Какие пигменты есть у растений: Растительные пигменты | Образовательная социальная сеть

Растительные пигменты | Образовательная социальная сеть

Содержание.

Введение.

Неповторим и загадочен мир растений. Как часто он задаёт нам вопросы, на которые, казалось бы, невозможно найти ответ. Но стоит внимательнее присмотреться, задуматься, проявить любознательность и трудолюбие – и тайна зелёного друга перестанет быть тайной. Жизнь растения раскроется во всей сложности, гармонии, красоте.

        Кто не восхищался красками цветущего луга, лесной опушки, осенней листвы, даров сада и полей? Но далеко не всем известно, откуда у природы такая богатая палитра цветов. Всей этой красотой  обязаны мы специальным красящим веществам – пигментам, которых в растительном мире известно около 2 тысяч.

        Цвет вещества, в том числе и пигмента, определяется его способностью к поглощению света. Если свет, падающий на вещество или орган растения, равномерно отражается, они выглядят белыми. Если же все лучи поглощаются, объект воспринимается как чёрный.  Если вещество поглощает только отдельные участки видимой части солнечного спектра, оно приобретает определённую окраску.

     В растительных клетках чаще всего встречаются зелёные пигменты —  хлорофиллы, жёлто – оранжевые каротиноиды, красные и синие антоцианы, жёлтые флавоны и флавонолы.

Цель моей работы – познакомиться с многообразием  растительных пигментов, их значением в жизни растений и человека.

Задачи работы:

1. Изучить научную литературу по данной теме
2. Определить основные физические характеристики растительных пигментов (состав, структуру, свойства)
3. Изучить значение природных красителей для растений и человека.
4.  Сделать выводы

Методы исследования:

1. Изучение теоретического материала для дальнейшей разработки и изучения данной проблематики
2. Эксперимент
3. Наблюдения за ростом и развитием растений
4. Фотоотчёт
5. Обработка полученных результатов

Тип проекта: исследовательский, долгосрочный, межпредметный, индивидуальный.

Формы представления результатов проекта: доклад по теме исследования, компьютерная презентация.

I. Растительные пигменты.

Пигменты — красящие вещества, придающие цвет растениям. Растительные пигменты – это крупные органические молекулы, имеющие группировки, ответственные за поглощение света. Для этих группировок характерно наличие цепочки чередующихся простых и двойных связей (-С=С-С=С- ). Кроме того, поглощение света усиливается при наличии в молекуле кольцевых структур.

Пигменты находятся чаще в тех или иных структурных образованиях клетки, реже — в жидкостях организма в растворённом состоянии. Так, хлорофилл сосредоточен в хлоропластах, каротиноиды — в хромо — и хлоропластах, гемоглобин — в эритроцитах, флавоноиды — в клеточном соке растений. Пигменты, связанные с белками и липидами, входят в структуру биологических мембран. У многих видов животных и растений существуют специализированные пигментные клетки или хроматофоры.

Схема 1. Растительные пигменты.

1). Пластиды.

Пластиды^[1] характерны только для растений. Они не найдены у грибов и у большинства животных, исключая некоторых фотосинтезирующих простейших.

Предшественниками пластид являются пропластиды, мелкие обычно бесцветные образования, находящиеся в делящихся клетках корней и побегов. Если развитие пропластид в более дифференцированные структуры задерживается из-за отсутствия света, в них может появиться одно или несколько проламеллярных телец (скопления трубчатых мембран). Такие бесцветные пластиды называются этиопластами. Этиопласты превращаются в хлоропласты на свету, а из мембран проламеллярных телец формируются  тилакоиды. В зависимости от окраски, связанной с наличием или отсутствием тех или иных пигментов, различают три основных типа пластид: хлоропласты (зелёного цвета), хромопласты (жёлтого, оранжевого или красного цвета) и лейкопласты (бесцветные). Обычно в клетке встречаются пластиды только одного типа. Однако установлено, что одни типы пластид могут переходить в другие.

Пластиды – относительно крупные образования клетки. Самые большие из них – хлоропласты – достигают у высших растений 4-10 мкм длины и хорошо различимы в световой микроскоп. Форма окрашенных пластид чаще всего линзовидная или эллиптическая. В клетках встречаются, как правило, несколько десятков пластид, но у водорослей, где пластиды нередко крупны и разнообразны по форме, число их иногда невелико (1-5). Такие пластиды называются хроматофорами. Лейкопласты и хромопласты могут иметь различную форму.

а). Хлоропласты.

Хлоропласты встречаются во всех зелёных органах растений. Строение пластид может быть рассмотрено на примере хлоропластов (рис. 3). Они имеют оболочку, образованную двумя мембранами: наружной и внутренней. Внутренняя мембрана вдаётся в полость хлоропласта немногочисленными выростами. Мембранная оболочка отграничивает от гиалоплазмы клетки матрикс хлоропласта, так называемую строму. Как строма, так и выросты внутренней мембраны формируют в полости хлоропласта сложную систему мембранных поверхностей, ограничивающих особые плоские мешки, называемые тилакоидами или ламеллами. Группы дисковидных тилакоидов связаны друг с другом таким образом, что их полости оказываются непрерывными. Эти тилакоиды образуют стопки (наподобие стопки монет), или граны. В строме хлоропластов содержатся ферменты и рибосомы, отличающиеся от рибосом цитоплазмы меньшими размерами. Часто имеются один или несколько небольших зёрен первичного крахмала. Генетический аппарат хлоропластов автономен, они содержат собственную ДНК.

Основная функция хлоропластов – фотосинтез. Центральная роль в этом процессе принадлежит хлорофиллу, точнее – нескольким его модификациям. Световые реакции фотосинтеза осуществляются в гранах, темновые – в строме хлоропласта.

Хлоропласты способны синтезировать собственные белковые молекулы, так как обладают собственной ДНК.

 Рис.3  Схема строения хлоропласта в объёмном изображении (А) и на срезе (Б):

1 – наружная мембрана, 2 – внутренняя мембрана, 3 – строма,

4 – грана, 5 – тилакоид граны, 6 – тилакоид стромы, 7 – нить

пластидной ДНК, 8 – рибосомы хлоропласта (отличающиеся от

цитоплазматических рибосом), 9 – гранулы крахмала        

Помимо фотосинтеза, в хлоропластах осуществляется синтез АТФ и АДФ (фосфорилирование), синтез и гидролиз липидов, крахмала и  белков, откладывающихся в строме.

б). Хромопласты.

Хромопласты содержаться в клетках лепестков многих растений, зрелых окрашенных плодах (томаты, шиповник, рябина), иногда – в корнеплодах (морковь). Внутренняя структура хромопластов проще структуры хлоропластов. Граны в них отсутствуют. Красноватая или оранжевая окраска хромопластов связана с присутствием в них каротиноидов. Считается, что хромопласты – конечный этап в развитии пластид, т.е. это стареющие  хлоропласты и лейкопласты. Наличие хромопластов частично определяет яркую окраску многих цветков, плодов и осенних листьев.

в). Лейкопласты.

Внутренняя структура лейкопластов проще структуры хлоропластов, в них отсутствуют граны. В лейкопластах пигменты отсутствуют, но здесь может осуществляться синтез и накопление запасных питательных веществ, в первую очередь крахмала, иногда белков и жиров. Очень часто в лейкопластах формируются зёрна вторичного запасного крахмала.

2). Пигменты пластид.

