Пігменти фотосинтезу Що таке пігменти Пігменти

Пігменти фотосинтезу • Що таке пігменти?

Пігменти – це сполуки, вибірково поглинаючі світло у видимій частині спектру. • При освітленні білим світлом їх забарвлення визначається тими променями, які вони пропускають або відбивають. Якщо речовина не поглинає світло, то до ока доходять всі промені видимого світла і для нас ця речовина біла. Якщо речовина поглинає всі промені спектру, тоді вона виглядає чорною.

Чому хлорофіл зелений? • Хлорофіл поглинає в червоній і синій ділянках спектру, а зелену відбиває і тому він і виглядає зеленим, якщо тiльки його не маскують iншi пiгменти.

Здатність пігментів поглинати світло • Здатність пігментів поглинати світло пов’язана з наявністю в їх молекулі системи одинарних та подвійних зв’язків, які правильно чергуються – їх ще називають спряженими подвійними зв’язками. Між двома атомами, зв’язаними подвійними зв’язками, знаходиться 4 електрони. • Якщо система складається із спряжених зв’язків, то половина цих П електронів може вільно пересуватись вздовж всієї системи. Поглинувши квант світла такий електрон здатен відірватись від молекули пігмента, тобто пігмент стає донором елетронів для відновлення певної сполуки.

1. Пластидні пігменти: хлорофіли, каротиноїди, фікобіліни, їх фізичні та хімічні властивості. 2. Енергетика та хімізм фотосинтезу. Фотосинтез як процес поєднання світлових та темнових реакцій. 3. Дослідження Блекмана, Тімірязєва, Любіменка, Арнона, Кальвіна біохімія та екологія фотосинтезу

1901 1903 рр. М. С. Цвєт відкрив принципово новий метод розділення пігментів на окремі речовини, який він назвав адсорбційною хроматографією

Фотосинтетичні пігменти Хлорофіли Каротиноїди Фікобіліни

Хлорофіл а: C 55 H 72 O 5 N 4 Mg Хлорофіл b: C 55 H 70 O 6 N 4 Mg Хлорофіл d: C 55 H 70 O 5 N 4 Mg Хлорофіл c: не має залишку спирту фітолу

Розподіл хлорофілів у рослинах • Вищі рослини хлорофіли а, в • Бурі та діатомові водорості – хл. а, с • Червоні водорості хл. а, d • Фотосинтезуючі бактерії бактеріохлорофіл

бактеріохлорофіли • бактеріохлорофіл а: C 55 H 74 O 6 N 4 Mg • Бактеріохлорофіл d –не має циклопентанового кільця • Бактеріохлорофіл с – замість фітолу має фарнезильний залишок С 15 Н 26 О

Хлорофіл a & b Магній порфіринове кільце – гідрофільна частина молекули 0, 42 нм S = 1 нм 2 2 нм “Фітольний хвіст” гідрофобний полюс

Будова хлорофілу • Складається з 4 х пірольних кілець, з’єднаних метиновими мостиками. Вони утворюють порфіринове кільце. ця ж структура характерна також для гема гемоглобiну, мiоглобiну та цитохромiв. Порфiринове кiльце це плоска квадратна структура(свого ро ду голова), яка складається з 4 х менших кiлець, якi мiстять по атому азоту, здатному взаємодiяти з атомом металлу у хлорофiллi це магнiй, у гемоглобiнi залiзо. До порфiринового кiльця приєднаний фiтол. Рiзнi хлорофiли мають рiзнi боковi ланцюги i це змiнює їх властивостi. • В центрі знаходиться атом Mg з’єднаний з атомами N у пірольних кільцях. Азот піррольних кілець може окислюватись(віддавати електрон) або відновлюватись (приєднувати електрон) • Додаткове циклопентанове кільце містить карбонільну і карбоксильну групи. Карбоксильна через ефірний зв’язок з’єднана з залишком метанолу.

Будова хлорофілу • Зелене забарвлення хлорофілу залежить від наявності атома Mg і системи подвійних зв’язків • 4 пірольне кільце через залишок пропіонової кислоти та ефірний зв’язок з*єднується з залишком спирту фітолу С 20 Н 39 • Хлорофіл має 10 подвійних зв’язків. Магній валентності не міняє. • Окиснення і відновлення відбувається завдяки осциляції подвійних зв’язків, • В молекулах хлорофілу фітольний кінець ліпофільний, а порфіринові кільця гідрофільні.

Функціїї хлорофілу • • • Вибірково поглинати енергію світла; Запасати її у вигляді енергії електронного збудження; Фотохімічно перетворювати енергію збудженого стану в хімічну енергію первинних фотовідновлених та фотоокислених сполук.

Зв’язок структури і функцій • • 1. Залишок фiтолу розчинний у лiпiдах(тобто вiн гiдрофобний) i таким чином утримує молекулу в мембранi тилакоїда; 2. Порфiринове кiльце гiдрофiльне, тому воно знаходиться на тiй поверхнi мембрани, яка повернута до водної частини строми 3. Для кращого поглинання свiтла площина порфiринового кiльця розташована паралельно площинi мембрани 4. Модифiкацiя бокових груп порфiринового кiльця приводить до змiн у спектрах поглинання, внаслiдок чого мiняється i кiлькiсть поглиненої енергiї свiтла

Фізико хімічні властивості хлорофілів Максимуми поглинання Хлорофіл а (428 430 нм і 660 663 нм) Хлорофіл b (452 455 нм і 642 644 нм) Флуоресценція розчину хлорофілів у полярному розчиннику

Флуоресценція хлорофілу

Біосинтез хлорофілів

Біосинтез хлорофілу • З глутамінової кислоти через діоксивалеріанову + аміак утворюється гама амінолевулінова кислота, далі уропорфіриноген, далі протопорфірин 9, + Mg дає хлорофілід, до нього приєднується фітол і утворюється хлорофіл А

Функції хлорофілів 1) поглинаня світла; 2) передача енергії збуждення з одних молекул на інші; 3) первинний розподіл зарядів на мембрані.

