ФОТОСИНТЕТИЧНИ ПИГМЕНТИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСНОВНИ ВИДОВЕ - БИОЛОГИЯ - 2025

На фотосинтетични пигменти са химични съединения, които поглъщат и отразяват определени дължини на вълната на видимата светлина, което ги появи "цветен". Различните видове растения, водорасли и цианобактерии имат фотосинтетични пигменти, които абсорбират с различна дължина на вълната и генерират различни цветове, главно зелено, жълто и червено.

Тези пигменти са необходими за някои автотрофни организми, като растенията, тъй като им помагат да се възползват от широк спектър от дължини на вълните, за да произвеждат храната си при фотосинтеза. Тъй като всеки пигмент реагира само с някои дължини на вълната, има различни пигменти, които позволяват улавяне на повече светлина (фотони).

характеристики

Както беше споменато по-горе, фотосинтетичните пигменти са химически елементи, които са отговорни за абсорбирането на светлината, необходима за процеса на фотосинтеза. Чрез фотосинтезата енергията от Слънцето се преобразува в химическа енергия и захари.

Слънчевата светлина е съставена от различни дължини на вълните, които имат различни цветове и енергийни нива. Не всички дължини на вълната се използват еднакво при фотосинтезата, поради което има различни видове фотосинтетични пигменти.

Фотосинтетичните организми съдържат пигменти, които абсорбират само дължината на вълната на видимата светлина и отразяват другите. Наборът от дължини на вълната, погълнат от пигмент, е неговият спектър на абсорбция.

Пигментът абсорбира определени дължини на вълната, а тези, които не абсорбира, се отразяват; цветът е просто светлината, отразена от пигментите. Например растенията изглеждат зелени, тъй като съдържат много молекули хлорофил a и b, които отразяват зелена светлина.

Видове фотосинтетични пигменти

Фотосинтетичните пигменти могат да бъдат разделени на три вида: хлорофили, каротеноиди и фикобилини.

Хлорофилите

Хлорофилите са зелени фотосинтетични пигменти, които съдържат порфиринов пръстен в структурата си. Те са стабилни пръстеновидни молекули, около които електроните са свободни да мигрират.

Тъй като електроните се движат свободно, пръстенът има потенциал лесно да спечели или загуби електрони и следователно има потенциала да осигури енергизирани електрони на други молекули. Това е основният процес, чрез който хлорофилът „улавя“ енергия от слънчевата светлина.

Видове хлорофили

Има няколко вида хлорофил: a, b, c, d и e. От тях само две са открити в хлоропластите на висшите растения: хлорофил a и хлорофил b. Най-важният е хлорофил "а", тъй като той присъства в растенията, водораслите и фотосинтетичните цианобактерии.

Хлорофилът "а" прави възможно фотосинтезата чрез прехвърляне на активираните му електрони в други молекули, които ще правят захари.

Втори вид хлорофил е хлорофил "b", който се намира само в така наречените зелени водорасли и растения. От своя страна, хлорофил "с" се намира само във фотосинтетичните членове на групата на хромиста, като динофлагелатите.

Разликите между хлорофилите в тези основни групи бяха един от първите признаци, че те не са толкова тясно свързани, както се смяташе досега.

Количеството хлорофил "b" е около една четвърт от общото съдържание на хлорофил. От своя страна, хлорофилът "а" се намира във всички фотосинтетични растения, поради което се нарича универсален фотосинтетичен пигмент. Нарича се още първичен фотосинтетичен пигмент, защото осъществява първичната реакция на фотосинтезата.

От всички пигменти, които участват във фотосинтезата, хлорофилът играе основна роля. Поради тази причина останалите фотосинтетични пигменти са известни като аксесоари за пигменти.

Използването на аксесоари пигменти му позволява да абсорбира по-широк диапазон от дължини на вълните и следователно улавя повече енергия от слънчевата светлина.

Каротеноидите

Каротеноидите са друга важна група фотосинтетични пигменти. Те поглъщат виолетова и синьо-зелена светлина.

Каротеноидите осигуряват ярките цветове, които плодовете представят; Например червеното в доматите се дължи на наличието на ликопен, жълтото в царевичните семена се причинява от зеаксантин, а оранжевото в портокаловите кори се дължи на β-каротин.

Всички тези каротеноиди са важни за привличането на животни и насърчаването на разпространението на семената на растението.

Подобно на всички фотосинтетични пигменти, каротеноидите помагат за улавяне на светлината, но те също така обслужват друга важна функция: елиминиране на излишната енергия от Слънцето.

