Каротиноиды: что это, химические и физические свойства каротиноидов

Пространственная локализация[]

Хлоропласты в клетках листа

Фотосинтез растений осуществляется в хлоропластах, обособленных двухмембранных органеллах клетки. Хлоропласты могут быть в клетках плодов, стеблей, однако основным органом фотосинтеза, анатомически приспособленным к его ведению, является лист. В листе наиболее богата хлоропластами ткань палисадной паренхимы. У некоторых суккулентов с вырожденными листьями (например, кактусы) основная фотосинтетическая активность связана со стеблем.

Свет для фотосинтеза захватывается более полно благодаря плоской форме листа, обеспечивающей большое отношение поверхности к объёму. Вода доставляется из корня по развитой сети сосудов (жилок листа). Углекислый газ поступает отчасти посредством диффузии через кутикулу и эпидермис, однако большая его часть диффундирует в лист через устьица и по листу по межклеточному пространству. Растения, осуществляющие С₄ и CAM фотосинтез сформировали особые механизмы для активной ассимиляции углекислого газа.

Внутреннее пространство хлоропласта заполнено бесцветным содержимым (стромой) и пронизано мембранами (ламеллами), которые соединяясь друг с другом образуют тилакоиды, которые в свою очередь группируются в стопки, называемые граны. Внутритилакоидное пространство отделено и не сообщается с остальной стромой, предполагается также что внутреннее пространство всех тилакоидов сообщается между собой. Световые стадии фотосинтеза приурочены к мембранам, автотрофная фиксация CO₂ происходит в строме.

В хлоропластах имеются свои ДНК, РНК, рибосомы (70s типа), идёт синтез белка (хотя этот процесс и контролируется из ядра). Они не синтезируются вновь, а образуются путём деления предшествующих. Всё это позволило считать их предшественниками свободные цианобактерии, вошедшие в состав эукариотической клетки в процессе симбиогенеза.

Цианобактерии, таким образом, как бы сами являются хлоропластом и в их клетке фотосинтетический аппарат не вынесен в особую органеллу. Их тилакоиды, однако, не образуют стопок, а формируют различные складчатые структуры (у единственной цианобактерии Gloeobacter violaceus тилакоиды отсутствуют вовсе, а весь фотосинтетический аппарат находится в цитоплазматической мембране, не образующей впячиваний). У них и растений также есть различия в светособирающем комплексе (см. ниже) и пигментном составе.

Роль хлорофилла в процессе фотосинтеза

Преимущества хлорофилла

Благодаря хлорофиллу возможна вся жизнь на Земле.

1. Первое преимущество хлорофилла — это сахар, образующийся в результате процесса АТФ, который управляется хлорофиллом. Растения, как первичные производители, составляют основу пищевой цепочки. Все остальные организмы в пищевой цепочке полагаются на сахара, которые растения создают для поддержания жизни. В то время как высшие хищники в пищевой цепочке, возможно, никогда не съедят ни одного растения, они, безусловно, едят травоядных животных. Эти травоядные животные едят только растения, а также выращивают и наращивают мышцы, переваривая и используя питательные вещества растений. Накопление этих питательных веществ в природе было бы невозможно без хлорофилла.
2. Второе преимущество, реализуемое всеми организмами, — это кислород. В то время как хлорофилл не производит кислород напрямую, хлорофилл и связанный с ним комплекс белков передают электроны молекулам (таким, как АТФ и НАДФН), которые могут удерживать энергию в связях. Потребность в электронах для управления этим процессом заставляет молекулы воды расщепляться, образуя кислород. Этот кислород выбрасывается в атмосферу. Растения, водоросли и цианобактерии производят весь кислород в атмосфере. Все остальные животные и большинство растений нуждаются в этом кислороде, чтобы выжить.

Хлорофилл — это молекула, вырабатываемая растениями, водорослями и цианобактериями, которая способствует преобразованию световой энергии в химические связи. Хлорофилл известен как пигмент или молекула, которая отражает одни длины волн света, поглощая другие. Пигменты создают разнообразные цвета в растительном и животном мире. Хлорофилл — это зеленый пигмент, который отвечает за зеленый цвет растений и водорослей.

Безусловно, наиболее важной ролью хлорофилла является фотосинтез; но он также используется в качестве зеленого красителя в пищевых продуктах, косметике, мыле и алкогольных напитках. Его эфирная боковая цепь может быть расщеплена для получения фитола, спирта, используемого в синтезе витаминов Е и К1

Его даже пробовали в качестве антидетонационной присадки к бензину.

