ФОТОСИНТЕТИЧНІ ПІГМЕНТИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ОСНОВНІ ТИПИ - БІОЛОГІЯ - 2025

У фотосинтезирующие пігменти представляють собою хімічні сполуки , які поглинають і відображають певні довжини хвиль видимого світла, що робить їх з'являються «барвисті». Різні види рослин, водорості та ціанобактерії мають фотосинтетичні пігменти, які поглинають різну довжину хвилі та генерують різні кольори, переважно зеленого, жовтого та червоного.

Ці пігменти необхідні для деяких автотрофних організмів, таких як рослини, оскільки вони допомагають їм скористатися широким діапазоном довжин хвиль для отримання їжі у фотосинтезі. Оскільки кожен пігмент реагує лише з деякою довжиною хвилі, існують різні пігменти, які дозволяють захоплювати більше світла (фотони).

характеристики

Як вже було сказано раніше, фотосинтетичні пігменти - це хімічні елементи, які відповідають за поглинання світла, необхідного для процесу фотосинтезу. Завдяки фотосинтезу енергія від Сонця перетворюється на хімічну енергію та цукри.

Сонячне світло складається з різної довжини хвилі, які мають різні кольори та рівень енергії. Не всі довжини хвиль використовуються однаково у фотосинтезі, саме тому існують різні типи фотосинтетичних пігментів.

Фотосинтетичні організми містять пігменти, які поглинають лише довжину хвилі видимого світла та відбивають інші. Сукупність довжин хвиль, поглинених пігментом, є його спектром поглинання.

Пігмент поглинає певну довжину хвилі, а ті, які він не поглинає, відображаються; колір - це просто світло, що відбивається пігментами. Наприклад, рослини виглядають зеленими, оскільки містять багато молекул хлорофілу a і b, які відображають зелене світло.

Види фотосинтетичних пігментів

Фотосинтетичні пігменти можна розділити на три типи: хлорофіли, каротиноїди та фікобіліни.

Хлорофіли

Хлорофіли - це зелені фотосинтетичні пігменти, які містять порфіринове кільце у своїй структурі. Вони є стабільними кільцеподібними молекулами, навколо яких вільні мігрувати електрони.

Оскільки електрони рухаються вільно, кільце має потенціал легко набирати або втрачати електрони, а отже, має потенціал для подачі енергізованих електронів до інших молекул. Це фундаментальний процес, за допомогою якого хлорофіл «захоплює» енергію від сонячного світла.

Види хлорофілів

Існує кілька видів хлорофілу: a, b, c, d та e. З них лише дві хлоропласти вищих рослин: хлорофіл а та хлорофіл b. Найважливішим є хлорофіл «а», оскільки він присутній у рослинах, водоростях та фотосинтетичних ціанобактеріях.

Хлорофіл "а" робить можливим фотосинтез, переносячи його активовані електрони на інші молекули, які утворюватимуть цукри.

Другий тип хлорофілу - це хлорофіл «б», який міститься лише у так званих зелених водоростях та рослинах. Зі свого боку, хлорофіл "с" міститься лише у фотосинтетичних представниках групи хромістів, таких як динофлагелати.

Відмінності між хлорофілами у цих основних групах були одним із перших ознак того, що вони не були так тісно пов'язані, як вважалося раніше.

Кількість хлорофілу "b" становить приблизно чверть загального вмісту хлорофілу. Зі свого боку, хлорофіл "а" міститься у всіх фотосинтетичних рослинах, саме тому його називають універсальним фотосинтетичним пігментом. Його ще називають первинним фотосинтетичним пігментом, оскільки він здійснює первинну реакцію фотосинтезу.

З усіх пігментів, які беруть участь у фотосинтезі, основна роль відіграє хлорофіл. З цієї причини решта фотосинтетичних пігментів відомі як пігменти аксесуарів.

Використання допоміжних пігментів дозволяє йому поглинати більш широкий діапазон довжин хвиль і, отже, забирати більше енергії від сонячного світла.

Каротиноїди

Каротиноїди - ще одна важлива група фотосинтетичних пігментів. Вони поглинають фіолетове та синьо-зелене світло.

Каротиноїди надають яскраві кольори, які присутні фрукти; Наприклад, червоний колір у помідорах пояснюється наявністю лікопену, жовтий колір у насінні кукурудзи викликається зеаксантином, а апельсин у шкірках апельсина - β-каротином.

Усі ці каротиноїди важливі для залучення тварин та сприяння розповсюдженню насіння рослини.

Як і всі фотосинтетичні пігменти, каротиноїди допомагають захоплювати світло, але вони виконують ще одну важливу функцію: усунення зайвої енергії від Сонця.

Таким чином, якщо лист отримує велику кількість енергії і ця енергія не використовується, це надлишок може пошкодити молекули фотосинтетичного комплексу. Каротиноїди беруть участь у поглинанні надлишкової енергії та допомагають розсіювати її як тепло.