По този начин, ако едно листо получава голямо количество енергия и тази енергия не се използва, този излишък може да повреди молекулите на фотосинтетичния комплекс. Каротеноидите участват в абсорбирането на излишната енергия и спомагат за нейното разсейване като топлина.

Каротеноидите обикновено са червени, оранжеви или жълти пигменти и включват добре познатото съединение каротин, което придава на морковите си цвят. Тези съединения са съставени от два малки шест въглеродни пръстена, свързани чрез "верига" от въглеродни атоми.

В резултат на молекулярната си структура те не се разтварят във вода, а вместо това се свързват с мембрани в клетката.

Каротеноидите не могат директно да използват енергията на светлината за фотосинтеза, но трябва да прехвърлят абсорбираната енергия към хлорофила. Поради тази причина те се считат за пигменти за аксесоари. Друг пример за силно видим аксесоар пигмент е фукоксантин, който придава на морски водорасли и диатоми кафявия им цвят.

Каротеноидите могат да бъдат класифицирани в две групи: каротини и ксантофили.

Каротени

Каротините са органични съединения, широко разпространени като пигменти в растенията и животните. Общата им формула е C40H56 и те не съдържат кислород. Тези пигменти са ненаситени въглеводороди; тоест те имат много двойни връзки и принадлежат към изопреноидната серия.

В растенията каротините придават жълти, оранжеви или червени цветове на цветя (невен), плодове (тиква) и корени (морков). При животни те са видими в мазнини (масло), яйчни жълтъци, пера (канарчета) и черупки (омари).

Най-разпространеният каротин е β-каротинът, който е предшественик на витамин А и се счита за много важен за животните.

Xanthophylls

Ксантофилите са жълти пигменти, чиято молекулна структура е подобна на тази на каротините, но с тази разлика, че съдържат кислородни атоми. Някои примери са: C40H56O (криптоксантин), C40H56O2 (лутеин, зеаксантин) и C40H56O6, което е характерният фукоксантин на кафявите водорасли, споменати по-горе.

Каротините обикновено са с по-оранжев цвят от ксантофилите. Както каротините, така и ксантофилите са разтворими в органични разтворители като хлороформ, етилов етер. Каротените са по-разтворими в въглероден дисулфид в сравнение с ксантофилите.

Функции на каротеноидите

- Каротеноидите функционират като допълнителни пигменти. Те абсорбират лъчева енергия в средната област на видимия спектър и я пренасят в хлорофил.

- Те защитават компонентите на хлоропласта от кислорода, генериран и освободен по време на фотолизата на водата. Каротеноидите поемат този кислород чрез двойните си връзки и променят молекулната си структура до по-ниско енергийно (безобидно) състояние.

- Възбуденото състояние на хлорофил реагира с молекулен кислород, за да образува силно вредно кислородно състояние, наречено синглетен кислород. Каротеноидите предотвратяват това чрез изключване на възбуденото състояние на хлорофила.

- Три ксантофила (виолоксантин, антероксантин и зеаксантин) участват в разсейването на излишната енергия чрез преобразуването й в топлина.

- Поради цвета си, каротеноидите правят цветята и плодовете видими за опрашване и разпространение от животни.

Phycobilins

Фикобилините са водоразтворими пигменти и затова се намират в цитоплазмата или стромата на хлоропласта. Те се срещат само в цианобактерии и червени водорасли (Rhodophyta).

Фикобилините са важни не само за организмите, които ги използват за абсорбиране на енергия от светлина, но и се използват като инструменти за изследване.

Когато съединения като пикоцианин и фикоеритрин са изложени на интензивна светлина, те поглъщат енергията на светлината и я освобождават чрез излъчване на флуоресценция в много тесен диапазон на дължината на вълната.

Светлината, получена от тази флуоресценция, е толкова отличителна и надеждна, че фикобилините могат да се използват като химически „етикети“. Тези техники се използват широко в изследванията за рак за „маркиране“ на туморните клетки.

Препратки

1. Bianchi, T. & Canuel, E. (2011). Химически биомаркери във водни екосистеми (1-во издание). Princeton University Press.
2. Evert, R. & Eichhorn, S. (2013). Гарванска биология на растенията (8-мо изд.). WH Freeman и Company Publishers.
3. Goldberg, D. (2010). Биология на AP на Barron (3-то издание). Barron's Educational Series, Inc.
4. Nobel, D. (2009). Физикохимична и екологична физиология на растенията (4-то изд.). Elsevier Inc.
5. Фотосинтетични пигменти. Възстановено от: ucmp.berkeley.edu
6. Renger, G. (2008). Първични процеси на фотосинтеза: принципи и апаратура (IL Ed.) RSC Publishing.
7. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Биология (7-мо изд.) Учебно обучение.