Типы фотосинтеза

Существует два типа фотосинтетических процессов:

• кислородный фотосинтез;
• бескислородный фотосинтез.

Они оба следуют очень похожи, но кислородный фотосинтез является наиболее распространенным и наблюдается у растений, водорослей и цианобактерий.

Во время кислородного фотосинтеза световая энергия переносит электроны из воды (H2O), поглощаемой корнями растений, в CO2 для получения углеводов. При этом переносе CO2 восстанавливается или получает электроны, а вода окисляется или теряет электроны. Кислород вырабатывается вместе с углеводами. Кислородный фотосинтез функционирует как противовес дыханию, поглощая CO2, вырабатываемый всеми дышащими организмами, и вновь вводя кислород в атмосферу.

Аноксигенный (бескислородный) фотосинтез — это процесс, при котором световая энергия преобразуется в химическую энергию без образования молекулярного кислорода в качестве побочного продукта. Этот процесс наблюдается в нескольких группах бактерий, таких как пурпурные бактерии, зеленые сернистые и несернистые бактерии, гелиобактерии и ацидобактерии. Без выработки кислорода эти бактериальные группы вырабатывают АТФ. Вода не используется в качестве начального донора электронов при бескислородном фотосинтезе.

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). Ворон Биология растений (8-е изд.). W. H. Freeman and Company Publishers.
3. Гольдберг, Д. (2010). Биология AP Бэррона (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.

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. Перечислены пигменты, характерные для различных групп растений.

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. Показаны спектры поглощения хлорофиллов a и b — для сравнения — спектр 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.

Координационная связь: Х-СН3 — у хлорофилла а; -СНО — у хлорофилла b

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.

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, 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.

Аннотация к отчету по результатам реализации проекта:

Впервые получены данные о пигментном комплексе и фотосинтетической активности около 40 видов растений Приполярного Урала, относящихся к различным жизненным формам и экологическим стратегиям. Выявлено, что листья большинства видов имели низкую скорость нетто-фотосинтеза (от 1 до 7 мг СО2/г сухой массы ч) при оптимальных светотемпературных условиях. Пигментный комплекс характеризовался относительно высоким содержанием каротиноидов, соотношение хлорофиллы/каротиноиды варьировало в пределах 2-3.5. Каротиноиды, защищающие тилакоиды от фотоокисления, поддерживающие гибкость мембран и участвующие в дополнительном поглощении света в период «белых» ночей, играют важную роль в адаптации фотосинтетического аппарата к суровым условиям. Установлено, что фотосинтетическая активность и содержание пигментов контролируются азотным статусом листьев. На основе изучения функциональных параметров растений родиолы розовой и кокушника комарникового из различных ценопопуляций выявлены адаптивные реакции на уровне пигментного комплекса. Показано увеличение относительного содержания каротиноидов в листьях растений, обитающих на скалах и склонах южной экспозиции. Растения из прирусловых и луговых местообитаний отличались более высоким накоплением хлорофиллов, особенно хл b. Выявленные закономерности демонстрируют значение пигментного комплекса в освоении видами определенных экотопов. Исследовано содержание и динамика пигментов в растениях 5 сортов ячменя. Выявлено, что адаптированные к северным условиям сорта новой селекции отличаются от стародавних повышенным накоплением фотосинтетических пигментов, вкладом нелистовых органов в хлорофилльный фотосинтетический потенциал, устойчивостью пигментного комплекса к неблагоприятным климатическим и эдафическим факторам. В контролируемых условиях исследовано действие пониженной температуры на рост и фотосинтетическую активность растений ячменя при разном уровне минерального питания. Выявлено, что увеличение доли хлорофилла b и каротиноидов в общем пуле пигментов обеспечивают стабильность фотосинтеза в условиях пониженной температуры и дефицита азота. Пониженные температуры при оптимальном минеральном питании усиливали торможение роста ячменя солями кадмия вследствие ингибирования синтеза хлорофиллов и снижения скорости фотосинтеза. Сделано заключение, что показатели пигментного комплекса можно использовать в качестве селекционного признака продуктивности и устойчивости фотосинтетического аппарата ячменя. Исследованы механизмы световой адаптации фотосинтетического аппарата теневыносливых растений. На основе данных по флуоресценции хлорофилла показано повреждение части реакционных центров ФС2 в листьях световых растений живучки ползучей. Снижению степени фотоингибирования способствовали адаптивные изменения структуры, функциональной активности, содержания и соотношения пигментов в листьях. Выявлено, что у очитка пурпурного важную роль в защите фотосинтетического аппарата и снижении степени повреждения ФС2 играют антоцианы. В целом, полученные новые оригинальные данные свидетельствуют в пользу развиваемой нами гипотезы о возрастании роли пигментов в устойчивости и продуктивности фотосинтеза растений в холодном климате.

