? Что в нем содержится?

IV. Действие кислоты на хлорофилл и восстановление его окраски

● Ярко-зеленые овощи считаются более привлекательными, чем бурые. Однако в процессе приготовления они нередко меняют исходную зеленую окраску на менее аппетитную. Вспомните, например, какой цвет имеет отваренный щавель или термически обработанный зеленый лук. С чем связано изменение зеленой окраски овощей на бурую?

● Как вы думаете, что можно предпринять для сохранения ярко-зеленого цвета овощей? Учтите, что добавлять в пищу соли меди, цинка или других тяжелых металлов недопустимо — они токсичны для организма!

Источник

Каротиноиды поглощают свет

Фотосинтетические пигменты

Фотосинтетические пигменты высших растений делятся на две группы — хлорофиллы и каротиноиды. Роль этих пигментов состоит в том, чтобы поглощать свет и превращать его энергию в химическую энергию.

Пигменты локализованы в мембранах хлоропластов, и хлоропласты обычно располагаются в клетке так, чтобы их мембраны находились под прямым углом к источнику света, что гарантирует максимальное поглощение света.

В табл. 9.4 перечислены пигменты, характерные для различных групп растений.

Таблица 9.4. Главные фотосинтетические пигменты, их цвет и распространение

Хлорофиллы

Хлорофиллы поглощают главным образом красный и сине-фиолетовый свет. Зеленый свет они отражают и потому придают растениям характерную зеленую окраску, если только ее не маскируют другие пигменты. На рис. 9.9 показаны спектры поглощения хлорофиллов a и b — для сравнения — спектр каротиноидов.

Рис. 9.9. Спектры поглощения хлорофиллов a и b и каротиноидов

Для хлорофиллов характерно наличие порфиринового кольца (рис. 9.10). Такая же структура имеется и в других важных биологических соединениях — в геме гемоглобина, миоглобина и цитохромов. Порфириновое кольцо — это плоская квадратная структура, состоящая из четырех меньших колец (I-IV), каждое из которых содержит по одному атому азота, способному взаимодействовать с атомами металлов; в хлорофиллах это магний, в геме-железо.

К такой «голове» присоединен длинный углеводородный «хвост» — сложноэфирная связь образуется между спиртовой группой (-ОН) на конце фитола и карбоксильной группой (-СООН) на самой голове. У разных хлорофиллов разные боковые цепи, и это несколько изменяет их спектры поглощения.

Связь такой структуры с функцией можно описать следующим образом:

а) длинный хвост растворим в липидах (т. е. он гидрофобный) и таким образом удерживает молекулу в мембране тилакоида;

б) голова гидрофильная (т. е. обладает сродством к воде), и поэтому она обычно лежит на той поверхности мембраны, которая обращена к водной среде стромы;

в) для лучшего поглощения света плоскость головы расположена параллельно плоскости мембраны;

г) модификация боковых групп на голове приводит к изменениям в спектре поглощения, в результате чего меняется и количество поглощаемой энергии света;

д) поглощение световой энергии головой приводит к эмиссии электронов.

Хлорофилл а — фотосинтетический пигмент, представленный в наибольшем количестве; это единственный пигмент, который имеется у всех фотосинтезирующих растений и играет у них центральную роль в фотосинтезе. Существует несколько форм этого пигмента, которые различаются своим расположением в мембране. Каждая форма слегка отличается от других и по положению максимума поглощения в красной области; например, этот максимум может быть при 670, 680, 690 или 700 нм.

9.6. Чем отличается спектр поглощения хлорофилла а от спектра поглощения хлорофилла b?

Каротиноиды

Каротиноиды — это желтые, оранжевые, красные или коричневые пигменты, которые сильно поглощают в сине-фиолетовой области. Обычно они замаскированы зелеными хлорофиллами, но хорошо выявляются перед листопадом, так как хлорофиллы в листьях распадаются первыми. Каротиноиды содержатся также в хромопластах некоторых цветков и плодов, яркая окраска которых служит для привлечения насекомых, птиц и других животных, участвующих в опылении цветков или распространении семян; например, красный цвет кожицы помидоров обусловлен присутствием одного из каротинов — ликопина.