Каротиноїди В хлоропластах вищих рослин найчастіше зустрічаються β каротин; üксантофіли – лютеїн поххідне від а каротину, зеаксантин від В каротину, є ще віолаксантин, неоксантин інші. Лютеїн є в жовтці кур*ячих яєць üЯк і хлорофіли нековалентно зв*язані з білками і ліпідами фотосинт х мембран

β каротин лютеїн неоксантин віолаксантин зеаксантин

Оптичне поглинання (відн. од. ) Спектри поглинання каротиноїдів β каротин лютеїн неоксантин віолаксантин зеаксантин Довжина хвилі, (нм)

• Кількість і положення максимумів залежить від екстрагента. • Спектр поглинання визначається системою спряжених подвійних зв*язків, при їх збільшенні максимуми зміщаються в довгохвильову ділянку. При зменшенні інтенсивність забарвлення падає і при їх відсутності щезає.

Біосинтез каротиноїдів

Синтез каротиноїдів • Починається з ацетил Со. А через мевалонову кислоту до геранілпірофосфату далі до лікопіну, який є попередником всіх інших каротиноїдів. • Синтез відбувається у темноті, але прискорюється за дії світла

Функції каротиноїдів: üУчасть у поглинанні світла в якості додаткових пігментів (у синій частині спектру); üПередача енергії збудженого стану на хлорофіли; üУтворення і видалення синглетного кисню; üГасіння триплетного хлорофілу; üФотопротекторна функція – ксантофільний (віолаксантиновий ) цикл – регуляція світлового потоку.

Значення каротиноїдів • Максимум енергії в спектрі сонячної радіації припадає на синьо фіолетову ділянку(480 530 нм). Збільшення долі червоного світла при низькому стоянні Сонця супроводжується великою кількістю розсіянного світла, в якому багато синьо фіолетових променів, що поглинаються каротиноїдами. • При відсутності прямого сонячного світла(похмура погода) доля синьо фіолетового світла збільшується.

Фікобіліни Фікоціанобілін Фікоеритробілін Функція – додаткові пігменти модель типової фікобілісоми ціанобактерій: 1 — мембрана тилакоїда; 2 — алофікоціанінове ядро; 3 — фікоціанін; 4 — фікоеритрин; 5 — білок, що забезпеує кріплення фікобілісоми до тилакоїдної мембрани

Будова фікобілінів • • Відносяться до групи жовчних пігментів, у тварин представником є білірубін. Це тетрапіроли з відкритим ланцюгом, системою кон*югованих подвійних і одинарних зв*язків. Не мають магнію та фітолу Пірольні кільця зв*язані метиновими мостиками, I і IV пірроли мають по карбонільній групі, Піррольні кільця мають такі бокові радикали: метильний у С 1, 3, 6, 7, етильний у С 8, два залишка пропіонової кислоти у С 4 і С 5. Фікобіліни є хроматофорними групами фікобіліпротеїнів глобулінових білків, з якими вони на відміну від хлорофілів з*єднані міцними ковалентними зв*язками. фікобіліпротеїни поділяються на 3 групи: 1. фікоеритрини білки червоного кольору (мах. погл 498 558 нм) 2. фікоціаніни – синьо голубі білки (мах. погл 585 630 нм) 3 аллофікоціаніни – сині білки (мах. погл 585 650 нм). Вони водорозчинні, знаходяться у фікобілісомах, гранулах розташованих на зовнішній поверхні фотосинт х ламел.

Значення фікобілінів • Фікоеритробіліни переважають у червоних водоростей, фікоціанобіліни у синьо зелених • На гоибині 34 м пропадають червоні промені, 177 м – жовті, 322 м – зелені, до 500 м сині і фіолетові, віще 500 – навіть сині і фіолетові. • Тому на поверхні живуть зелені водорості, глибше синьо зелені і на глибині червоні водорості – це явище монохроматичної комплементарної адаптації. • Гайдуков(1903 р) при освітленні водорості осциллярії зеленим світлом стає оранжево червоною, за дії червоним світлом – зеленою.

фітохром • Крім фікобілінів, які приймають участь у водоростей у фотосинтезі , у всіх рослин є фікобілін фітохром, який є фоторецептором червоного і далекого червоного світла і виконуючий регуляторні функції

Гібрид рослини і тварини Elysia chlorotica Еlysia chlorotica – (3 см) живе на атлантичному березі Північної Америки. Відкриття було зроблене вченими із університетів США і Південної Кореї під керівництвом Мері Рамфо Кеннеді, професором біохімії із університету штату Мен. За даними журналу New Scientist, ці морські молюски «є формою, що живе на сонячній енергії: вони поїдають рослини і володіють здатністю до фотосинтезу» . Молюсок харчується водоростями, набуваючи при цьому здатність до фотосинтезу. Мало того, що молюсок отримує хлоропласти, він ще містить їх у своїх клітинах, які розміщені вздовж кишківника. Як виявили вчені, якщо Еlysia chlorotica в перший місяць харчується водоростями впродовж 2 тижнів, то потім може існувати зовсім без харчування все своє життя (в середньому це близько одного року). За версією журналу SCIENCE ця подія входить у десятку наукових проривів 2008 року

Дякую за увагу!