Пигменты, локализующиеся в пластидах и участвующие в процессах фотосинтеза, принадлежат к трём классам. Это хлорофиллы, каротиноиды и фикобилинпротеи. Все они входят в состав пигментных систем в виде хромопротеидов, т.е. пигмент – белковых комплексов. Основное назначение пигментов – поглощать световую энергию (рис. 5), превращая её затем в химическую энергию. Пигменты располагаются на мембранах хлоропластов (тилакоидах), а хлоропласты в клетке обычно ориентируются таким образом, чтобы мембраны находились под прямым углом к источнику света (для максимального поглощения света).

а). Хлорофиллы.

Хлорофиллы поглощают в основном красный и сине-фиолетовый свет, зелёный свет ими отражается, что и придаёт растениям специфическую зелёную окраску, если она не маскируется другими пигментами. В основе строения хлорофиллов лежит Mg – порфириновый скелет.

В состав молекулы хлорофилла (рис. 8) входит плоская голова, поглощающая свет, в центре которой расположен атом магния. Этим можно объяснить, почему дефицит магния приводит к уменьшению образования хлорофилла и пожелтению листьев растения. Молекула хлорофилла включает в себя ещё и длинный гидрофобный (отталкивающий воду) углеводородный хвост. Внутренние мембраны также гидрофобны, поэтому хвосты «забрасываются» внутрь тилакоидных мембран и служат своеобразным якорем. Гидрофильные головы располагаются в плоскости мембранных поверхностей подобно солнечным батареям. У различных хлорофиллов к головам прикреплены различные боковые цепи, что приводит к изменению их спектров поглощения, увеличивая диапазон длин волн поглощаемого света.

  Кроме того, имеются различные заместители, например дитерпеновый спирт фитол, придающие молекуле хлорофилла способность встраиваться в липидный слой биологических мембран.

б). Каротиноиды.

Каротиноиды^[2] – жёлтые, оранжевые, красные или коричневые пигменты, синтезируемые растениями (а также бактериями и грибами), не растворимы в воде, сильно поглощающие в сине-фиолетовой области. Каротиноиды отчасти выполняют роль дополнительных фотосинтезирующих пигментов, но при этом могут осуществлять  и другие функции, с фотосинтезом не связанные. Они называются вспомогательными пигментами, потому что поглощённую ими световую энергию они переносят на хлорофилл. В спектре поглощения каротиноидов обнаруживается три пика в сине-фиолетовой области. Помимо своей функции как вспомогательных пигментов каротиноиды защищают хлорофиллы от избытка света и от окисления кислородом, образующимся в процессе фотосинтеза. Они хорошо замаскированы зелёными хлорофиллами, но становятся видны в листьях до начала листопада, поскольку хлорофиллы разрушаются первыми. Каротиноиды обнаружены в некоторых цветках и фруктах, у которых яркая окраска привлекает насекомых, птиц и млекопитающих, тем самым обеспечивая успешное опыление и распространение семян; к примеру, красный цвет кожицы у томатов обусловлен наличием в ней каротинов.  К каротиноидам относятся широко распространённые каротины и ксантофиллы. По химической природе это изопреноидные углеводороды, содержащие 40 углеродных атомов (рис.9). Ксантофиллы – окисленные каротины. Особенно богаты каротинами зелёные листья некоторых растений (например, шпината), корнеплоды моркови, плоды шиповника, смородины, томата и др. У растений каротиноиды представлены главным образом физиологически наиболее активным b – каротином. Каротины наряду с ксантофиллами нередко обуславливают  окраску тех или иных организмов. Например, окраска пурпурных бактерий объясняется наличием ксантофиллов.

Каротиноиды, подобно хлорофиллам, очень слабо связаны с белками, они легко извлекаются из растений и используются в качестве лекарственных средств и красителей.

в). Фикобилипротеиды.

Фикобилинпротеиды характерны для хлоропластов, цианобактерий, багрянок и криптофитовых водорослей. Они, как и каротиноиды, участвуют в фотосинтезе, доставляя поглощённую энергию света к молекулам хлорофилла. Фикобилины – стойкие пигмент-белковые комплексы, хорошо растворимые в воде. В их основе лежат хромофорные группы, близкие к

желчным пигментам. Известны два типа фикобилинпротеидов: синие фикоцианины и красные фикоэритрины (рис.10).

II. Использование растительных пигментов человеком.

Краски вообще щедро распределены в природе, как в животном, так и в растительном царстве. Краски в растениях находятся или в готовом состоянии, или в виде промежуточных бесцветных веществ, так называемых «хромогенов», только под влиянием тех или других факторов превращающихся в краски. Только в очень редких случаях краска в растении распределена совершенно равномерно во всех его частях; большей частью пигмент сосредоточивается или в той, или в другой его части. В дело идут иногда: корни (марена, альканна, куркума и др.), древесина (так наз. «деревянные краски»: кампеш, фернамбук, сандал, желтое, физетовое дерево и др.), кора (кверцитрон, ло-као, каштан и др.), листья (сумах, датис, некоторые виды пальм и др.), цветки (сафлор, шафран и др.), плоды (грушка, орлеан, бабла и др.), растительный сок (индиго, кашу, алоэ), целые растения (вайда, вау), лишаи (орсейль, лакмус, кудбир), смолы (драконова кровь, лак-дэй и др.).

Весьма замечательно, что в природе синих пигментов, а также и желтых встречается очень много и весьма разнообразного состава, красных — значительно меньше. Хороших зеленых красок немного; распространенный в природе хлорофилл употребляется лишь в сравнительно ограниченных количествах для подкраски жирных масел. С распространением искусственных пигментов естественные растительные краски употребляются все в меньших количествах. Чрезвычайно редко растительные краски употребляются в дело непосредственно в виде измельченного сырья; большей же частью это сырье подвергается той или другой обработке и уже только затем употребляется для окрашивания.

Естественные растительные краски:

Ликопин — красный каротиноид, содержащийся в томатах и арбузах, предупреждает рак кожи, защищает от солнечных ожогов.

Длительное исследование более ста тысяч мужчин и женщин в США показало, что риск хронических болезней, особенно сердечно-сосудистых, значительно снижен у тех, кто ест больше «цветных» овощей и фруктов. Особенно эффективны оказались зеленые листовые овощи — салаты и шпинат. В подобном финском исследовании людей среднего возраста как самые полезные для сердца выделены ягоды. В Австралии три десятка мужчин на протяжении полутора месяцев получали утром экстракт пигментов из фруктов, а вечером — из овощей. Состояние сердца и сосудов у участников опыта значительно улучшилось по сравнению с мужчинами, которые питались точно так же, но не получали экстрактов.

Джон Фолтс из Висконсинского университета (США) обнаружил, что экстракты флавоноидов из темной кожицы и косточек красных и черных сортов винограда понижают у собак и людей слипаемость тромбоцитов, уменьшая сворачиваемость крови и тем самым риск появления тромбов. Наиболее эффективны оба экстракта вместе. Сейчас группа Фолтса изучает возможность выпуска таких экстрактов в таблетках как биоактивной добавки для тех, кто не хочет или не может пить красное вино.

Еще более эффективен в этом отношении сок граната. Как показали исследования, проведенные в Медицинском центре Хайфы (Израиль), ежедневный прием 50 миллилитров сока граната на протяжении от года до трех лет позволяет снизить кровяное давление у пациентов с сужением каротидных артерий на 20 процентов.