§ 22. Фотосинтетические пигменты. Световая фаза фотосинтеза

В отличие от гетеротрофов, которым необходимы готовые органические соединения, автотрофы способны синтезировать их из неорганических веществ. Процессы биосинтеза относятся к пластическому обмену и, следовательно, сопровождаются поглощением энергии. Из курса биологии 10-го класса вам известно, что некоторые бактерии (железобактерии, бесцветные серобактерии, нитрифицирующие, водородные) для образования органических соединений используют энергию, которая выделяется при окислении неорганических веществ. Такие организмы называются хемоавтотрофами. Однако большинство автотрофных организмов использует для этого энергию света. Они составляют группу фотоавтотрофов.

Понятие фотосинтеза. К фотоавтотрофам относятся зеленые растения, водоросли, цианобактерии *зеленые и пурпурные серобактерии* и др. В процессе фотосинтеза с помощью специальных пигментов они поглощают световую энергию и преобразуют ее в энергию химических связей органических веществ. Исходным материалом для синтеза органических соединений являются такие неорганические вещества, как углекислый газ и вода. Таким образом, фотосинтез — это процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды, протекающий с поглощением энергии света при участии фотосинтетических пигментов.

*В XVII в. нидерландский исследователь Я. ван Гельмонт посадил в горшок с землей ветвь ивы, предварительно взвесив как почву, так и побег растения. В течение 5 лет он выращивал иву, не добавляя в горшок ничего, кроме воды. Затем ученый снова взвесил почву и растение. Оказалось, что масса ивы за эти годы увеличилась почти на 75 кг, в то время как масса почвы уменьшилась всего на 57 г. На основании этого ван Гельмонт пришел к выводу о том, что вещества растений образуются только из воды, а не из почвы и воздуха. Это ошибочное мнение было распространено до конца XVIII в.

В 1771 г. британский естествоиспытатель Дж. Пристли поместил живую веточку мяты в закрытый сосуд, воздух в котором был «испорчен горением свечи». Через несколько дней он обнаружил, что свеча в этом сосуде снова могла гореть, и сделал заключение о том, что растения способны «исправлять воздух». Следовательно, открытие фотосинтеза принадлежит Дж. Пристли. В то время он полагал, что воздух — это единое вещество, которое переходит из одной формы в другую. Дальнейшие опыты привели Дж. Пристли к открытию кислорода, и в 1778 г. он доказал, что при фотосинтезе растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Когда Дж. Пристли награждали медалью за его достижения, ученый сказал: «Благодаря этим открытиям мы уверены, что растения произрастают не напрасно, а очищают и облагораживают нашу атмосферу».

Однако Дж. Пристли не обратил внимания на то, что фотосинтез протекает только при наличии света. Это установил голландский физиолог Я. Ингенхауз. Он погружал ветвь растения в воду и наблюдал выделение пузырьков кислорода на свету. В темноте образование кислорода прекращалось. В 1796 г. Ингенхауз вывел следующее уравнение фотосинтеза:

Примечания[править | править код]