Каротиноиды имеют три максимума поглощения в сине-фиолетовой области спектра (рис. 9.9); они не только функционируют как дополнительные пигменты, но и защищают хлорофилл от избытка света и от окисления кислородом, выделяющимся при фотосинтезе.

Каротиноиды бывают двух типов — каротины и ксантофиллы. Каротины — это углеводороды, большую часть которых составляют тетратерпены (С40-соединения). Самым распространенным и самым важным из них является β-каротин (рис. 9.11), который знаком всем как оранжевый пигмент моркови. Позвоночные животные способны в процессе пищеварения расщеплять молекулу каротина надвое с образованием двух молекул витамина А. Ксантофиллы по химическому строению очень сходны с каротинами и отличаются от них только тем, что содержат кислород.

Рис. 9.11. Строение β-каротина

Спектры поглощения и спектры действия

При изучении какого-либо процесса, активируемого светом, в частности фотосинтеза, очень важно знать спектр действия для данного процесса — тогда можно попытаться идентифицировать пигменты, которые в нем участвуют.

Обратите внимание на большое сходство этих двух графиков: оно свидетельствует о том, что именно пигменты, и в частности хлорофилл, ответственны за поглощение света при фотосинтезе.

Рис. 9.12. Сравнение спектра действия фотосинтеза со спектром поглощения фотосинтетических пигментов

Возбуждение пигментов светом

Пигменты — это химические соединения, которые поглощают видимый свет, что приводит к переходу некоторых электронов в возбужденное состояние, т. е. эти электроны поглощают энергию. Чем меньше длина волны, тем выше энергия света и тем больше его способность переводить электроны в возбужденное состояние.

Такое состояние обычно неустойчиво, и вскоре молекула возвращается в свое основное состояние (т. е. исходное низкоэнергетическое состояние), теряя при этом энергию возбуждения. Эта энергия может использоваться разными способами, в том числе на процесс, обратный поглощению света и называемый флуоресценцией.

При этом часть энергии теряется в виде тепла, поэтому излучаемый свет имеет несколько большую длину волны (и меньшую энергию), чем поглощенный. Это можно увидеть, если сначала осветить раствор хлорофилла, а затем посмотреть на него в темноте.

Во время световых реакций фотосинтеза возбужденные пигменты теряют электроны, и на их месте в молекулах остаются положительные «дырки», например:

Всякий потерянный электрон будет принят другой молекулой — так называемым акцептором электрона, так что в целом это окислительно-восстановительный процесс (см. Приложение 1.2). Хлорофилл окисляется, а акцептор электрона восстанавливается. Хлорофилл служит здесь донором электрона.

Главные и вспомогательные пигменты

Фотосинтетические пигменты бывают двух типов — главные и вспомогательные. Пигменты второго типа передают испускаемые ими электроны главному пигменту. Электроны, испускаемые главными пигментами, непосредственно доставляют энергию для реакций фотосинтеза.

Существует два главных пигмента, это две формы хлорофилла а; их обозначают Р690 и Р700 (см. ниже). Сокращение Р означает «пигмент» (pigment). К вспомогательным пигментам относятся другие формы хлорофилла (в том числе все остальные формы хлорофилла а) и каротиноиды.

9.7. Поскольку энергию нельзя передавать со 100%-ной эффективностью, переход электрона от одной молекулы пигмента к другой должен сопровождаться некоторой потерей энергии в виде тепла. Хлорофилл b передает электроны на хлорофилл а. Можете ли вы сказать заранее, какой из этих хлорофиллов — а или b — обладает меньшей энергией возбуждения (т. е. энергией, необходимой для того, чтобы пигмент испустил электрон)?

Фотосинтетические единицы и реакционные центры

За последние двадцать лет мы многое узнали о расположении пигментов и связанных с ними молекул в мембранах тилакоидов. В настоящее время принято считать, что существует два типа фотосинтетических единиц, которые называют фотосистемами I и II (ФСI и ФСII).