Пока не ясно почему, но флавоноиды могут противостоять также ожирению и диабету. По некоторым данным, они подавляют гены, ответственные за развитие болезней, и облегчают обмен жизненно важными сигналами между клетками.

Растительные пигменты могут подавлять воспаление. Несколько лет назад обнаружено, что по противовоспалительному действию шесть темно-красных вишен равны одной таблетке аспирина. И, разумеется, вишни не имеют побочных действий, свойственных аспирину, иногда весьма опасных.

 Большинство исследователей флавоноидов согласны с тем, что эти вещества лучше получать из натуральных продуктов, а не в виде концентрированных экстрактов и биодобавок. Более того, мощные дозы флавоноидов, принимаемые по принципу «хорошего много не бывает», как показали некоторые исследования, могут вредить. Так, излишек бета-каротина может способствовать развитию рака кожи под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. Кроме того, нередко бывают важны и другие вещества, сопровождающие растительные пигменты в натуральных овощах и фруктах.

Не каждый может себе позволить весь год есть ягоды или пить гранатовый сок. Поэтому многие селекционеры мира в последние годы работают над выведением самых обычных сельскохозяйственных культур с повышенным содержанием флавоноидов. Самый известный пример — полученный с помощью генной инженерии немецкими и швейцарскими генетиками золотой рис, обогащенный каротином (населению развивающихся стран, питающемуся в основном рисом, часто не хватает витамина А). В Корнельском университете (США) работают над пшеницей, обогащенной каротином. В лабораториях Министерства сельского хозяйства США выведены огурцы с каротином, имеющие желто-оранжевый цвет. Там же получен сорт моркови, в котором на 75 процентов больше каротина, чем в известных сортах. В Висконсине (США) получен сорт свеклы с повышенным содержанием красного пигмента. В разных странах выведены разноцветные сорта картофеля, обладающие целебными свойствами.

 Привычная нам оранжевая морковь — плод (точнее, корнеплод) освободительной «оранжевой» революции,

прошедшей в 1566-1609 годах на территории современных Нидерландов. Местные овощеводы, движимые  патриотическими чувствами, подобрали семена от мутантных экземпляров и вывели морковь геральдического цвета Оранской династии. Современные селекционеры получили сорта от белых до почти черных (рис.11).

Основываясь на диких разновидностях картофеля из Анд, американские селекционеры вывели цветные сорта, более вкусные и полезные, чем обычный белый, желтоватый или розоватый на срезе картофель (рис. 12). В Германии выведен сорт картофеля, содержащий в 130 раз больше каротина, чем обычные сорта, и спорящий по этому показателю с морковью.

III. Практическая работа.

1.Получение хлорофилльной вытяжки.

Основное оборудование: спиртовка, спички, штатив, держатель для пробирок, пробирки, спирт, растение (листок аспидистра).

Примечание: растение, за несколько дней до проведения опыта, следует поместить в условия интенсивного освещения.

Ход работы:

1. Поместить в пробирку свёрнутый в трубочку лист зелёного растения.
2. Налить в пробирку спирт (примерно на1/2-1/3 пробирки).
3. Закрепить пробирку в держателе.
4. Медленно нагревать над огнём спиртовки, не доводя спирт до кипения и соблюдая все правила техники безопасности.
5. Поставить пробирку в штатив.
6. Через 1-2 минуты вынуть из неё лист.
7. Рассмотреть лист и содержимое пробирки.
8. Записать результаты.

1. Нагреваю листок со спиртом в пробирке, получаем хлорофилловую вытяжку.

2.В результате нагревания лист потерял зелёную окраску.

3.Спирт окрасился в  ярко-зелёный цвет, т.к. из листка выделился хлорофилл

Вывод: При кипении хлорофилл выделяется в спирт, спирт окрашивается в зелёный цвет, лист теряет свою окраску.

2.Исчезновение зелёной окраски хлорофилльной вытяжки.

Дополнительное оборудование: растворы соляной кислоты (HCl) и щёлочи (NAOH).

Ход работы:

Прилить раствор HCI  к хлорофилльной вытяжке, смешать палочкой.

 Прилит раствор HCl  к хлорофилльной вытяжке. Содержимое пробирки окрасилось в бурый цвет, т.е. образовался феофитин.

Вывод:

 Так как зелёный  цвет хлорофилла определяется наличием в нём Mg ,то Cl соединяется с Mg и образуется соль. Такого рода реакции могут происходить в природе. Например, при попадании кислотных дождей на зелёные растения, у растений нарушается процесс фотосинтеза, пропадает зелёная окраска, которая восстановлению не подлежит.

3.Опыт «Лакмусовые бумажки из сока красного салата»

Для этого мы взяли красный салат, который растёт у нас на пришкольном участке. Сок из него при смешивании с различными веществами изменяет свой цвет от красного (в сильной кислоте), к розовому, фиолетовому (это его естественный цвет в нейтральной среде), синему, и, наконец, зеленому (в сильной щелочи).

Из сока красного салата можно сделать лакмусовые бумажки. Для этого вам понадобится фильтровальная бумага. Ее надо пропитать капустным соком и дать ей высохнуть. После этого разрезать на тонкие полоски. Лакмусовые бумажки готовы.

Ниже приводятся значения PH для некоторых жидкостей:

1. Желудочный сок — 1. 0-2.0 ph
2. Лимонный сок — 2.0 ph
3. Пищевой уксус — 2.4 ph
4. Кока-кола — 3.0 ph
5. Яблочный сок — 3.0 ph
6. Пиво — 4.5 ph

7. Кофе — 5.0 ph
8. Шампунь — 5.5 ph
9. Чай — 5.5 ph
10. Слюна — 6.35-6.85 ph
11. Молоко — 6.6-6.9 ph
12. Чистая вода — 7.0 ph
13. Кровь — 7.36-7.44 ph
14. Морская вода — 8.0 ph
15. Раствор пищевой соды — 8.5 ph
16. Мыло (жировое) для рук — 9.0-10.00 ph
17. Нашатырнай спирт — 11.5 ph
18. Отбеливатель (хлорная известь) — 12.5 ph
19. Каустическая сода или натриевая щелочь > 13 ph

4. Вывод.

Цветовое многообразие растительного мира обязано пигментам. Пигменты — красящие вещества, придающие цвет растениям. Растительные пигменты – это крупные органические молекулы, имеющие группировки, ответственные за поглощение света.  В растительных клетках содержатся растительные пигменты, такие как хлорофилл (a,b,c,d), каротиноиды, к которым относятся каротины и ксантофиллы, фикобилинпротеиды. Пигменты находятся чаще в тех или иных структурных образованиях клетки, реже — в жидкостях организма в растворённом состоянии. Так, хлорофилл сосредоточен в хлоропластах, каротиноиды — в хромо — и хлоропластах, гемоглобин — в эритроцитах, флавоноиды — в клеточном соке растений.

Пластиды – относительно крупные образования клетки. различают три основных типа пластид: хлоропласты (зелёного цвета), хромопласты (жёлтого, оранжевого или красного цвета) и лейкопласты (бесцветные). Обычно в клетке встречаются пластиды только одного типа. Хлоропласты встречаются во всех зелёных органах растений. Основная функция хлоропластов – фотосинтез. Хромопласты содержаться в клетках лепестков многих растений, зрелых окрашенных плодах (томаты, шиповник, рябина), иногда – в корнеплодах (морковь). Красноватая или оранжевая окраска хромопластов связана с присутствием в них каротиноидов. В лейкопластах пигменты отсутствуют, но здесь может осуществляться синтез и накопление запасных питательных веществ.