1. http://www.britannica.com/EBchecked/topic/65803/biochrome accessed 27 July 2010
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Biological_pigment
3. Rang, H. P. (2003). Pharmacology. Edinburgh: Churchill Livingstone. ISBN 0-443-07145-4. Page 146
4. Nadakal , A. M.. «Carotenoids and Chlorophyllic Pigments in the Marine Snail, Cerithidea Californica Haldeman, Intermediate Host for Several Avian Trematodes.» Marine Biological Laboratory. JSTOR, n.d. Web. 26 May 2010. <http://www.jstor.org/pss/1538938>.
5. Milicua, JCG. «Structural characteristics of the carotenoids binding to the blue carotenoprotein from Procambarus clarkii.» Structural characteristics of the carotenoids binding to the blue carotenoprotein from Procambarus clarkii. N.p., 25 Oct. 1984. Web. 24 May 2010. <resources.metapress.com/pdf-preview.axd?code=l163k1j75x721w72&size=largest>.
6. Zagalsky, P.. «Colouration in Marine Invertebrates» A central role for astaxanthin complexes.» Crustacean. N.p., n.d. Web. 25 May 2010. <srs.dl.ac.uk/Annual_Reports/AnRep01_02/pdf/08_09%20Crustacyanin.pdf>.
7. ZAGALSKY, Peter F. . «The lobster carapace carotenoprotein, a-crustacyanin.» A possible role for tryptophan in the bathochromic spectral shift of protein-bound astaxanthin. N.p., n.d. Web. 25 May 2010. <www.biochemj.org/bj/274/0079/2740079.pdf>.
8. CHANG, KENNETH. «The New York Times > Science > Yes, It’s a Lobster, and Yes, It’s Blue.» The New York Times — Breaking News, World News & Multimedia. NY Times, 15 Mar. 2005. Web. 24 May 2010. <http://www.nytimes.com/2005/03/15/science/15blue.html>.
9. Schmidt-Danner, Claudia. » BIOSYNTHESIS OF PORPHYRIN COMPOUNDS.» Tetrapyrroles. N.p., n.d. Web. 25 May 2010. <www3.cbs.umn.edu/BMBB/faculty/csd/HTML/research_tetrapyrroles.htm>.
10. Bandaranayake, Wickramasinghe. «The nature and role of pigments of marine invertebrates .» Natural Products Report. Cambridge, n.d. Web. 25 May 2010. <www.rsc.org/delivery/_ArticleLinking/DisplayArticleForFree.cfm?doi=b307612c&JournalCode=NP>.
11. Webexhibits. «Bioluminescence | Causes of Color.» WebExhibits. Web. 02 June 2010. <http://www.webexhibits.org/causesofcolor/4ADA.html>.

Типы хлорофиллов

Есть несколько типов хлорофилла: a, b, c, d и e.Из них только два находятся 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» обнаруживается только в фотосинтезирующих членах группы хромистов, 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 поглощать более широкий диапазон длин волн и, таким образом, улавливать больше энергии солнечного света.

Пигменты фотосинтеза. Хлорофиллы. Каротиноиды.

Пигменты фотосинтеза у высших растений подразделяются на два класса: хлорофиллы и кароти-ноиды. Основное назначение пигментов — поглощать световую энергию, превращая ее 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).

Хлорофиллы

Хлорофиллы поглощают в основном красный и сине-фиолетовый свет, зеленый свет ими отражается, что и придает растениям специфическую зеленую окраску, если она не маскируется другими пигментами. На рисунке приведены спектры поглощения хлорофиллов а и h в сравнении с каротиноидами.

В состав молекулы хлорофилла входит плоская голова, поглощающая свет, в центре которой расположен атом магния. Этим можно объяснить, почему растения нуждаются в магнии и почему дефицит магния приводит к уменьшению образования хлорофилла и пожелтению листьев растения. Молекула хлорофилла включаете себя еще и длинный гидрофобный (отталкивающий воду) углеводородный хвост. Внутренние мембраны также гидрофобны, поэтому хвосты «забрасываются» внутрь тилаковдных 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.

Хлорофилл а — наиболее часто встречающийся пигмент фотосинтеза. Он существует в нескольких формах, в зависимости от расположения в мембране. Каждая форма едва отличается по положению пика адсорбции в красной области; например, значения максимума могут составлять 670, 680, 690 или 700 нм.

Каротиноиды

Каротиноиды — это желтые, оранжевые, красные или коричневые пигменты, сильно поглощающие в сине-фиолетовой области. Они называются вспомогательными пигментами, поскольку поглощенную ими световую энергию они переносят на хлорофилл. В спектре поглощения каротиноидов обнаруживаются 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 зелеными 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.

Каротиноиды бывают двух типов: каротины и ксантофиллы. Самым распространенным и важным среди каротинов является (J-каротин, который знаком нам как оранжевый пигмент моркови. У позвоночных животных в процессе пищеварения этот пигмент расщепляется на две молекулы витамина А.

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним. См. подробнее в пользовательском соглашении.