Каждая из этих единиц состоит из набора молекул вспомогательных пигментов, передающих энергию на одну молекулу главного пигмента. Последняя называется реакционным центром; в нем энергия света используется для осуществления химической реакции. Именно здесь происходит преобразование световой энергии в химическую, и именно оно является центральным событием фотосинтеза.

Судя по результатам биохимических и электронно-микроскопических исследований, каждая фотосистема содержит около 300 молекул хлорофилла. Препараты для электронной микроскопии приготовлялись методом замораживания-скалывания, который описан в Приложении 2.5; это один из хороших примеров успешного применения такого метода.

Как видно на рис. 9.13, в мембранах тилакоидов имеются частицы двух типов, расположенные в определенном порядке; такие частицы называются квантосомами. Как полагают, более мелкие частицы составляют фотосистему I, а более крупные — фотосистему ΙΙ. Для каждого типа частиц характерен свой специфический набор молекул хлорофилла (рис. 9.14).

Частицы фотосистемы II, по-видимому, в основном связаны с гранами. На рис. 9.14 схематически показано, как энергия (в виде возбужденных электронов) «переливается» со вспомогательных светособирающих пигментов на главный пигмент, который представлен особой формой хлорофилла а — пигментом Р690 или Р700 (в соответствии с максимумом поглощения в нанометрах). Р690 и Р700 — это энергетические ловушки.

Другие специфические формы хлорофилла а, например a670 или a680, можно считать такими же вспомогательными пигментами, как и хлорофилл b. На рис. 9.14 не показаны каротиноиды, но они, по-видимому, тоже играют роль вспомогательных пигментов. Электроны, попавшие в энергетическую ловушку, используются для запуска световых реакций.

Рис. 9.13. Тилакоиды хлоропласта, выявленные методом замораживания-скалывания. Видна поверхность скола мембран самих гран и между ними. Обратите внимание на агрегаты частиц на этих мембранах

Рис. 9.14. Схематическое представление об энергетических ловушках в фотосистемах I и II. Р — пигмент, те молекула первичного пигмента хлорофилла а

КАРОТИНОИДЫ, природные органические пигменты от жёлтого до красно-фиолетового цвета, продуцируемые бактериями, грибами, растениями. Широко распространены в природе: около 600 различных каротиноидов обнаружены в клетках и тканях всех представителей живой природы в свободном состоянии или в виде гликозидов, эфиров жирных кислот, каротин-протеиновых комплексов.

Каротиноиды обусловливают окраску некоторых цветков, плодов, корней, а также осенней листвы растений; каротиноиды, получаемые животными с пищей, окрашивают покровы многих видов рыб, птиц, насекомых, ракообразных.

Каротиноиды в наибольшем количестве содержатся в корнеплодах моркови, листьях петрушки, лука, шпината, плодах абрикосов, томатов, тыквы, облепихи.

Каротиноиды имеют структуру изопреноидов; в молекулах каротиноидов четыре изопреновых фрагмента связаны в полиеновую цепь — формула I (R и R’ — главным образом циклогексеновые или алифатические изопреновые фрагменты либо кислородсодержащие производные циклогексена).

Каротиноиды подразделяют на тетратерпеновые углеводороды (каротины) общей формулы С40Н56, кислородсодержащие производные тетратерпеновых углеводородов (ксантофиллы) и каротиноиды, содержащие в молекулах больше или меньше 40 атомов углерода.

В высших растениях наиболее широко представлены каротиноидные углеводороды, главным образом β-каротин (R = R’ = II; составляет 20-30% природных каротиноидов), ликопин (R = R’ = III), γ-каротин (R = II, R’ = III). Каротиноидные углеводороды растворимы в эфирах, хлороформе, бензоле, жирах и маслах, нерастворимы в воде.

Легко окисляются О2 воздуха, неустойчивы на свету и при нагревании в присутствии кислот и щелочей. β-Каротин выделяют экстракцией из моркови, люцерны, гречихи, пальмового масла и другого растительного сырья; в промышленности получают путём микробиологического или химического синтеза (тёмно-рубиновые кристаллы, tпл 182-184°С). Ликопин выделяют из томатов или синтезируют (красно-фиолетовые кристаллы, tпл 174°С).