Пигменты, локализующиеся в пластидах и участвующие в процессах фотосинтеза, принадлежат к трём классам. Это хлорофиллы, каротиноиды и фикобилинпротеиды. Основное назначение пигментов – поглощать световую энергию, превращая её затем в химическую энергию. Хлорофиллы поглощают в основном красный и сине-фиолетовый свет, зелёный свет ими отражается, что и придаёт растениям специфическую зелёную окраску. Каротиноиды – жёлтые, оранжевые, красные или коричневые пигменты, синтезируемые растениями (а также бактериями и грибами), сильно поглощающие в сине-фиолетовой области. Они называются вспомогательными пигментами, потому что поглощённую ими световую энергию они переносят на хлорофилл. Каротиноиды используются в качестве лекарственных средств и красителей. Фикобилинпротеиды, как и каротиноиды, участвуют в фотосинтезе, доставляя поглощённую энергию света к молекулам хлорофилла. Известны два типа фикобилинпротеидов: синие фикоцианины и красные фикоэритрины.

Пигменты широко применяются в деятельности человека.

5. Литература.

1. Артамонов В.И. «Занимательная физиология растений»  Москва, Агропромиздат,  1997 г.
2. Желнин Ю.Ю., Лихопуд Э.В. «Пигменты листа. Их свойства и значение.», Ж. «Биология в школе», № 4, с. 42-43, 2006 г.
3. Тейлор Д., Стаут У., Грин Н. «Биология», Мир, Москва, 2008 г.
4. Интернет- ресурс

краткое описание и их роль

Ученым известно, какие существуют пигменты растений – зеленые и фиолетовые, желтые и красные. Растительными пигментами назвали органические молекулы, которые есть в тканях, клетках растительного организма – именно благодаря таким включениям они приобретают окраску. В природе чаще прочих встречается хлорофилл, присутствующий в теле всякого высшего растения. Оранжевый, красноватый тон, желтоватые оттенки обеспечены каротиноидами.

А если подробнее?

Пигменты растений находятся в хромо-, хлоропластах. Всего современная наука знает несколько сотен разновидностей соединений этого типа. Внушительный процент всех обнаруженных молекул необходим для фотосинтеза. Как показали испытания, пигменты – это источники ретинола. Розовый и красный оттенки, вариации бурого и голубоватые колеры обеспечены наличием антоцианов. Такие пигменты наблюдаются в растительном клеточном соке. Когда в период похолодания дни становятся короче, пигменты вступают в реакции с иными соединениями, присутствующими в теле растения, отчего меняется окраска прежде зеленых частей. Листва деревьев становится яркой и красочной – той самой осенней, к которой мы привыкли.

Самый известный

Пожалуй, практически любой школьник средней школы знает про хлорофилл – пигмент растений, необходимый для фотосинтеза. За счет этого соединения представитель растительного мира может поглощать свет солнца. Впрочем, на нашей планете не только растения не могут существовать без хлорофилла. Как показали дальнейшие исследования, это соединение совершенно незаменимо для человечества, так как обеспечивает естественную защиту от раковых процессов. Доказали, что пигмент угнетает канцерогены и гарантирует ДНК защиту от мутаций под влиянием отравляющих соединений.

Хлорофилл – зеленый пигмент растений, химически представляющий собой молекулу. Она локализована в хлоропластах. Именно за счет такой молекулы эти участки окрашены в зеленый. По своей структуре молекула – порфириновое кольцо. За счет этой специфики пигмент напоминает гем, являющийся структурным элементом гемоглобина. Ключевое отличие в центральном атоме: у гема его место занимает железо, для хлорофилла самым значимым является магний. Впервые ученые выявили этот факт в 1930 году. Событие произошло спустя 15 лет после открытия вещества Вильштаттером.

Химия и биология

Сперва ученые установили, что пигмент зеленого цвета в растениях бывает двух разновидностей, которым дали наименования по двум первым буквам латинского алфавита. Разница между разновидностями хоть и невелика, но все же есть, и наиболее ощутима при анализе боковых цепей. Для первой разновидности их роль играет СН₃, для второго типа – СНО. Обе формы хлорофилла принадлежат к классу активных фоторецепторов. За их счет растение может поглощать энергетическую составляющую солнечного излучения. Впоследствии выявили еще три типа хлорофилла.

В науке зеленый пигмент растений называется хлорофиллом. Исследуя отличия двух основных разновидностей этой молекулы, присущей высшей растительности, выявили, что длина волн, которые могут поглощаться посредством пигмента, несколько отлична для типов А и В. Фактически, как считают ученые, разновидности эффективно дополняют друг друга, тем самым обеспечивая растению способность максимально качественно поглощать необходимые объемы энергии. В норме обычно первый тип хлорофилла наблюдается во втрое большей концентрации, нежели второй. Суммарно они формируют зеленый растительный пигмент. Три прочих типа нашли только у древних форм растительности.

Особенности молекул

Изучая строение пигментов растений, выявили, что обе разновидности хлорофилла – это молекулы, растворимые жиром. Синтетические разновидности, созданные в лабораториях, растворяются водой, но их всасывание в организме возможно только при наличии жирных соединений. Растениями пигмент используется для получения энергии, обеспечивающей рост. В рационе людей он применяется с целью оздоровления.

Хлорофилл, как и гемоглобин, может нормально функционировать и производить углеводы, если соединен с протеиновыми цепочками. Визуально белок кажется образованием без четкой системы и структуры, но таковая на самом деле правильная, и именно поэтому хлорофилл может стабильно сохранять оптимальное положение.

Особенности активности

Ученые, изучая этот основной пигмент высших растений, обнаружили, что он есть во всякой зелени: в список включены овощи, водоросли, бактерии. Хлорофилл – полностью натуральное соединение. По природе оно обладает качествами протектора и предупреждает трансформацию, мутацию ДНК под влиянием отравляющих соединений. Были организованы специальные исследовательские работы в индийском ботаническом саду при НИИ. Как удалось обнаружить ученым, полученный из свежей зелени хлорофилл может уберечь от отравляющих соединений, патологических бактерий, а также успокаивает активность очагов воспаления.

Хлорофилл недолговечен. Эти молекулы очень хрупкие. Солнечные лучи ведут к гибели пигмента, но зеленый лист в силах генерировать новые и новые молекулы, замещающие отслуживших свое товарищей. В осенний сезон хлорофилл более не вырабатывается, поэтому листва теряет свой цвет. На первый план выходят другие пигменты, до этого скрытые от глаз внешнего наблюдателя.

Разнообразию нет предела

Разнообразие растительных пигментов, известных современным исследователям, исключительно велико. Из года в год ученые обнаруживают все новые молекулы. Сравнительно недавно проведенные исследования позволили добавить к двум упомянутым выше разновидностям хлорофилла еще три типа: С, С₁, Е. Впрочем, самым главным по-прежнему считается тип А. А вот каротиноиды еще более разнообразны. Этот класс пигментов науке известен неплохо – именно за их счет приобретают оттенки корнеплоды моркови, многие овощи, плоды цитрусовых деревья и иные дары растительного мира. Как показали дополнительные испытания, канарейки имеют перья, окрашенные в желтый, именно благодаря каротиноидам. Они же дают цвет яичному желтку. За счет обилия каротиноидов азиатские жители обладают своеобразным оттенком кожи.

