ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЕ ПИГМЕНТЫ: ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСНОВНЫЕ ВИДЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

В фотосинтезирующие пигменты представляют собой химические соединения , которые поглощают и отражают определенные длины волн видимого света, что делает их появляются «красочные». Различные виды растений, водорослей и цианобактерий имеют фотосинтетические пигменты, которые поглощают на разных длинах волн и генерируют разные цвета, в основном зеленый, желтый и красный.

Эти пигменты необходимы некоторым автотрофным организмам, таким как растения, потому что они помогают им использовать преимущества широкого диапазона длин волн для производства пищи в процессе фотосинтеза. Поскольку каждый пигмент реагирует только с некоторыми длинами волн, существуют разные пигменты, которые позволяют захватывать больше света (фотонов).

характеристики

Как упоминалось ранее, фотосинтетические пигменты - это химические элементы, которые отвечают за поглощение света, необходимого для процесса фотосинтеза. Посредством фотосинтеза энергия Солнца преобразуется в химическую энергию и сахара.

Солнечный свет состоит из волн разной длины, разных цветов и уровней энергии. Не все длины волн одинаково используются в фотосинтезе, поэтому существуют разные типы фотосинтетических пигментов.

Фотосинтезирующие организмы содержат пигменты, которые поглощают только волны видимого света и отражают другие. Набор длин волн, поглощаемых пигментом, и есть его спектр поглощения.

Пигмент поглощает волны определенной длины, а те, которые он не поглощает, отражаются; цвет - это просто свет, отраженный пигментами. Например, растения кажутся зелеными, потому что они содержат много молекул хлорофилла a и b, которые отражают зеленый свет.

Типы фотосинтетических пигментов

Фотосинтетические пигменты можно разделить на три типа: хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины.

Хлорофиллы

Хлорофиллы - это зеленые фотосинтетические пигменты, содержащие в своей структуре порфириновое кольцо. Это стабильные кольцевые молекулы, вокруг которых могут свободно перемещаться электроны.

Поскольку электроны движутся свободно, кольцо может легко приобретать или терять электроны и, следовательно, может передавать заряженные электроны другим молекулам. Это фундаментальный процесс, с помощью которого хлорофилл «захватывает» энергию солнечного света.

Типы хлорофиллов

Есть несколько типов хлорофилла: a, b, c, d и e. Из них только два встречаются в хлоропластах высших растений: хлорофилл а и хлорофилл b. Наиболее важным из них является хлорофилл «а», поскольку он присутствует в растениях, водорослях и фотосинтезирующих цианобактериях.

Хлорофилл «а» делает возможным фотосинтез, передавая свои активированные электроны другим молекулам, которые производят сахара.

Второй тип хлорофилла - это хлорофилл «b», который содержится только в так называемых зеленых водорослях и растениях. Со своей стороны, хлорофилл «с» обнаружен только в фотосинтезирующих членах хромистовой группы, таких как динофлагелляты.

Различия между хлорофиллами в этих основных группах были одним из первых признаков того, что они не так тесно связаны, как считалось ранее.

Количество хлорофилла «b» составляет около четверти от общего содержания хлорофилла. В свою очередь, хлорофилл «а» содержится во всех фотосинтетических растениях, поэтому его называют универсальным фотосинтетическим пигментом. Его также называют первичным фотосинтетическим пигментом, потому что он выполняет первичную реакцию фотосинтеза.

Из всех пигментов, участвующих в фотосинтезе, хлорофилл играет фундаментальную роль. По этой причине остальные фотосинтетические пигменты известны как вспомогательные пигменты.

Использование дополнительных пигментов позволяет ему поглощать более широкий диапазон длин волн и, следовательно, улавливать больше энергии солнечного света.

Каротиноиды

Каротиноиды - еще одна важная группа фотосинтетических пигментов. Они поглощают фиолетовый и сине-зеленый свет.

Каротиноиды обеспечивают яркую окраску фруктов; Например, красный цвет помидоров обусловлен наличием ликопина, желтый цвет семян кукурузы вызван зеаксантином, а оранжевый цвет апельсиновых корок обусловлен β-каротином.

Все эти каротиноиды важны для привлечения животных и ускорения распространения семян растений.

Как и все фотосинтетические пигменты, каротиноиды помогают улавливать свет, но они также выполняют еще одну важную функцию: устраняют избыточную энергию Солнца.

Таким образом, если лист получает большое количество энергии, а эта энергия не используется, этот избыток может повредить молекулы фотосинтетического комплекса. Каротиноиды участвуют в поглощении избыточной энергии и помогают рассеивать ее в виде тепла.