Среди кислородсодержащих каротиноидов наиболее распространены каротиноиды, в молекулах которых есть гидроксильные группы, например, лютеин (R = IV, R’ = V; жёлтые кристаллы, tпл 193°С), криптоксантин (R = IV, R’ = I; жёлтые кристаллы, tпл 174°С.

Встречаются каротиноиды, содержащие карбонильные группы, например, кантаксантин (R = R’ = VI), эпоксидные группы, например, виолаксантин (R = R’ = VII), карбоксильные группы, например, биксин (R = СООН, R’ = СООСН3), и др.

Каротиноиды участвуют в фотосинтезе (как вспомогательные светопоглощающие пигменты), транспорте кислорода через клеточные мембраны, защите хлорофилла от фотоокисления.

Каротиноиды, содержащие в молекуле фрагмент R = II, являются предшественниками витамина А (в организме животных в результате ферментативного расщепления превращаются в витамин А). У животных каротиноиды стимулируют деятельность половых желёз, у человека повышают иммунный статус, предохраняют от фотодерматозов, играют важную роль в процессах восприятия света сетчаткой глаза; являются природными антиоксидантами.

Каротиноиды используют в качестве пищевых красителей, компонентов корма для животных, в медицинской практике — для лечения кожных покровов.

За исследования каротиноидов присуждены две Нобелевские премии: П. Карреру в 1937 и Р. Куну в 1938 годах.

Лит.: Бриттон Г. Биохимия природных пигментов. М., 1986; Карнаухов В. Н. Биологические функции каротиноидов.

Пигменты фотосинтеза. Каротиноиды. Фикобилины.

Витамин А — ретинол. Жирорастворимый. Суточная потребность около 1 мг. Участвует в процессах цветовосприятия, входит в состав зрительного пигмента родопсина.

Влияет на мембраны клеток и состояние слизистых оболочек органов. Недостаток вызывает ухудшение сумеречного зрения («куриную слепоту»), сухость роговицы, поражение слизистых. Накапливается в печени морских рыб, а в виде провитаминов А — каротиноидов — в плодах облепихи, рябины, шиповника, красного перца и ряде трав — зверобое и др.

Каротиноиды относятся к классу тетратерпеноидов (С5Н8)8 и представлены примерно 70 соединениями. Провитамином А является 9 веществ, имеющих в своей структуре b-иононовое кольцо.

Наиболее активным является b-каротин, имеющий два b-иононовых кольца.

Из молекулы b-каротина получают 2 молекулы витамина А.

Каротиноиды широко распространены в растительном мире.

Локализуются в хлоропластах и хромопластах листьев, цветков, плодов, корнеплодах (морковь), придавая им оранжево-красную окраску.

Наиболее богаты каротиноидами растения сем. Asteraceae, Elaeagnaceae, Polygonaceae, Lamiaceae и др.

В растениях играют роль светофильтра, участвуют в процессе оплодотворения, переносе кислорода.

На образование каротиноидов положительно влияют свет, повышенные температуры.

Осадки, низкая температура влияют отрицательно.

Высокоплавкие желтые, оранжевые, красно-оранжевые вещества, легко растворимые в органических растворителях, жирах, не растворимые в воде. Растворы имеют окраску от желтой до оранжевой и оранжево-красной с желтовато-зеленой флуоресценцией.

Это свойство используется при количественном определении каротиноидов. Они легко окисляются кислородом воздуха, разрушаются на свету.

Кислая среда ускоряет окисление каротиноидов.

Заготовка

Сырье заготавливают в сроки, указанные в НД. Максимальное содержание каротиноидов в надземной части накапливается в фазу бутонизации-начала цветения, в плодах — зрелых.

Каротиноиды очень нестойкие вещества, поэтому сырье сушат быстро без доступа солнечных лучей при температуре +40-600.

Хранят в прохладном темном месте 1-2 года.

Применение

Применяют как ранозаживляющее, регенерирующее наружно и внутрь.

Источник

• ← улицы мурманска с номерами домов
• тарифы безлимитные на все номера →