Ни человек, ни представители животного мира не располагают такими особенностями биохимии, которые бы позволяли вырабатывать каротиноиды. Эти вещества появляются на базе витамина А. Это доказывают наблюдения, посвященные пигментам растений: если курица с продуктами питания не получала растительность, желтки яиц будут очень слабого оттенка. Если канарейка получала большое количество пищи, обогащенной красными каротиноидами, ее перья приобретут яркий оттенок красного.

Любопытные особенности: каротиноиды

Желтый пигмент растений называется каротином. Ученые установили, что красный оттенок обеспечивают ксантофиллы. Число известных научному сообществу представителей этих двух типов постоянно увеличивается. В 1947 году ученые знали около семи десятков каротиноидов, а к 1970 их насчитывалось уже более двух сотен. В некоторой степени это сродни прогрессу знаний в сфере физики: сперва знали об атомах, затем – электронах и протонах, а впоследствии выявили еще более мелкие частицы, для обозначения которых используют лишь литеры. Можно ли говорить об элементарных частицах? Как показали испытания физиков, пока использовать такой термин рано – наука еще не развита в той степени, чтобы удалось их найти, если такие есть. Сходная ситуация сложилась с пигментами – из года в год открывают все новые виды и типы, а биологи лишь удивляются, не в силах объяснить многоликую природу.

О функциях

Ученые, занимающиеся пигментами высших растений, пока не могут объяснить, для чего и почему природа предусмотрела столь большое разнообразие пигментных молекул. Выявлена функциональность некоторых отдельных разновидностей. Доказали, что каротин необходим для обеспечения сохранности хлорофилловых молекул от окисления. Механизм защиты обусловлен особенностями синглетного кислорода, формирующегося при реакции фотосинтеза в качестве дополнительного продукта. Это соединение отличается повышенной агрессивностью.

Еще одна особенность желтого пигмента в клетках растения – его способность увеличивать интервал длины волны, необходимой для процесса фотосинтеза. В настоящий момент такая функция не доказана точно, но проведено немало исследований, позволяющих предположить, что окончательное доказательство гипотезы «не за горами». Лучи, которые зеленый растительный пигмент не может усвоить, поглощаются желтыми пигментными молекулами. Затем энергия направляется хлорофиллу для дальнейшей трансформации.

Пигменты: такие разные

Кроме некоторых разновидностей каротиноидов, желтый цвет имеют пигменты, названные ауронами, халконами. Их химическое строение во многом напоминает флавоны. Такие пигменты в природе встречаются не слишком часто. Их нашли в листочках, соцветиях кислицы и львиного зева, ими обеспечивается окраска кореопсиса. Такие пигменты не переносят табачного дыма. Если окурить растение сигаретой, оно сразу покраснеет. Биологический синтез, протекающий в клетках растений с участием халконов, приводит к генерированию флавонолов, флавонов, ауронов.

И у животных, и у растений есть меланин. Этот пигмент обеспечивает коричневый оттенок волос, именно благодаря ему локоны могут стать черными. Если клетки не содержат меланина, представители животного мира становятся альбиносами. У растений пигмент обнаружен в кожуре красного винограда и у некоторых соцветий в лепестках.

Голубые и не только

Голубой оттенок растительность получает благодаря фитохрому. Это протеиновый растительный пигмент, ответственный за контроль цветения. Он регулирует прорастание семечка. Известно, что фитохром может ускорить цветение некоторых представителей растительного мира, у других происходит противоположный процесс замедления. В некоторой степени его можно сравнить с часами, но биологическими. В настоящий момент ученые пока не знают всю специфику механизма действия пигмента. Обнаружили, что строение этой молекулы корректируется временем суток и освещенностью, передавая информацию об уровне света в среде растению.

Синий пигмент в растениях – антоциан. Впрочем, есть несколько разновидностей. Антоцианы не только дают синюю окраску, но и розовую, ими же объясняются красный и сиреневый цвета, иногда – темный, насыщенный фиолетовый. Активная генерация антоцианов в растительных клетках наблюдается, когда понижается температура окружающего пространства, останавливается генерирование хлорофилла. Окраска листвы меняется с зеленой на красную, рыжую, синюю. Благодаря антоциану розы и маки имеют яркие алые цветы. Этот же пигмент объясняет оттенки соцветий герани и васильков. Благодаря голубой разновидности антоциана колокольчики имеют свой нежный цвет. Определенные разновидности этого типа пигментов наблюдаются в винограде, краснокочанной капусте. Антоцианы обеспечивают окрашивание терна, сливы.

Яркие и темные

Известен желтый пигмент, который ученые назвали антохлором. Его обнаружили в кожице лепестков первоцвета. Антохлор найден в примулах, соцветиях баранчика. Им богаты маки желтых сортов и георгины. Этот пигмент дает приятный цвет соцветиям льнянки, лимонным плодам. Он выявлен в некоторых других растениях.

Сравнительно редко в природе встречается антофеин. Это темный пигмент. Благодаря ему появляются специфические пятнышки на венчике некоторых бобовых культур.

Все яркие пигменты задуманы природой для специфической окраски представителей растительного мира. Благодаря такой расцветке растение привлекает птиц, животных. Тем самым обеспечивается распространение семян.

О клетках и строении

Пытаясь определить, насколько сильно зависит окраска растений от пигментов, как эти молекулы устроены, зачем необходим весь процесс пигментации, ученые обнаружили, что в организме растений присутствуют пластиды. Так назвали небольшие тельца, которые могут иметь окраску, но бывают также бесцветными. Такие тельца есть только и исключительно у представителей растительного мира. Все пластиды разделили на хлоропласты, имеющие зеленый оттенок, хромопласты, окрашенные в разные вариации красного спектра (включая желтый и переходные оттенки), и лейкопласты. Последним не присущи какие-либо оттенки.

В норме растительная клетка содержит одну разновидность пластидов. Эксперименты показали способность этих телец трансформироваться из типа в тип. Хлоропласты обнаружены у всех растительных органов, окрашенных в зеленый. Лейкопласты чаще наблюдаются в частях, скрытых от прямых лучей солнца. Их много в корневищах, они обнаружены в клубнях, ситовидных частицах некоторых типов растений. Хромопласты типичны для лепестков, поспевших плодов. Тилакоидные мембраны обогащены хлорофиллом и каротиноидами. Лейкопласты не содержат пигментных молекул, но могут быть локацией процессов синтеза, скапливания питательных соединений – протеинов, крахмала, изредка жиров.

Реакции и трансформации

Изучая фотосинтетические пигменты высших растений, ученые выявили, что хромопласты окрашены в рыжий, красный благодаря присутствию каротиноидов. Принято думать, хромопласты – заключительный шаг развития пластидов. Вероятно, они появляются при трансформации лейко-, хлоропластов, когда те стареют. Во многом наличие таких молекул определяет цвет листвы по осени, а также яркие, радующие глаз цветы, плоды. Каротиноиды продуцируются водорослями, растительным планктоном, растениями. Их могут генерировать некоторые бактерии, грибы. Каротиноиды ответственны за окраску живых представителей растительного мира. Некоторые животные располагают системами биохимии, за счет которой каротиноиды трансформируются в иные молекулы. Исходное сырье для такой реакции получают с пищей.