Каротиноїди, як правило, мають пігменти червоного, помаранчевого або жовтого кольору і містять добре відому сполуку каротин, яка надає моркві їх колір. Ці сполуки складаються з двох невеликих шестивуглецевих кілець, з'єднаних «ланцюжком» атомів вуглецю.

В результаті їх молекулярної структури вони не розчиняються у воді, а натомість зв’язуються з мембранами всередині клітини.

Каротиноїди не можуть безпосередньо використовувати енергію світла для фотосинтезу, але повинні передавати поглинуту енергію хлорофілу. З цієї причини їх вважають аксесуарами пігментів. Інший приклад добре помітного аксесуару пігменту - фукоксантин, який надає морським водоростям та діатомам їх коричневий колір.

Каротиноїди можна класифікувати на дві групи: каротини та ксантофіли.

Каротини

Каротини - це органічні сполуки, широко поширені як пігменти в рослинах і тваринах. Загальна їх формула - C40H56, і вони не містять кисню. Ці пігменти - ненасичені вуглеводні; тобто вони мають багато подвійних зв’язків і належать до ряду ізопреноїдів.

У рослинах каротини надають жовтому, помаранчевому чи червоному кольорам квітки (нігтики), плоди (гарбуз) та коріння (морква). У тварин вони помітні в жирах (вершковому маслі), яєчних жовтках, пір’їні (канарка) та шкаралупі (омари).

Найбільш поширеним каротином є β-каротин, який є попередником вітаміну А і вважається дуже важливим для тварин.

Ксантофіли

Ксантофіли - це жовті пігменти, молекулярна структура яких схожа на каротини, але з тією різницею, що вони містять атоми кисню. Деякі приклади: C40H56O (криптоксантин), C40H56O2 (лютеїн, зеаксантин) і C40H56O6, що є характерним фукоксантином для бурих водоростей, згаданих вище.

Каротини, як правило, більш оранжевого кольору, ніж ксантофіли. І каротини, і ксантофіли розчиняються в органічних розчинниках, таких як хлороформ, етиловий ефір. Каротини є більш розчинними у сірковуглеці порівняно з ксантофілами.

Функції каротиноїдів

- каротиноїди функціонують як допоміжні пігменти. Вони поглинають променисту енергію в середній області видимого спектру і переносять її в хлорофіл.

- Вони захищають компоненти хлоропластів від кисню, що утворюється та виділяється під час фотолізу води. Каротиноїди забирають цей кисень через подвійні зв’язки і змінюють молекулярну структуру на нижчий енергетичний (нешкідливий) стан.

- Збуджений стан хлорофілу реагує з молекулярним киснем, утворюючи сильно руйнуючий кисневий стан, який називається синглетним киснем. Каротиноїди запобігають цьому, вимикаючи збуджений стан хлорофілу.

- Три ксантофіли (віолоксантин, антероксантин і зеаксантин) беруть участь у розсіюванні зайвої енергії шляхом перетворення її в тепло.

- Через своє забарвлення каротиноїди роблять квіти і плоди видимими для запилення та розпорошення тваринами.

Фікобіліни

Фікобіліни - це водорозчинні пігменти, тому вони містяться в цитоплазмі або стромі хлоропласта. Вони зустрічаються лише у ціанобактерій та червоних водоростей (Rhodophyta).

Фікобіліни важливі не тільки для організмів, які використовують їх для поглинання енергії світлом, але також використовуються як інструменти дослідження.

Коли такі сполуки, як пікоціанін і фікоеритрин, потрапляють під інтенсивне світло, вони поглинають енергію світла і вивільняють його, випромінюючи флуоресценцію в дуже вузькому діапазоні довжин хвиль.

Світло, що утворюється за допомогою цієї флуоресценції, настільки виразний і надійний, що фікобіліни можна використовувати як хімічні «мітки». Ці методи широко використовуються в дослідженнях раку для «мітки» пухлинних клітин.

Список літератури

1. Bianchi, T. & Canuel, E. (2011). Хімічні біомарки у водних екосистемах (1-е видання). Прінстонський університетський прес.
2. Еверт, Р. та Ейхорн, С. (2013). Ворона біології рослин (8-е видання). WH Freeman and Company Publishers
3. Гольдберг, Д. (2010). Біологія А. П. Баррона (3-е видання). Barron's Educational Series, Inc.
4. Нобель, Д. (2009). Фізико-хімічна та екологічна фізіологія рослин (4-е видання). Elsevier Inc.
5. Фотосинтетичні пігменти. Відновлено з: ucmp.berkeley.edu
6. Ренгер, Г. (2008). Первинні процеси фотосинтезу: принципи та апаратура (Іл. Ред.) RSC Publishing.
7. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Біологія (7-е вид.) Навчання за участю.