Каротиноиды обычно представляют собой красные, оранжевые или желтые пигменты и включают хорошо известное соединение каротин, придающий моркови их цвет. Эти соединения состоят из двух небольших шестиуглеродных колец, соединенных «цепочкой» атомов углерода.

В результате своей молекулярной структуры они не растворяются в воде, а вместо этого связываются с мембранами внутри клетки.

Каротиноиды не могут напрямую использовать энергию света для фотосинтеза, но должны передавать поглощенную энергию хлорофиллу. По этой причине они считаются вспомогательными пигментами. Еще один пример хорошо заметного дополнительного пигмента - фукоксантин, который придает морским водорослям и диатомовым водорослям коричневый цвет.

Каротиноиды можно разделить на две группы: каротины и ксантофиллы.

Каротины

Каротины - это органические соединения, широко распространенные в виде пигментов у растений и животных. Их общая формула - C40H56, и они не содержат кислорода. Эти пигменты представляют собой ненасыщенные углеводороды; то есть они имеют много двойных связей и принадлежат к изопреноидному ряду.

В растениях каротины придают желтый, оранжевый или красный цвет цветам (календула), фруктам (тыква) и корням (морковь). У животных они обнаруживаются в жирах (масло), яичных желтках, перьях (канарейка) и панцирях (лобстеры).

Наиболее распространенный каротин - это β-каротин, который является предшественником витамина А и считается очень важным для животных.

Ксантофиллы

Ксантофиллы - это желтые пигменты, молекулярная структура которых аналогична каротинам, но с той разницей, что они содержат атомы кислорода. Некоторые примеры: C40H56O (криптоксантин), C40H56O2 (лютеин, зеаксантин) и C40H56O6, который является характерным фукоксантином для коричневых водорослей, упомянутых выше.

Каротины обычно имеют более оранжевый цвет, чем ксантофиллы. И каротины, и ксантофиллы растворимы в органических растворителях, таких как хлороформ, этиловый эфир и др. Каротины более растворимы в сероуглероде по сравнению с ксантофиллами.

Функции каротиноидов

- Каротиноиды действуют как вспомогательные пигменты. Они поглощают лучистую энергию в средней области видимого спектра и передают ее хлорофиллу.

- Они защищают компоненты хлоропластов от кислорода, образующегося и выделяющегося при фотолизе воды. Каротиноиды захватывают этот кислород через свои двойные связи и меняют свою молекулярную структуру на более низкоэнергетическое (безвредное) состояние.

- Возбужденное состояние хлорофилла реагирует с молекулярным кислородом с образованием очень опасного состояния кислорода, называемого синглетным кислородом. Каротиноиды предотвращают это, выключая возбужденное состояние хлорофилла.

- Три ксантофилла (виолоксантин, антероксантин и зеаксантин) участвуют в диссипации избыточной энергии, превращая ее в тепло.

- Благодаря своему цвету каротиноиды делают цветы и плоды видимыми для опыления и распространения животными.

Фикобилины

Фикобилины представляют собой водорастворимые пигменты и поэтому находятся в цитоплазме или строме хлоропласта. Они встречаются только у цианобактерий и красных водорослей (Rhodophyta).

Фикобилины важны не только для организмов, которые используют их для поглощения энергии света, но также используются в качестве инструментов исследования.

Когда такие соединения, как пикоцианин и фикоэритрин, подвергаются воздействию интенсивного света, они поглощают энергию света и высвобождают ее, испуская флуоресценцию в очень узком диапазоне длин волн.

Свет, производимый этой флуоресценцией, настолько отличительный и надежный, что фикобилины могут использоваться в качестве химических «меток». Эти методы широко используются в исследованиях рака, чтобы «пометить» опухолевые клетки.

Ссылки

1. Бианки Т. и Кануэль Э. (2011). Химические биомаркеры в водных экосистемах (1-е изд.). Издательство Принстонского университета.
2. Эверт Р. и Эйххорн С. (2013). Ворона Биология растений (8-е изд.). WH Freeman and Company Publishers.
3. Гольдберг, Д. (2010). Биология AP Barron (3-е изд.). Образовательная серия Barron's, Inc.
4. Нобель, Д. (2009). Физико-химическая и экологическая физиология растений (4-е изд.). Elsevier Inc.
5. Фотосинтетические пигменты. Получено с: ucmp.berkeley.edu
6. Ренгер, Г. (2008). Первичные процессы фотосинтеза: принципы и аппарат (ИЛ. Ред.) RSC Publishing.
7. Соломон, Э., Берг, Л., Мартин, Д. (2004). Биология (7-е изд.) Cengage Learning.