Как показали наблюдения за розовыми фламинго, эти птицы собирают и фильтруют спирулину и некоторые другие водоросли для получения желтого пигмента, откуда затем появляются кантаксантин, астаксантин. Именно эти молекулы дают птичьему оперению такой красивый цвет. Многие рыбы и птицы, раки и насекомые имеют яркий цвет благодаря каротиноидам, которые получают с питанием. Бета-каротин трансформируется в некоторые витамины, которые используются на пользу человека – они защищают глаза от влияния ультрафиолета.

Красный и зеленый

Говоря о фотосинтетических пигментах высших растений, следует отметить, что такие могут поглощать кванты световых волн. Отмечается, что это относится лишь к части спектра, видимой для человеческого глаза, то есть для длины волны в границах 400-700 нм. Растительные частицы могут поглощать лишь кванты, располагающие достаточным энергетическим запасом для реакции фотосинтеза. Ответственность за поглощение возложена исключительно на пигменты. Учеными исследованы древнейшие формы жизни растительного мира – бактерии, водоросли. Установлено, что в них есть разные соединения, которые могут акцептировать свет видимого спектра. Некоторые разновидности могут принимать световые волны излучения, не воспринимаемого человеческим глазом – из блока, ближнего к инфракрасному. Кроме хлорофиллов такая функциональность природой возложена на бактериородопсин, бактериохлорофиллы. Исследования показали важность для реакций синтеза фикобилинов, каротиноидов.

Разнообразие фотосинтетических пигментов растений отличается от группы к группе. Многое определяется условиями, в которых форма жизни обитает. У представителей высшего растительного мира разнообразие пигментов меньше, нежели у эволюционно древних разновидностей.

О чем идет речь

Изучая фотосинтетические пигменты растений, обнаружили, что у высших растительных форм есть лишь две разновидности хлорофилла (упомянутые ранее А, В). Оба этих типа – порфирины, в которые есть атом магния. Преимущественно они входят в светособирающие комплексы, которые поглощают энергию света и направляют ее реакционным центрам. В центрах содержится сравнительно малый процент общего имеющегося у растения хлорофилла первого типа. Здесь протекают первичные взаимодействия, характерные фотосинтезу. Хлорофиллы сопровождаются каротиноидами: их, как выяснили ученые, обычно наблюдается пять разновидностей, не более. Эти элементы также собирают свет.

Будучи растворенными, хлорофиллы, каротиноиды – пигменты растений, имеющие узкие полосы светопоглощения, отстоящие друг от друга довольно значительно. Хлорофиллам присуща способность максимально эффективно поглощать синие волны, они могут работать с красными, но очень слабо улавливают зеленый свет. Расширение спектра и перекрытие обеспечивается хлоропластами, выделяемыми из листьев растения без особенного труда. Мембраны хлоропластов отличаются от растворов, поскольку красящие компоненты соединены с протеинами, жирами, вступают в реакции друг с другом, а энергия мигрирует между сборниками и центрами накопления. Если рассматривать спектр светопоглощения листа, он окажется еще более сложным, сглаженным, нежели отдельного хлоропласта.

Отражение и поглощение

Изучая пигменты листа растения, ученые установили, что некоторый процент попадающего на листок света отражается. Такое явление разделили на две разновидности: зеркальную, диффузную. Про первую говорят, если поверхность блестит, гладкая. Отражение листа преимущественно формируется вторым типом. Свет просачивается в толщу, рассеивается, меняет направление, поскольку и во внешнем слое, и внутри листа есть разделяющие поверхности с разными показателями преломления. Аналогичные эффекты наблюдаются, когда свет проходит сквозь клетки. Сильного поглощения нет, оптический путь намного больше толщины листа, измеренной геометрически, и листок способен поглотить больше света, нежели пигмент, выделенный из него. Листья поглощают намного больше энергии и в сравнении с отдельно исследуемыми хлоропластами.

Поскольку есть разные пигменты растений – красные, зеленые и прочие – соответственно, явление поглощения неравномерное. Лист способен воспринимать свет разной длины волны, но эффективность процесса отлична. Наиболее высокая поглощающая способность зеленой листве присуща относительно фиолетового блока спектра, красного, синего и голубого. Сила поглощения практически не определяется тем, насколько концентрированы хлорофиллы. Это связано с тем, что среде присуща высокая рассеивающая способность. Если пигменты наблюдается в высокой концентрации, поглощение происходит вблизи поверхности.

Растительные пигменты | Поговорим о науке

AB
12
Химия 30 (2007 г., обновление 2014 г.)
Раздел C: Химические изменения органических соединений

до н.э.
11
Химия 11 (июнь 2018 г.)
Большая идея: органическая химия и ее приложения имеют большое значение для здоровья человека, общества и окружающей среды.

МБ
11
Химия 11 класс (2006)
Тема 5: Органическая химия

NB
12
Химия 121/122 (2009)
Блок 4: Органическая химия

NL
11
Химия 2202 (2018)
Блок 3: Органическая химия

Н.С.
11
Химия 11 (2021)
Органическая химия

NS
11
Продвинутая химия 11 (2012)
Органическая химия

НУ
12
Химия 30 (Альберта, 2007 г. , обновлено в 2014 г.)
Раздел C: Химические изменения органических соединений

ON
12
Химия, 12 класс, Колледж (СЧ5С)
Цепь C: Органическая химия

ON
12
Химия, 12 класс, университет (СЧ5У)
Цепь B: Органическая химия

ON
12
Наука, 12 класс, рабочее место (SNC4E)
Направление C: Химические вещества в потребительских товарах

ЧП
11
Химия 521А (проект 2021 г.)
Знание содержания: CK 3.1

YT
11
Химия 11 (Британская Колумбия, июнь 2018 г.)
Большая идея: органическая химия и ее приложения имеют большое значение для здоровья человека, общества и окружающей среды.

СК
12
Химия 30 (2016)
Химическая связь и материаловедение

NT
12
Химия 30 (Альберта, 2007 г., обновлено в 2014 г.)
Раздел C: Химические изменения органических соединений

AB
10
Наука 10 (2005 г., обновлено в 2015 г.)
Модуль C: Круговорот материи в живых системах

Обратите внимание
11
Биология 112/111 (2008)
Блок 1: Ячейка

NB
11
Биология 112/111 (2008)
Блок 2: Биоразнообразие

NL
11
Биология 2201 (2002)
Блок 1: Материя и энергия для жизни

NU
10
Наука 10 (2005 г. , обновлено в 2015 г.)
Модуль C: Круговорот материи в живых системах

ON
11
Биология, 11 класс, Колледж (SBI3C)
Strand F: Растения в естественной среде

ON
11
Биология, 11 класс, университет (SBI3U)
Нить F: растение: анатомия, рост и функции

PE
11
Агрисайенс 801А/621А (2012)
Биология растений

ПЭ
11
Агрисайенс 801А/621А (2012)
Биология растений

ЧП
11
Биология 521А (2010)
Материя и энергия для жизни

SK
12
Биология 30 (2016)
Организация жизни

NT
10
Science 10 (Альберта, 2005 г., обновлено в 2015 г.)
Модуль C: Круговорот материи в живых системах

AB
10
Наука о знаниях и трудоустройстве 10-4 (2006)
Блок C: Исследование материи и энергии в живых системах

AB
11
Наука 24 (2003 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль B: Общие сведения о системах преобразования энергии

АВ
10
Наука 14 (2003 г., обновлено в 2014 г.)
Блок C: Исследование материи и энергии в живых системах

AB
11
Биология 20 (2007 г., обновлено в 2014 г. )
Раздел C: Фотосинтез и клеточное дыхание

до н.э.
8
Наука 8 класс (июнь 2016 г.)
Большая идея: Жизненные процессы осуществляются на клеточном уровне.

до н.э.
10
Естествознание 10 класс (март 2018 г.)
Большая идея: Энергия сохраняется, и ее преобразование может влиять на живые существа и окружающую среду.

до н.э.
11
Науки о жизни 11 (июнь 2018 г.)
Большая идея: Жизнь — это результат взаимодействия на молекулярном и клеточном уровнях.

МБ
7
Наука 7 класс (2000)
Кластер 1: Взаимодействие внутри экосистем

NB
9
Наука 9: Динамика экосистем (2020)
Экосистемы: энергия, материя и взаимодействия

NL
12
Наука 3200 (2005)
Модуль 1: Химические реакции

NS
11
Биология 11/Продвинутая биология 11 (2012, 2019)
Блок 1: Материя и энергия для жизни

NU
10
Наука о знаниях и трудоустройстве 10-4 (2006)
Блок C: Исследование материи и энергии в живых системах

NU
11
Наука 24 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль B: Общие сведения о системах преобразования энергии

НУ
10
Наука 14 (2003 г. , обновлено в 2014 г.)
Блок C: Исследование материи и энергии в живых системах

NU
11
Биология 20 (Альберта, 2007 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль C: Фотосинтез и клеточное дыхание

ON
12
Биология, 12 класс, университет (SBI4U)
Цепь C: Метаболические процессы

PE
9
Естествознание, 9 класс (пересмотрено в 2018 г.)
Знание содержания: CK 1

PE
10
Наука 421А (2019)
Знание содержания: CK 1 .1

QC
Раздел IV
Наука и технология
Материальный мир

КК
Элементарный цикл 3
Наука и техника, элементарный
Живые существа

КК
Раздел I
Наука и технология
Живой мир: процессы поддержания жизни

КК
Раздел II
Наука и технология
Живой мир: процессы поддержания жизни

YT
11
Life Sciences 11 (Британская Колумбия, июнь 2018 г.)
Большая идея: Жизнь — это результат взаимодействия на молекулярном и клеточном уровнях.

ЮТ
10
Наука, 10 класс (Британская Колумбия, июнь 2016 г.)
Большая идея: Энергия сохраняется, и ее преобразование может влиять на живые существа и окружающую среду.

YT
8
Science Grade 8 (Британская Колумбия, июнь 2016 г.)
Большая идея: Жизненные процессы осуществляются на клеточном уровне.

СК
7
Наука 7 класс (2009)
Науки о жизни – взаимодействие внутри экосистем (IE)

SK
11
Наука об окружающей среде 20 (2016)
Наземные экосистемы

NT
10
Наука о знаниях и трудоустройстве 10-4 (Альберта, 2006 г.)
Модуль C: Исследование материи и энергии в живых системах

NT
11
Наука 24 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль B: Общие сведения о системах преобразования энергии

НТ
10
Наука 14 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль C: Исследование материи и энергии в живых системах

NT
11
Биология 20 (Альберта, 2007 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль C: Фотосинтез и клеточное дыхание

ON
9
9 класс естественных наук (SNC1W) (2022)
Strand B: Устойчивые экосистемы и изменение климата

Растительный пигмент | Encyclopedia.com

Поглощение излучения

Хлорофиллы

Каротиноиды

Флавоноиды

Фитохром

Дополнительные растительные пигменты

Ресурсы

Растительный пигмент — это любой тип окрашенного вещества, производимого растением. В общем, любое химическое соединение, которое поглощает видимое излучение в диапазоне от 380 нм (фиолетовый) до 760 нм (рубиново-красный), считается пигментом. Существует множество различных растительных пигментов, и они входят в состав различных классов органических соединений. Пигменты растений придают цвет листьям, цветам и плодам, а также важны для контроля фотосинтеза, роста и развития.

Спектр поглощения – это мера длины волны излучения, которое поглощает пигмент. Избирательное поглощение различных длин волн определяет цвет пигмента. Например, хлорофиллы высших растений поглощают красные и синие длины волн, но не зеленые длины волн, что придает листьям их характерный зеленый цвет.

Молекулярная структура пигмента определяет его спектр поглощения. Когда пигмент поглощает излучение, он переходит в более высокое энергетическое состояние. Молекула пигмента поглощает одни длины волн и не поглощает другие просто потому, что ее молекулярная структура ограничивает энергетические состояния, в которые она может входить.

Когда пигмент поглощает излучение и переходит в более высокое энергетическое состояние, энергия в пигменте имеет три возможных пути: (a) она может излучаться в виде тепла, (b) она может излучаться в виде излучения с более низкой энергией ( длина волны больше), или (в) он может участвовать в фотохимической работе, т. е. производить химические изменения. Флавоноиды, каротиноиды и беталаины представляют собой растительные пигменты, которые обычно излучают большую часть поглощенной ими световой энергии в виде тепла. Напротив, хлорофилл, фитохром, родопсин и фикобилин являются растительными пигментами, которые используют большую часть поглощенной ими световой энергии для химических изменений внутри растения.

Хлорофиллы используются для фотосинтеза и являются наиболее важными пигментами растений. Хлорофиллы встречаются в растениях, водорослях и фотосинтезирующих бактериях. У растений и водорослей они расположены во внутренних мембранах хлоропластов, органеллах (мембранно-замкнутых структурах) внутри растительных клеток, осуществляющих фотосинтез. Фотосинтез использует энергию света, поглощаемую хлорофиллом, для синтеза углеводов. Все организмы на Земле прямо или косвенно зависят от фотосинтеза для получения пищи.

Химики идентифицировали более 1000 различных встречающихся в природе хлорофиллов. Все хлорофиллы относятся к металлотетрапирролам. Пиррол представляет собой молекулу с четырьмя атомами углерода и одним атомом азота, расположенными в кольце; тетрапиррол — это просто четыре соединенных вместе пиррола. Во всех хлорофиллах четыре пиррольных кольца сами соединены в кольцо. Таким образом, молекулу хлорофилла можно рассматривать как «кольцо из четырех пиррольных колец». Ион металла, например магния, находится в центре тетрапиррольного кольца, а длинная углеводородная цепь, называемая фитоловым хвостом, присоединена к одному из пирролов. Фитоловый хвост прикрепляет молекулу хлорофилла к внутренней мембране внутри хлоропласта.

Различные типы хлорофиллов поглощают свет с разной длиной волны. Большинство растений используют несколько фотосинтетических пигментов с разными спектрами поглощения, что позволяет использовать большую часть солнечного спектра для фотосинтеза. Хлорофилл-а присутствует в высших растениях, водорослях, цианобактериях и хлороксибактериях.

Высшие растения и некоторые группы водорослей также имеют хлорофилл-b. У других водорослей есть хлорофилл-с или хлорофилл-d. Есть также многочисленные типы бактериохлорофиллов, обнаруженных в фотосинтезирующих бактериях.

Каротиноиды представляют собой желтые, оранжевые или красные пигменты, синтезируемые многими растениями, грибами и бактериями. У растений каротиноиды могут встречаться в корнях, стеблях, листьях, цветках и плодах. В растительной клетке каротиноиды находятся в мембранах пластид, органоидах, окруженных характерными двойными мембранами. Хлоропласты являются наиболее важным типом пластид, они синтезируют и хранят каротиноиды, а также осуществляют фотосинтез. Двумя наиболее известными каротиноидами являются бета-каротин и ликопин. Бета-каротин придает моркови, сладкому картофелю и другим овощам оранжевый цвет. Ликопин придает помидорам красный цвет. Когда человек ест морковь или другие продукты, содержащие каротиноиды, печень расщепляет молекулу каротиноида пополам, чтобы создать две молекулы витамина А, незаменимого микроэлемента.

Химики выявили около 500 различных встречающихся в природе каротиноидов. Каждый состоит из длинной углеводородной цепи с 6-углеродным иононовым кольцом на каждом конце. Все каротиноиды состоят из 40 атомов углерода и синтезируются из восьми 5-углеродных изопреновых субъединиц, соединенных «голова к хвосту». Существует два основных класса каротиноидов: каротины и ксантофиллы. Каротины состоят только из атомов углерода и водорода; бета-каротин является наиболее распространенным каротином. Ксантофиллы имеют один или несколько атомов кислорода; лютеин является одним из наиболее распространенных ксантофиллов.

Каротиноиды выполняют в растениях две важные функции. Во-первых, они могут способствовать фотосинтезу. Они делают это, передавая часть поглощаемой ими световой энергии хлорофиллам, которые затем используют эту энергию для фотосинтеза. Во-вторых, они могут защитить растения, подвергающиеся чрезмерному воздействию солнечного света. Они делают это, безвредно рассеивая избыточную световую энергию, которую они поглощают в виде тепла. В отсутствие каротиноидов эта избыточная энергия света может разрушить белки, мембраны и другие молекулы. Некоторые физиологи растений считают, что каротиноиды могут выполнять дополнительную функцию регуляторов определенных реакций развития растений.

Флавоноиды представляют собой широко распространенные растительные пигменты. Они растворимы в воде и обычно встречаются в вакуолях, окруженных мембраной структурах внутри клеток, которые также хранят воду и питательные вещества.

Интересно, что поглощение света другими фоторецептивными растительными пигментами, такими как фитохром и флавины, вызывает синтез флавоноидов у многих видов. Антоцианы являются наиболее распространенным классом флавоноидов и обычно имеют оранжевый, красный или синий цвет. Антоцианы присутствуют в цветах, фруктах и ​​овощах. Розы, вино, яблоки и вишни своим красным цветом обязаны антоцианам. Осенью листья многих деревьев умеренной зоны, таких как красный клен (Acer rubrum), меняют окраску за счет синтеза антоцианов и разрушения хлорофиллов.

Химики выявили более 3000 встречающихся в природе флавоноидов. Флавоноиды подразделяются на 12 различных классов, наиболее известными из которых являются антоцианы, флавонолы и флавоны. Все флавоноиды имеют 15 атомов углерода и состоят из двух 6-углеродных колец, соединенных друг с другом углеродным кольцом, которое содержит атом кислорода. Большинство встречающихся в природе флавоноидов связаны с одной или несколькими молекулами сахара. Небольшие изменения в структуре флавоноидов могут вызвать большие изменения в их цвете.

Флавоноиды часто встречаются во фруктах, где они привлекают животных, которые поедают плоды и рассеивают семена. Они также встречаются в цветах, где привлекают насекомых-опылителей. Многие флавоны и флавонолы наиболее сильно поглощают излучение в ультрафиолетовой (УФ) области и образуют на цветках особые УФ-рисунки, видимые пчелам, но не человеку. Пчелы используют эти узоры, называемые проводниками нектара, чтобы найти нектар цветка, который они потребляют в качестве компенсации за опыление цветка. УФ-поглощающие флавоны и флавонолы также присутствуют в листьях многих видов, где они защищают растения, экранируя вредное ультрафиолетовое излучение солнца.

Фитохром представляет собой сине-зеленый растительный пигмент, который регулирует развитие растений, включая прорастание семян, рост стеблей, рост листьев, синтез пигмента и цветение. Фитохром обнаружен в большинстве органов семенных и свободноспоровых растений. Он также был обнаружен в зеленых водорослях. Хотя фитохром является важным растительным пигментом, он встречается в очень низких концентрациях и невидим, если не подвергается химической очистке. В этом отношении он отличается от хлорофиллов, каротиноидов и флавоноидов.

Фитохром представляет собой белок, присоединенный к тетрапирролу с открытой цепью (четыре пиррольных кольца). Ген фитохрома был клонирован и секвенирован, и многие растения, по-видимому, имеют пять или более различных генов фитохрома. Тетрапиррол фитохрома поглощает видимое излучение и придает фитохрому характерный сине-зеленый цвет. Фитохром существует в двух взаимопревращаемых формах. Красная поглощающая форма (Pr) наиболее сильно поглощает около 665 нм и имеет синий цвет. Форма, поглощающая дальний красный цвет (Pfr), наиболее сильно поглощает около 730 нм и имеет зеленый цвет. Когда Pfr поглощает красный свет, структура тетрапиррола изменяется и образуется Pfr; когда Pfr поглощает дальний красный свет, структура тетрапиррола изменяется и образуется Pr. Естественный солнечный свет представляет собой смесь множества различных длин волн света, поэтому растения в природе обычно содержат в своих клетках смесь Pr и Pfr, которая постоянно преобразуется туда и обратно.

Существует три типа реакций фитохрома, которые контролируют рост и развитие растений. «Очень низкая плотность потока энергии» требует очень мало света, около одной секунды солнечного света; «реакция на низкий флюенс» требует среднего количества света, около одного звука солнечного света; а «реакции высокой освещенности» требуют длительного облучения, от многих минут до многих часов солнечного света.

Реакции с низким флюенсом демонстрируют обратимость красного/дальнего красного и являются наиболее охарактеризованным типом реакции. Например, у семян многих видов короткая вспышка красного света (образующая Pfr) способствует прорастанию, а последующая вспышка дальнего красного света (образующая Pr) тормозит прорастание. Когда семенам дают серию вспышек красного и дальнего красного света, цвет последней вспышки определяет реакцию. Если он красный, они прорастают; если он дальний красный, они остаются бездействующими.

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

Хлоропласты — Зеленые органеллы высших растений и водорослей, в которых происходит фотосинтез.

Изопрен — Пятиуглеродная молекула с химической формулой CH ₂ C(CH ₃ )CHCH ₂ .

Органелла — Заключенная в мембрану структура внутри клетки, выполняющая определенные функции.

Фотосинтез— Биологическое преобразование энергии света в химическую энергию.

Пластида — Органелла, окруженная двойной мембраной, которая может быть специализирована для фотосинтеза (хлоропласты), накопления пигментов (хромопласты) или других функций.

Вакуоль — Мембранная структура внутри клеток, в которой хранятся пигменты, вода, питательные вещества и отходы.

Фикобилины представляют собой водорастворимые фотосинтетические пигменты. Они отсутствуют у высших растений, но встречаются у красных водорослей и цианобактерий, группы фотосинтезирующих бактерий.

Беталаины представляют собой красные или желтые пигменты, которые синтезируются растениями 10 различных семейств. Интересно, что ни один из видов, у которых есть беталаины, также не производит антоцианы, хотя эти два пигмента не связаны между собой.

Флавины представляют собой оранжево-желтые пигменты, часто связанные с белками. Некоторые флавины специализируются на контроле фототропизма и других реакций развития растений. Подобно фитохрому, флавины встречаются в низких концентрациях и не могут быть обнаружены без очистки.